专利名称：使用关节型四肢的移动机器人的控制指令结构的制作方法
使用关节型四肢的移动机器人的控制指令结构本发明涉及机器人上采用的控制和指令系统的领域。更具体地，本发明适用于在 关节型四肢上移动或利用关节型四肢移动的机器人结构，其明显具有人或动物的形式。当 机器人具有一定的下述人类外观特性时，可被归类为类人头部，躯干，两个臂，两个手，两 个腿，两个脚，等等。然而，类人机器人可以或多或少地做出改进。其四肢可以具有更大或 更小数量的关节。其可以静态和动态地管理其自身平衡，并且利用两肢行走，可能是在三维 上。其能够从环境获取信号(“听"，“看"，"触摸"，“感觉"，等等)，并且基于或高 或低级别的成熟行为作出反应，并且通过语言或行动而与其它机器人或人互动。赋予机器 人的人类外观和行为越多，就越需要为四肢关节提供应力下的自由度(并且因此需要倍增 驱动这些关节的电机)，倍增传感器和处理操作，以及产生反射反应。对用户(人，机器人本 身)定义的任务的适应性越高，就越需要提供定制机器人物理结构(例如通过将头部更换 为另一个)和定制其智能(通过更新形成其的程序，这就必须要求其能与服务器互动，从该 服务器可以下载新的应用程序以便升级其任务或其行为)的可能性。移动机器人在关节型 四肢方面的这种增大的复杂性以及物理和软件结构通用性无法通过现有技术的结构实现。这是因为，目前的控制指令结构包括单一的中央计算单元，来驱动所有控制关节 的电机，这种控制指令结构会很快地达到其极限，主要是由于相关连接器的重量。一种替代 措施是提供分散化结构，通常是在工业机器人系统中，即采用母卡和针对每个电机单元或 传感器的控制器卡。在具有前面提到的功能的类人机器人的情况下，与母卡之间通信的管 理对于其处理器而言成为非常高负荷的搭载，直至其达到饱和状态。本发明通过下述方式解决了上述问题，即提供了一种控制指令结构，其具有至少 三个级别，其中一个级别用于通过设有至少一个微控制器的电子卡命令传感器/执行器， 一个级别用于翻译和传输指令至所述卡并且直接驱动基本功能，还有一个级别用于产生更 高级别功能，其中包括机器人的人工智能。为此，本发明公开了一种基于关节型四肢的移动机器人，其包括传感器和执行器 的多个子组(subsets)，每个子组由电子卡控制，其特征在于，针对至少一些电子卡的控制 功能至少由第一计算机和第二计算机分担，所述第一计算机主要负责向所述电子卡传送用 于执行由第二计算机定义的功能的指令信息。有利地，移动机器人的一些特定功能在第一计算机中被程序化，所述功能根据一 些传感器状态变量的值确定执行器指令，以管理机器人的反射反应。有利地，移动机器人的一些特定配置数据被存储于存储器，所述存储器由第一计 算机管理，所述配置数据主要包括下列项目所控制的电子卡，受所述卡命令的传感器和执 行器，和所述传感器和执行器的操作参数。有利地，第一计算机管理机器人的至少一些电子卡的初始化过程。有利地，机器人的电子卡可被更换为等效的卡，而不必修改第一计算机和第二计 算机中任何一个的程序化设置。有利地，第二计算机可被更换为另一个等效计算机，而不必修改第一计算机的程序化设置。
有利地，第一计算机和电子卡之间的通信由至少一个专用总线上的安全协议管 理，所述安全协议包括帧，所述帧包括位于信息字节前面的至少包含目的地址和具有选定 值的最高有效位的字节，以及位于信息字节后面的包含信息大小的至少一个字节和包含 CRC的一个字节。有利地，根据所述安全协议的帧的所有字节具有处在与所述地址字节的最高有效 位互补的值的第一字节，并且所述信息字节包含八字节的序列，八字节中的第一字节包含 后面七字节的七个最高有效位。有利地，所述安全协议包括同播通信模式。有利地，第一计算机及其控制的电子卡还通过至少两个通信线路相连，其中一个 通信线路用于检测操作，另一通信线路向所述电子卡赋予地址。本发明还公开了一种控制基于关节型四肢的移动机器人的方法，其包括多个用于 传感器和执行器的子组的指令步骤，每个子组受电子卡命令，其特征在于，用于至少一些电 子卡的控制步骤至少由第一计算机和第二计算机分担，所述第一计算机主要负责将用于执 行功能的指令信息传送至所述电子卡的步骤，所述功能的定义步骤由第二计算机进行。有利地，第一计算机和电子卡之间的通信由位于至少一个专用总线上的安全协议 管理，所述安全协议包括帧，所述帧包括位于信息字节前面的至少包含目的地址和具有选 定值的最高有效位的字节，以及位于信息字节后面的包含信息大小的至少一个字节和包含 CRC的一个字节，并且，根据所述安全协议的帧的所有字节具有处在与所述地址字节的最高 有效位互补的值的第一字节，并且所述信息字节包含八字节的序列，八字节中的第一字节 包含后面七字节的七个最高有效位。有利地，指令信息以基本固定的时间间隔被传送至电子卡，该时间间隔的量值为 大约十毫秒。有利地，由第二计算机产生的指令信息包括针对每个指令的至少一个执行数据。有利地，通过在前一值和后一值之间利用定期发送数据进行插值而计算带时间戳 的指令值。有利地，在第一指令和第二指令之间由电子卡执行的伺服控制命令是利用第一指 令前面的指令和所述第一指令之间的指令速度变化的延伸而从前一指令外推得到的。有利地，在第一指令和第二指令之间由电子卡执行的伺服控制命令是通过将第一 指令前面的指令和所述第一指令之间的指令速度变化翻译为应用于第一和第二指令之间 的伺服控制命令而从前一指令外推得到的。上述结构可提供下述优点，即解放了负责人工智能任务的最高级别单元的大部分 计算能力，该最高级别单元用于进行适合于所述机器人的用途方案的机器人行为的产生。 还能够管理不同总线上的基于级别最优化的各计算机之间的通信，以及提供也被最优化的 通信协议。此外，上述结构可提供附加有点，即机器人的各个部件可以更换，而不必重新构 建机器人的核心。还能最优化带时间戳的指令的使用，为了同步化执行传输至类人机器人 的许多关节的指令(可能是通过异步链从远程设备或从与第一机器人通信的另一个机器 人传输的)，这种带时间戳的指令是必须的。通过下面对本发明的一些代表性实施方式及其附图的描述，本发明将被更好地理 解，并且其各个特征和优点将更清楚地展现
-
图1是本发明实施方式中的类人机器人的物理结构的图示；-图2是本发明实施方式中的类人机器人的功能性结构的图示；-图3是本发明实施方式中的类人机器人的逻辑结构的示意图；-图4是示出了本发明实施方式中的类人机器人中由第一计算机将第二计算机产 生的传送指令至电子卡的图示；-图5A和5B是时序图，示出了本发明实施方式中的类人机器人中由第一和第二级 别计算机之一产生带时间戳的指令以便传送至最低级别电子卡；-图6A、6B、6C和6D是时序图，示出了本发明实施方式中用于合并带时间戳的指令 的各种场景；-图7示出了本发明实施方式中的类人机器人结构的各个级别之间的配置元件的 分配。在下面的说明书部分中，各种简写和缩写具有下面表中的含义，除非以专门的文 字明确给出与此不同的意义。
权利要求
1.一种基于关节型四肢的移动机器人，包括传感器和执行器的多个子组，每个子组由 电子卡(10)控制，其特征在于，用于至少一些电子卡的控制功能至少由第一计算机00)和 第二计算机(30)分担，所述第一计算机00)主要负责向所述电子卡(10)传送用于执行由 第二计算机(30)定义的功能的指令信息。
2.根据权利要求1所述的移动机器人，其特征在于，移动机器人的一些功能在第一计 算机中被程序化，所述功能根据一些传感器状态变量的值确定执行器指令，以管理机器人 的反射反应。
3.根据权利要求1所述的移动机器人，其特征在于，移动机器人的一些配置数据被存 储于存储器中，所述存储器由第一计算机管理，所述配置数据主要包括下列项目所控制的 电子卡，受所述卡命令的传感器和执行器，和所述传感器和执行器的操作参数。
4.根据权利要求1所述的移动机器人，其特征在于，第一计算机管理机器人的至少一 些电子卡的初始化过程。
5.根据权利要求1所述的移动机器人，其特征在于，机器人的电子卡可被更换为等效 的卡，而不必修改第一计算机和第二计算机中任何一个的程序化设置。
6.根据权利要求1所述的移动机器人，其特征在于，第二计算机可被更换为另一个等 效计算机，而不必修改第一计算机的程序化设置。
7.根据权利要求1所述的移动机器人，其特征在于，第一计算机和电子卡之间的通信 由至少一个专用总线上的安全协议管理，所述安全协议包括帧，所述帧包括位于信息字节 前面的至少包含目的地址和具有选定值的最高有效位的字节，以及位于信息字节后面的包 含信息大小的至少一个字节和包含CRC的一个字节。
8.根据权利要求7所述的移动机器人，其特征在于，根据所述安全协议的帧的所有字 节具有处在与所述地址字节的最高有效位互补的值的第一字节，并且所述信息字节包含八 字节的序列，八字节中的第一字节包含后面七字节的七个最高有效位。
9.根据权利要求7所述的移动机器人，其特征在于，所述安全协议包括同播通信模式。
10.根据权利要求7所述的移动机器人，其特征在于，第一计算机及其控制的电子卡还 通过至少两个通信线路相连，其中一个通信线路用于检测操作，另一通信线路向所述电子 卡赋予地址。
11.一种控制基于关节型四肢的移动机器人的方法，包括发出用于传感器和执行器的 子组的多个指令步骤，每个子组受电子卡(10)命令，其特征在于，用于至少一些电子卡的 控制步骤至少由第一计算机00)和第二计算机(30)分担，所述第一计算机00)主要负责 将用于执行功能的指令信息传送至所述电子卡(10)的步骤，所述功能的定义步骤由第二 计算机(30)完成。
12.根据权利要求11所述的控制移动机器人的方法，其特征在于，第一计算机和电子 卡之间的通信由位于至少一个专用总线上的安全协议管理，所述安全协议包括帧，所述帧 包括位于信息字节前面的至少包含目的地址和具有选定值的最高有效位的字节，以及位于 信息字节后面的包含信息大小的至少一个字节和包含CRC的一个字节，并且，根据所述安 全协议的帧的所有字节具有处在与所述地址字节的最高有效位互补的值的第一字节，并且 所述信息字节包含八字节的序列，八字节中的第一字节包含后面七字节的七个最高有效 位。
13.根据权利要求11所述的控制移动机器人的方法，其特征在于，指令信息以基本固 定的时间间隔被传送至电子卡，该时间间隔的量值为大约十毫秒。
14.根据权利要求11所述的控制移动机器人的方法，其特征在于，由第二计算机产生 的指令信息包括针对每个指令的至少一个执行数据。
15.根据权利要求14所述的控制移动机器人的方法，其特征在于，通过在前一指令值 和后一指令值之间利用定期发送数据进行插值而计算出带时间戳的指令值。
16.根据权利要求13所述的控制移动机器人的方法，其特征在于，在第一指令和第二 指令之间由电子卡执行的伺服控制命令是利用第一指令前面的指令和所述第一指令之间 的指令速度变化的延伸而从前一指令外推得到的。
17.根据权利要求13所述的控制移动机器人的方法，其特征在于，在第一指令和第二 指令之间由电子卡执行的伺服控制命令是通过将第一指令前面的指令和所述第一指令之 间的指令速度变化翻译为应用于第一和第二指令之间的伺服控制命令而从前一指令外推 得到的。
全文摘要
本发明适用于移动机器人，其可以具有人的外观和使其能够执行任务的成熟功能。为了使得机器人的内部通信被最优化并且能够获得物理(能够替换机器人的部件)和软件(更换程序以使其适合于执行新任务)两方面的通用性，提供了一种具有三个计算机级别的结构。最高级别包括机器人智能，其产生的指令通过中间计算机传递至控制传感器和执行器的低级别卡。中间计算机和低级别卡之间的通信由至少一个专用安全通信协议管理。
文档编号B62D57/02GK102046337SQ200980119536
公开日2011年5月4日 申请日期2009年4月8日 优先权日2008年4月9日
发明者B·马尼耶, J·赛尔, J·马塔德 申请人:奥尔德巴伦机器人公司