专利名称：一种分布式多自由度机器人控制系统的制作方法
技术领域：
本发明属于机器人控制技术领域。具体涉及一种分布式多自由度机器人控制系统。
背景技术：
机器人作业任务和作业环境的日趋复杂，对机器人控制系统的性能要求也不断提高。开发出响应速度快、可扩展性强、可远程操作的多自由度机器人控制系统，已成为一个重要研究方向。
多自由度机器人运动规划中，机器人控制器与各自由度关节模块控制驱动器需进行大量的数学计算和数据交换，如坐标变换、正逆运动学方程求解、高次插补计算等。这一系列的运算和数据交换均需采用高速的处理器才能满足运动规划控制的实时性要求。“基于分布式控制的即插即用机械臂系统”(CN 200410053259.9)采用8位单片机来实现对机械臂的运动规划控制，其运算能力和数据处理能力有限，难以满足运动规划控制的实时性要求。
多自由度机器人控制系统还应满足开发周期短、可扩展性强以及维护方便的特点。“一种模块化可变结构蛇形机器人”(ZL 02144565.6)机器人由多个相同结构的关节模块组成，主机与中间层控制板通过串口通讯，控制板与多个底层伺服控制器连接，该系统具有模块化、可变结构的特点，便于加工制造、调试，易于维护和更换。但每个关节的位置控制不是采用专用的运动规划器，而是由主控计算机完成，处理速度有限，当关节模块较多时，其扩展性受到了一定的限制。
另外，随着机器人应用领域的扩展，如危险环境下机器人作业，本地控制已难以满足要求，机器人需具备远程操作能力。采用自下而上的分层设计，系统结构合理(王沫楠，孙立宁.多运动方式移动机器人控制系统设计.电机与控制学报.2005第9卷第4期)，但由于上位机与DSP5410之间采用串口通讯方式，最大波特率为115200bps，系统的实时规划性受到一定的限制，同时，也限制了对机器人的远程控制。因此，其通讯速度以及控制的灵活性有待进一步提升。
发明内容
本发明的目的是提供一种结构简单、响应速度快、可扩展性强、可远程操作、具有实时运动规划能力、能够实现机器人关节精确控制的分布式多自由度机器人控制系统。该控制系统可用于工业机器人、机械臂、空间机器人、类人机器人等具有多个自由度模块的机器人控制系统。
为了实现上述目的，本发明的技术方案是采用本申请人同日申请的“一种多自由度机器人运动规划控制器”的专利技术和“一种基于DSP的模块化机器人独立关节控制器”的专利技术，组成“系统+子系统+模块”的三级分布式控制系统。
其具体技术方案是将工业计算机通过以太网以有线或无线连接方式与一个或多个“一种多自由度机器人运动规划控制器”相连；一个或多个“一种多自由度机器人运动规划控制器”通过CAN-bus分别与一个或多个“一种基于DSP的模块化机器人独立关节控制器”相连。直流电源分别与一个或多个“一种多自由度机器人运动规划控制器”和一个或多个“一种基于DSP的模块化机器人独立关节控制器”相连。其中所述的以太网有线连接方式为工业计算机或直接与一个“一种多自由度机器人运动规划控制器”相连、或通过路由器与多个“一种多自由度机器人运动规划控制器”相连；以太网无线连接方式为工业计算机以无线通讯方式通过路由器与一个或多个“一种多自由度机器人运动规划控制器”相连。路由器或为无线路由器或为有线路由器。
所采用的“一种多自由度机器人运动规划控制器”包括电源转换模块、DSP芯片、以太网控制器、以太网连接器、CAN总线连接器、CAN总线接口芯片。电源转换模块的输出端分别与DSP芯片、以太网控制器、以太网连接器、CAN总线接口芯片连接，DSP芯片分别与以太网控制器、CAN总线接口芯片连接，以太网控制器与以太网连接器连接，CAN总线接口芯片与CAN总线连接器连接。多自由度机器人运动规划控制软件集成在DSP芯片中。
以太网连接器或直接与工业计算机相连、或通过路由器与工业计算机相连，CAN总线连接器与CAN-bus相连，电源转换模块的24V、COM输入端与直流电源相连。
所采用的“一种基于DSP的模块化机器人独立关节控制器”包括直流电源接口、电源转换单元、DSP芯片、信息采集反馈单元、直流电机、控制驱动单元、自我保护单元、接近开关、CAN通讯单元。电源转换单元分别与CAN通讯单元、DSP芯片、信息采集反馈单元、控制驱动单元、自我保护单元、接近开关、直流电源接口连接，DSP芯片分别与CAN通讯单元、信息采集反馈单元、控制驱动单元、自我保护单元、接近开关连接，控制驱动单元分别与自我保护单元、直流电机、直流电源接口连接，信息采集反馈单元与直流电机轴连接。模块化机器人独立关节控制器的软件程序集成在DSP芯片中。
CAN通讯单元与CAN-bus相连，直流电源接口的24V、COM输入端与直流电源相连。
所采用的直流电源的输出端24V分别与“一种基于DSP的模块化机器人独立关节控制器”的输入端24V、“一种多自由度机器人运动规划控制器”的输入端24V连接。直流电源的输出端GND分别与“一种基于DSP的模块化机器人独立关节控制器”的输入端COM、“一种多自由度机器人运动规划控制器”的输入端COM连接。
本发明的工作流程为系统启动后，首先对系统各控制器初始化，包括对上位工业计算机、路由器、“一种基于网络的多自由度机器人运动规划控制器”、“一种基于DSP的模块化机器人独立关节控制器”的初始化。然后，判断用户是否发送机器人终端运动指令，当用户没有发送机器人运动指令时，系统处于等待状态；当用户通过以太网或路由器发送机器人运动指令后，“一种基于网络的多自由度机器人运动规划控制器”接收以太网总线信息，进行机器人运动规划，并依次发送机器人各关节运动控制指令至CAN总线，“一种基于DSP的模块化机器人独立关节控制器”通过CAN总线接收运动控制指令，并驱动相应的电机运动，同时发送各关节自由度电机位置信息至CAN总线。“一种基于网络的多自由度机器人运动规划控制器”通过CAN总线接收“一种基于DSP的模块化机器人独立关节控制器”发出的独立关节运动信息，并计算出机器人当前位姿，最后通过以太网或路由器将该位姿信息发送给上位工业计算机。
由于采用上述技术方案，“一种基于网络的多自由度机器人运动规划控制器”通过以太网通讯单元接收并解析工业计算机下传的机器人运动指令，实现机器人各自由度模块的轨迹规划，并通过CAN总线下传规划后的运动控制指令。
“一种基于DSP的模块化机器人独立关节控制器”通过CAN总线接收“一种基于网络的多自由度机器人运动规划控制器”下传的运动控制指令，控制电机以期望的速度、加速度运动到期望的位置，以保证机器人运动到期望的位姿。
“一种基于DSP的模块化机器人独立关节控制器”实质上就是一个独立的智能模块，集供电、通讯、控制驱动和自我保护于一体。面对不同的作业任务，可以很方便地将多个独立关节控制器通过连接件连接在一起，组成一个多自由度机器人。当环境和任务有特殊需求时，将两个或多个“一种基于网络的多自由度机器人运动规划控制器”通过以太网有线或无线方式分别与工业计算机相连，多个“一种基于网络的多自由度机器人运动规划控制器”通过CAN总线分别与多个“一种基于DSP的模块化机器人独立关节控制器”连接，可构建多自由度的双臂、多臂或类人机器人，具有很强的可扩展性。
“一种基于DSP的模块化机器人独立关节控制器”与“一种基于网络的多自由度机器人运动规划控制器”之间仅需要四根电气接口线电源线24V、接地(GND)、CAN控制线(CANH和CANL)，故结构简单，方便自由度关节重构和维护。
系统采用标准工业计算机、标准以太网、CAN总线通讯接口、标准路由器、Windows NT计算机操作系统及Visual C++标准语言编程，增强了系统的开放性、可移植性和可交换性。
可见，该控制系统采用组合式结构，以系统设计为中心，以“分级模块化设计”为原则，每一级控制器任务完整而又单一。不仅结构简单、性能好、开发周期短，成本低，而且响应速度快、可扩展性强、可远程操作、具有运动实时规划能力，能够实现机器人精确控制。因而可广泛应用于工业机器人、机械臂、空间机器人、类人机器人等具有多个自由度模块的机器人控制系统。
图1为本发明的一种控制系统示意图；图2为图1中的一种以太网有线连接方式的示意图；图3为图1中的一种以太网无线连接方式的示意图；图4为图1中的“一种基于网络的多自由度机器人运动规划控制器”2的远程控制方式的示意图；图5为图1中的“一种基于网络的多自由度机器人运动规划控制器”2的本地控制方式的示意图；图6为图1中的“一种基于DSP的模块化机器人独立关节控制器”3在本系统中的连接示意图。
具体实施例方式下面结合附图对本发明做进一步的描述实施例1一种分布式多自由度机器人的有线控制系统。
该系统如图1、图5所示，将工业计算机1通过双绞线以有线连接方式直接与一个“一种多自由度机器人运动规划控制器”2相连，“一种多自由度机器人运动规划控制器”2通过CAN-bus分别与多个“一种基于DSP的模块化机器人独立关节控制器”3相连。直流电源4分别与“一种多自由度机器人运动规划控制器”2和多个“一种基于DSP的模块化机器人独立关节控制器”3相连。
所采用的“一种多自由度机器人运动规划控制器”2的专利技术如图5所示，包括电源转换模块6、DSP芯片7、以太网控制器8、以太网连接器9、CAN总线连接器10、CAN总线接口芯片11；电源转换模块6的输出端分别与DSP芯片7、以太网控制器8、以太网连接器9、CAN总线接口芯片11连接，DSP芯片7分别与以太网控制器8、CAN总线接口芯片11连接，以太网控制器8与以太网连接器9连接，CAN总线接口芯片11与CAN总线连接器10连接。多自由度机器人运动规划控制软件集成在DSP芯片7中。
CAN总线连接器10与CAN-bus相连，电源转换模块6的24V、COM输入端与直流电源4相连。
所采用的“一种基于DSP的模块化机器人独立关节控制器”3的专利技术如图6所示，包括直流电源接口12、电源转换单元13、DSP芯片14、信息采集反馈单元15、直流电机16、控制驱动单元17、自我保护单元18、接近开关19、CAN通讯单元20。电源转换单元13分别与CAN通讯单元20、DSP芯片14、信息采集反馈单元15、控制驱动单元17、自我保护单元18、接近开关19、直流电源接口12连接，DSP芯片14分别与CAN通讯单元20、信息采集反馈单元15、控制驱动单元17、自我保护单元18、接近开关19连接，控制驱动单元17分别与自我保护单元18、直流电机16、直流电源接口12连接，信息采集反馈单元15与直流电机16轴连接。模块化机器人独立关节控制器的软件程序集成在DSP芯片14中。
CAN通讯单元20与CAN-bus相连，直流电源接口12的24V、COM输入端与直流电源4相连。
直流电源4的输出端24V如图5、图6所示，分别与“一种基于DSP的模块化机器人独立关节控制器”3的输入端24V、“一种多自由度机器人运动规划控制器”2的输入端24V连接；直流电源4的输出端GND分别与“一种基于DSP的模块化机器人独立关节控制器”3的输入端COM、“一种多自由度机器人运动规划控制器”2的输入端COM连接。
实施例2一种分布式多自由度机器人的有线控制系统。
该系统如图1、图2、图4所示，将工业计算机1通过路由器5以有线连接方式与多个“一种多自由度机器人运动规划控制器”2相连，多个“一种多自由度机器人运动规划控制器”2通过CAN-bus分别与多个“一种基于DSP的模块化机器人独立关节控制器”3相连。直流电源4分别与多个“一种多自由度机器人运动规划控制器”2和多个“一种基于DSP的模块化机器人独立关节控制器”3相连。
“一种多自由度机器人运动规划控制器”2与“一种基于DSP的模块化机器人独立关节控制器”3之间的连接方式同实施例1。
实施例3一种分布式多自由度机器人的无线控制系统。
该系统如图1、图3、图4所示，将工业计算机1通过无线路由器5以无线连接方式与一个或多个“一种多自由度机器人运动规划控制器”2相连，一个或多个“一种多自由度机器人运动规划控制器”2通过CAN-bus分别与多个“一种基于DSP的模块化机器人独立关节控制器”3相连。直流电源4分别与一个或多个“一种多自由度机器人运动规划控制器”2和多个“一种基于DSP的模块化机器人独立关节控制器”3相连。
“一种多自由度机器人运动规划控制器”2与“一种基于DSP的模块化机器人独立关节控制器”3之间的连接方式同实施例1。
该实施方式采用组合式结构，以系统设计为中心，以“分级模块化设计”为原则，每一级控制器任务完整而又单一。不仅结构简单、性能好、开发周期短，成本低，而且响应速度快、可扩展性强、可远程操作、具有运动实时规划能力，能够实现机器人精确控制。因而可广泛应用于工业机器人、机械臂、空间机器人、类人机器人等具有多个自由度模块的机器人控制系统。
权利要求
1.一种分布式多自由度机器人控制系统，其特征在于将工业计算机1通过以太网以有线或无线连接方式与一个或多个“一种多自由度机器人运动规划控制器”2相连；一个或多个“一种多自由度机器人运动规划控制器”2通过CAN-bus分别与一个或多个“一种基于DSP的模块化机器人独立关节控制器”3相连；直流电源4分别与一个或多个“一种多自由度机器人运动规划控制器”2和一个或多个“一种基于DSP的模块化机器人独立关节控制器”3相连。
2.根据权利要求1所述的分布式多自由度机器人控制系统，其特征在于所述的以太网有线连接方式为工业计算机1或直接与一个“一种多自由度机器人运动规划控制器”2相连、或通过路由器5与多个“一种多自由度机器人运动规划控制器”2相连；以太网无线连接方式为工业计算机1以无线通讯方式通过路由器5与一个或多个“一种多自由度机器人运动规划控制器”2相连。
3.根据权利要求2所述的分布式多自由度机器人控制系统，其特征在于所述的路由器5或为无线路由器或为有线路由器。
4.根据权利要求1所述的分布式多自由度机器人控制系统，其特征在于所述的“一种多自由度机器人运动规划控制器”2包括，电源转换模块6、DSP芯片7、以太网控制器8、以太网连接器9、CAN总线连接器10、CAN总线接口芯片11；电源转换模块6的输出端分别与DSP芯片7、以太网控制器8、以太网连接器9、CAN总线接口芯片11连接，DSP芯片7分别与以太网控制器8、CAN总线接口芯片11连接，以太网控制器8与以太网连接器9连接，CAN总线接口芯片11与CAN总线连接器10连接，多自由度机器人运动规划控制软件集成在DSP芯片7中；以太网连接器9或直接与工业计算机1相连、或通过路由器5与工业计算机1相连；CAN总线连接器10与CAN-bus相连；电源转换模块6的24V、COM输入端与直流电源4相连。
5.根据权利要求1所述的分布式多自由度机器人控制系统，其特征在于所述的“一种基于DSP的模块化机器人独立关节控制器”3包括，直流电源接口12、电源转换单元13、DSP芯片14、信息采集反馈单元15、直流电机16、控制驱动单元17、自我保护单元18、接近开关19、CAN通讯单元20；电源转换单元13分别与CAN通讯单元20、DSP芯片14、信息采集反馈单元15、控制驱动单元17、自我保护单元18、接近开关19、直流电源接口12连接，DSP芯片14分别与CAN通讯单元20、信息采集反馈单元15、控制驱动单元17、自我保护单元18、接近开关19连接，控制驱动单元17分别与自我保护单元18、直流电机16、直流电源接口12连接，信息采集反馈单元15与直流电机16轴连接，模块化机器人独立关节控制器的软件程序集成在DSP芯片14中；CAN通讯单元20与CAN-bus相连，直流电源接口12的24V、COM输入端与直流电源4相连。
6.根据权利要求1所述的分布式多自由度机器人控制系统，其特征在于所述的直流电源4的输出端24V分别与“一种基于DSP的模块化机器人独立关节控制器”3的输入端24V、“一种多自由度机器人运动规划控制器”2的输入端24V连接；直流电源4的输出端GND分别与“一种基于DSP的模块化机器人独立关节控制器”3的输入端COM、“一种多自由度机器人运动规划控制器”2的输入端COM连接。
全文摘要
本发明涉及一种分布式多自由度机器人控制系统。其技术方案是将工业计算机1通过以太网以有线或无线连接方式与一个或多个“一种多自由度机器人运动规划控制器”2相连；一个或多个“一种多自由度机器人运动规划控制器”2通过CAN－bus分别与一个或多个“一种基于DSP的模块化机器人独立关节控制器”3相连；直流电源4分别与一个或多个“一种多自由度机器人运动规划控制器”2和一个或多个“一种基于DSP的模块化机器人独立关节控制器”3相连。本发明结构简单、性能好、开发周期短、成本低，且响应速度快、可扩展性强、可远程操作、具有运动实时规划能力、能够实现机器人精确控制。
文档编号B25J13/00GK101045297SQ20071005184
公开日2007年10月3日 申请日期2007年4月12日 优先权日2007年4月12日
发明者吴怀宇, 赵伟, 胡琳萍, 程磊, 余亚强, 方恒, 刘亮, 张巍 申请人:武汉科技大学