专利名称：一种用于可拓展模块化的移动机械臂控制系统的制作方法
技术领域：
本发明属于移动机械臂控制技术领域。具体涉及一种用于可拓展模块化的移动机械臂控制系统。
背景技术：
近年来，移动机械臂在国防、工业、农业及医疗行业展现了较高的应用价值。模块化机械臂由各种功能模块组成，各模块完整而单一，使得系统有柔性、可拓展、易于修改、重构和添加配置功能，同时根据任务的需要或外界环境的变化，通过随机自主调整各关节模块，以达到相同的目标位姿。将模块化的思想应用到机械臂上，当某一模块发生故障时，其他模块的参数耦合可以代替失效模块所负担的任务，大大增强了系统的自我修复能力。集成式6自由度微动并联机器人系统(王振华，陈立国，孙立宁.集成式6自由度微动并联机器人系统.光学精密工程.2007年第15卷第9期)具有定位精度和可靠性高、使用灵活方便的特点，但是其采用机构、驱动、检测一体化的思想，集成度高、结构封闭，无法根据需要更改系统配置，同时当系统任一单元出现故障时，便无法完成工作任务，使得移动机械臂系统鲁棒性不够高。随着机器人应用领域的扩展，如危险环境下机器人作业等，本地控制已无法满足控制要求，远程操作能力是机器人系统必须具备的要求，模块化可重构履带式微小型机器人的研究(李满天，黄博，刘国才，立宁.模块化可重构履带式微小型机器人的研究.机器人.2006年第观卷第5期)用了微控制器和PC机两级控制体系，这种分层设计系统虽结构合理，但两级间采用蓝牙通讯，其工作频段为全球统一开放的2. 4GHz工业、科学和医学频段，会受到诸如微波炉、无绳电话、科研仪器、工业或医疗设备的干扰，抗干扰能力差。同时，也限制了对机器人的远程控制，其控制灵活性有待进一步提高。在机械臂关节模块运动规划中，存在着大量的数学计算如坐标变换、正逆运动学方程求解和高次插补运算等。同时，运动规划控制器与伺服驱动器之间需要进行大量的数据交换，对于运动规划控制的实时性要求需要采用高速的处理器才能满足。“基于分布式控制的即插即用机械臂系统” (CN1586829)专利技术采用了分布式的控制技术，该技术虽提高了控制精度，但采用8位单片机完成运动规划控制，运算和数据处理能力有限，运动规划控制器的实时性受到影响；嵌入式系统在机器人控制系统中应用(周杰，陈伟海，于守谦.基于ARM的嵌入式系统在机器人控制系统中应用.微计算机信息，2007年第23卷第2期)技术，虽具有层次化的体系结构，但用于完成控制算法的控制器为ARM，主频为67. 5MHZ，运算速度低，不能较好的满足实时性的要求。移动机械臂系统涉及到机械臂和移动平台两个子系统。分散独立控制机械臂和移动平台时，精度必然受到影响；集中控制机械臂和移动平台时，机械臂子系统和移动平台子系统之间存在较强的动力学耦合，这对于系统的性能有着较大的影响。所以，如何协调移动平台动态避障和移动机械臂末端的实时操作是一个至关重要的问题。“一种智能移动机械臂控制系统”(CN101817182)专利技术采用了分布式的控制技术，该技术虽然对自主移动小车和模块化机械臂能够进行远程控制，但在自主移动小车和模块化机械臂的协调控制方面不强，没有充分发挥移动机械臂可同时实现移动和操作的优点。综上所述，现有技术中的移动机械臂控制系统存在以下问题鲁棒性不强；远程操作时抗干扰性不强；操作时不能满足任务的实时性需求；不易拓展和修改；移动平台和机械臂的协调控制能力较差。
发明内容
本发明旨在克服现有技术缺陷，目的是提供一种易于修改、鲁棒性好、协调控制能力强、实时运动规划和远程操作时抗干扰性强的用于可拓展模块化的移动机械臂控制系统。为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是工业计算机通过以太网以有线或无线方式与ι 3个运动规划控制器分别连接；每个运动规划控制器各自通过CAN-bus分别与1 6个机械臂区域控制器和1 6个移动平台区域控制器连接；每个机械臂区域控制器各自通过CAN-bus分别与1 6个关节驱动模块连接；每个关节驱动模块分别与各自对应的第一信息采集反馈器连接；每1 6个第一信息采集反馈器分别与各自对应的关节驱动模块连接的机械臂区域控制器连接；每个移动平台区域控制器各自通过CAN-bus分别与2 4个轮子驱动模块连接；每个轮子驱动模块分别与各自对应的第二信息采集反馈器连接；每2 4个第二信息采集反馈器分别与各自对应的轮子驱动模块连接的移动平台区域控制器连接。电源模块与每个运动规划控制器、每个机械臂区域控制器、每个移动平台区域控制器、每个关节驱动模块、每个轮子驱动模块、每个第一信息采集反馈器和每个第二信息采集反馈器分别连接。运动规划控制软件嵌入在运动规划控制器中。所述的电源模块包括直流电源、第一电压转换芯片、第二电压转换芯片和第三电压转换芯片。直流电源与第一电压转换芯片的INPUT端口连接，第一电压转换芯片的 OUTPUT端口与第二电压转换芯片的INPUT端口连接，第二电压转换芯片的OUTPUT端口与第三电压转换芯片的INPUT端口连接。第一电压转换芯片的输出端口 OUTPUT与每个轮子驱动模块和每个关节驱动模块分别连接，第二电压转换芯片的输出端口 OUTPUT与每个第一信息采集反馈器和每个第二信息采集反馈器分别连接，第三电压转换芯片的输出端口 OUTPUT与每个运动规划控制器、每个机械臂区域控制器和每个移动平台区域控制器分别连接。第一电压转换芯片的输出端口 OUTPUT的输出电压为+12V，第二电压转换芯片的输出端口 OUTPUT的输出电压为+5V，第三电压转换芯片的输出端口 OUTPUT的输出电压为+3. 3V。所述的运动规划控制器包括第一 DSP芯片、以太网控制器、以太网连接器和第一 CAN通讯模块。第一 DSP 芯片的 XCLK0UT、GPI0B7、XINT1、XINT2、SPISIM0、SPIS0MI 和 SPICLK 引脚分别与以太网控制器的0SC1、已、Jm, ■、Si、SO和SCK引脚对应连接，第一 DSP 芯片的CANTX和CANRX引脚分别与第一 CAN通讯模块的T)(D和RXD引脚对应连接，运动规划控制软件嵌入在第一 DSP芯片中；以太网控制器的TP0UT+、TP0UT_、TPIN+和TPIN_引脚分别与以太网连接器的TP_0UT+、TP_0UT_、TP_IN+和TP_IN_引脚对应连接。第一 DSP芯片的VDDIO引脚、以太网控制器的VDD引脚和以太网连接器的TX_CT引脚分别与电源模块连接；第一 CAN通讯模块通过CAN-bus与每个机械臂区域控制器和每个移动平台区域控制器连接，以太网连接器的Jl J8输出端通过双绞线与工业计算机连接。所述的机械臂区域控制器包括第二 DSP芯片和第二 CAN通讯模块。第二 DSP芯片的CANTX和CANRX引脚分别与第二 CAN通讯模块的T)(D和RXD引脚对应连接；第二 DSP 芯片的I0PA2和I0PA3引脚分别与每个第一信息采集反馈器连接；第二 CAN通讯模块通过 CAN-bus与运动规划控制器和每个关节驱动模块连接；第二 DSP芯片的VDDIO引脚与电源模块连接。所述的移动平台区域控制器包括第三DSP芯片和第三CAN通讯模块。第三DSP芯片的CANTX和CANRX引脚分别与第三CAN通讯模块的T)(D和RXD引脚对应连接 ’第三DSP 芯片的I0PA2和I0PA3引脚分别与每个第二信息采集反馈器连接，第三CAN通讯模块通过 CAN-bus与运动规划控制器和每个轮子驱动模块连接；第三DSP芯片的VDDIO引脚与电源模块连接。所述的关节驱动模块包括第四DSP芯片、第一光电耦合模块、第一电机驱动模块和第一自我保护单元。第四DSP芯片的PWMl和PWM2引脚分别与第一光电藕合模块的ANODEl和AN0DE2引脚对应连接，第四DSP芯片的I0PE3引脚与第一自我保护单元的 ENABLE_BRAKE引脚连接，第一光电藕合模块的OVl和0V2引脚分别与第一电机驱动模块的 BHI和BLI引脚对应连接，第一自我保护单元的BRAKEl和BRAKE2引脚分别与第一电机驱动模块的OUTl和0UT2引脚对应连接。第四DSP芯片通过CAN-bus与机械臂区域控制器连接，第四DSP芯片的APP1_SENS0R和APP2_SENS0R引脚分别与各自对应的第一信息采集反馈器连接，第四DSP芯片的VDDIO引脚、第一光电耦合模块的VCC引脚和第一电机驱动模块的VCC引脚分别与电源模块连接。所述的轮子驱动模块包括第五DSP芯片、第二光电耦合模块、第二电机驱动模块和第二自我保护单元。第五DSP芯片的PWMl和PWM2引脚分别与第二光电藕合模块的ANODEl和AN0DE2引脚对应连接，第五DSP芯片的I0PE3引脚与第二自我保护单元的 ENABLE_BRAKE引脚连接，第二光电藕合模块的OVl和0V2引脚分别与第二电机驱动模块的 BHI和BLI引脚对应连接，第二自我保护单元的BRAKEl和BRAKE2引脚分别与第二电机驱动模块的OUTl和0UT2引脚对应连接。第五DSP芯片通过CAN-bus与移动平台区域控制器连接；第五DSP芯片的APP1_SENS0R和APP2_SENS0R引脚分别与各自对应的第二信息采集反馈器连接，第五DSP芯片的VDDIO引脚、第二光电耦合模块的VCC引脚和第二电机驱动模块的VCC引脚分别与电源模块连接。所述的第一信息采集反馈器包括第一滞回比较器和第一光电编码器。第一滞回比较器的IA和2A引脚分别与第一光电编码器的XA和XB引脚对应连接；第一滞回比较器的 IY和2Y引脚分别与机械臂区域控制器连接，第一光电编码器的XFSIPUTA和XFSIPUTB引脚分别与各自对应的关节驱动模块连接，第一滞回比较器的VCC引脚和第一光电编码器的 VCC引脚分别与电源模块连接。所述的第二信息采集反馈器包括第二滞回比较器和第二光电编码器。第二滞回比较器的IA和2A引脚分别与第二光电编码器的XA和XB引脚对应连接；第二滞回比较器的 IY和2Y引脚分别与移动平台区域控制器连接，第二光电编码器的XFSIPUTA和XFSIPUTB弓丨脚分别与各自对应的轮子驱动模块连接，第二滞回比较器的VCC引脚和第二光电编码器的 VCC引脚分别与电源模块连接。
所述的运动规划控制软件的主流程为S-I 初始化，进入循环；S-2 判断运动规划控制器是否接收到工业计算机的指令，不是则关节驱动模块驱动的关节和轮子驱动模块驱动的轮子停止运动，是则进行S-3 ；S-3:运动规划控制器发送指令至每个机械臂区域控制器和移动平台区域控制器；S-4:判断机械臂区域控制器和移动平台区域控制器是否接收到运动规划控制器的指令，不是则重新判断是则进行S-5 ；S-5 判断关节驱动模块和轮子驱动模块是否进行零位置检测，是则进行零位置检测，再返回S-4，不是则进行S-6;S-6 关节驱动模块和轮子驱动模块分别接收各自对应的机械臂区域控制器和移动平台区域控制器相应的指令；S-7 读取关节驱动模块和轮子驱动模块接收到的信息；通过运动控制算法，关节驱动模块控制关节动作，轮子驱动模块控制轮子运动；S-8:判断关节驱动模块所驱动的关节和轮子驱动模块所驱动的轮子是否正常工作，正常工作则分别发送信息至第一信息采集反馈器和第二信息采集反馈器，非正常工作则分别启动第一自我保护单元和第二自我保护单元，再分别发送信息至第一信息采集反馈器和第二信息采集反馈器；S-9:判断第一信息采集反馈器和第二信息采集反馈器是否接收到关节和轮子的状态信息，是则进行S-10，不是则返回S-7 ；S-IO 发送关节驱动模块所驱动的关节和轮子驱动模块所驱动的轮子的状态信息至相应的机械臂区域控制器和移动平台区域控制器，再返回S-2。由于采用上述技术方案，本发明由各种模块单元按一定的拓扑结构拼接而成，降低了整个系统的复杂性；同时，模块化的设计使系统在硬件发生改变的情况下，仅需改动与它相连的总线配置，大大减少了系统硬件改动所需的时间，能非常方便地增加或减少机器人的自由度，增强了系统的可拓展性。当系统出现故障时，只需查出哪个模块出现故障，便可将该模块进行相应的处理或替换，使系统的维护和修改变得非常方便。同时，当某一关节出现故障时，移动机械臂可通过自身调整使得另外的关节协调控制完成工作任务，提高了移动机械臂控制系统的鲁棒性。本发明采用CAN-bus通讯方式解决了传统控制器点对点数据传输方式中传输效率低和接口电路复杂的问题，有利于移动机械臂模块的组成，并具有可拓展性，提高了移动机械臂控制系统的抗干扰性，尤其是提高了远程操作时的抗干扰性。本发明采用分级式结构，在工业计算机与机械臂区域控制器和移动平台区域控制器之间加入运动规划控制器，通过运动规划控制器对机械臂区域控制器和移动平台区域控制器协调控制，有效地解决了机械臂子系统和移动平台子系统之间的耦合问题，充分发挥了移动机械臂移动和操作功能的优点。本发明采用DSP芯片作为核心处理器，不仅具有数字信号处理器的优点，同时又具有微控制器的特点，无论在运算速度和数据的处理能力上都可满足运动控制的高实时性要求，为完成复杂的实时运动控制算法提供了可靠的平台，也使得移动机械臂的实时运动规划能力得到加强。本发明采用以太网方式与上位机进行通讯，不仅具有传输速率高、信息量大、兼容性强和编址灵活方便等显著优点，且可通过以太网将系统接入局域网或者英特网，从而实现系统的远程控制，提高了系统控制的灵活性和使用价值。因此，本发明具有易于修改、可拓展、重构和添加配置、鲁棒性好、协调控制能力强、实时运动规划和远程操作时抗干扰能力强的特点。可广泛用于工业机器人、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是本发明的一种结构示意图；图2是图1中的电源模块3的电路连接示意图；图3是图1中的运动规划控制器2的电路连接示意图；图4是图1中的机械臂区域控制器4的电路连接示意图；图5是图1中的移动平台区域控制器9的电路连接示意图；图6是图1中的关节驱动模块5的电路连接示意图；图7是图1中的轮子驱动模块8的电路连接示意图；图8是图1中的第一信息采集反馈器6的电路连接示意图；图9是图1中的第二信息采集反馈器7的电路连接示意图；图10是运动规划控制软件的主流程示意图。
具体实施例方式下面结合附图和具体实施方式
对本发明作进一步的描述，并非对其保护范围的限制实施例1一种用于可拓展模块化的移动机械臂控制系统。其结构示意图如图1所示工业计算机1通过以太网以有线方式与1个运动规划控制器2连接；运动规划控制器2通过 CAN-bus分别与2个机械臂区域控制器4和2个移动平台区域控制器9连接；每个机械臂区域控制器4各自通过CAN-bus分别与2个关节驱动模块5连接；每个关节驱动模块5分别与各自对应的第一信息采集反馈器6连接；每2个第一信息采集反馈器6分别与各自对应的关节驱动模块5连接的机械臂区域控制器4连接。每个移动平台区域控制器9各自通过CAN-bus分别与2个轮子驱动模块8连接；每个轮子驱动模块8分别与各自对应的第二信息采集反馈器7连接；每2个第二信息采集反馈器7分别与各自对应的轮子驱动模块8 连接的移动平台区域控制器9连接。电源模块3与运动规划控制器2、每个机械臂区域控制器4、每个移动平台区域控制器9、每个关节驱动模块5、每个轮子驱动模块8、每个第一信息采集反馈器6和每个第二信息采集反馈器7分别连接。运动规划控制软件嵌入在运动规划控制器2中。所述的电源模块3包括直流电源13、第一电压转换芯片12、第二电压转换芯片11 和第三电压转换芯片10。直流电源13与第一电压转换芯片12的INPUT端口连接，第一电压转换芯片12的OUTPUT端口与第二电压转换芯片11的INPUT端口连接，第二电压转换芯片11的OUTPUT端口与第三电压转换芯片10的INPUT端口连接。第一电压转换芯片12的输出端口 OUTPUT与每个轮子驱动模块8和每个关节驱动模块5分别连接，第二电压转换芯片 11的输出端口 OUTPUT与每个第一信息采集反馈器6和每个第二信息采集反馈器7分别连接，第三电压转换芯片10的输出端口 OUTPUT与每个运动规划控制器2、每个机械臂区域控制器4和每个移动平台区域控制器9分别连接。第一电压转换芯片12的输出端口 OUTPUT 的输出电压为+12V，第二电压转换芯片11的输出端口 OUTPUT的输出电压为+5V，第三电压转换芯片10的输出端口 OUTPUT的输出电压为+3. 3V。所述的运动规划控制器2包括第一 DSP芯片14、以太网控制器15、以太网连接器 16 和第一 CAN 通讯模块 17。第一 DSP 芯片 14 的 XCLK0UT、GPI0B7、XINT1、XINT2、SPISIM0、 SPIS0MI和SPICLK引脚分别与以太网控制器15的0SC1、已、Jnt, ^Z、SI、SO和SCK弓Ι 脚对应连接，第一 DSP芯片14的CANTX和CANRX引脚分别与第一 CAN通讯模块17的T)(D 和RXD引脚对应连接，运动规划控制软件嵌入在第一 DSP芯片14中；以太网控制器15的 TP0UT+、TP0UT_、TPIN+ 和 TPIN_ 引脚分别与以太网连接器 16 的 TP_0UT+、TP_0UT_、TP_IN+ 和 TP_IN_引脚对应连接。第一 DSP芯片14的VDDIO引脚、以太网控制器15的VDD引脚和以太网连接器16的TX_CT引脚分别与电源模块3连接；第一 CAN通讯模块17通过CAN_bus 与每个机械臂区域控制器4和每个移动平台区域控制器9连接，以太网连接器16的Jl J8输出端通过双绞线与工业计算机1连接。所述的机械臂区域控制器4包括第二 DSP芯片18和第二 CAN通讯模块19。第二 DSP芯片18的CANTX和CANRX引脚分别与第二 CAN通讯模块19的T)(D和R)(D引脚对应连接；第二 DSP芯片18的I0PA2和I0PA3引脚分别与每个第一信息采集反馈器6连接；第二 CAN通讯模块19通过CAN-bus与运动规划控制器2和每个关节驱动模块5连接；第二 DSP 芯片18的VDDIO引脚与电源模块3连接。所述的移动平台区域控制器9包括第三DSP芯片20和第三CAN通讯模块21。第三DSP芯片20的CANTX和CANRX引脚分别与第三CAN通讯模块21的T)(D和RXD引脚对应连接；第三DSP芯片20的I0PA2和I0PA3引脚分别与每个第二信息采集反馈器7连接，第三CAN通讯模块21通过CAN-bus与运动规划控制器2和每个轮子驱动模块8连接；第三 DSP芯片20的VDDIO引脚与电源模块3连接。所述的关节驱动模块5包括第四DSP芯片22、第一光电耦合模块23、第一电机驱动模块M和第一自我保护单元25。第四DSP芯片22的PWMl和PWM2引脚分别与第一光电藕合模块23的AN0DE1和AN0DE2引脚对应连接，第四DSP芯片22的I0PE3引脚与第一自我保护单元25的ENABLE BRAKE引脚连接，第一光电藕合模块23的OVl和0V2引脚分别与第一电机驱动模块M的BHI和BLI引脚对应连接，第一自我保护单元25的BRAKEl和BRAKE2 引脚分别与第一电机驱动模块M的OUTl和0UT2引脚对应连接。第四DSP芯片22通过 CAN-bus与机械臂区域控制器4连接，第四DSP芯片22的APP1_SENS0R和APP2_SENS0R引脚分别与各自对应的第一信息采集反馈器6连接，第四DSP芯片22的VDDIO引脚、第一光电耦合模块23的VCC引脚和第一电机驱动模块M的VCC引脚分别与电源模块3连接。所述的轮子驱动模块8包括第五DSP芯片沈、第二光电耦合模块27、第二电机驱动模块28和第二自我保护单元四。第五DSP芯片沈的PWMl和PWM2引脚分别与第二光电藕合模块27的AN0DE1和AN0DE2引脚对应连接，第五DSP芯片沈的I0PE3引脚与第二自我保护单元四的ENABLE_BRAKE引脚连接，第二光电藕合模块27的OVl和0V2引脚分别与第二电机驱动模块28的BHI和BLI引脚对应连接，第二自我保护单元四的BRAKEl和BRAKE2 引脚分别与第二电机驱动模块28的OUTl和0UT2引脚对应连接。第五DSP芯片沈通过 CAN-bus与移动平台区域控制器9连接；第五DSP芯片洸的APP1_SENS0R和APP2_SENS0R 引脚分别与各自对应的第二信息采集反馈器7连接，第五DSP芯片沈的VDDIO引脚、第二光电耦合模块27的VCC引脚和第二电机驱动模块观的VCC引脚分别与电源模块3连接。所述的第一信息采集反馈器6包括第一滞回比较器30和第一光电编码器31。第一滞回比较器30的IA和2A引脚分别与第一光电编码器31的XA和XB引脚对应连接；第一滞回比较器30的IY和2Y引脚分别与机械臂区域控制器4连接，第一光电编码器31的 XFSIPUTA和XFSIPUTB引脚分别与各自对应的关节驱动模块5连接，第一滞回比较器30的 VCC引脚和第一光电编码器31的VCC引脚分别与电源模块3连接。所述的第二信息采集反馈器7包括第二滞回比较器32和第二光电编码器33。第二滞回比较器32的IA和2A引脚分别与第二光电编码器33的XA和XB引脚对应连接；第二滞回比较器32的IY和2Y引脚分别与移动平台区域控制器9连接，第二光电编码器33 的XFSIPUTA和XFSIPUTB引脚分别与各自对应的轮子驱动模块8连接，第二滞回比较器32 的VCC引脚和第二光电编码器33的VCC引脚分别与电源模块3连接。所述的运动规划控制软件的主流程为S-I 初始化，进入循环；S-2 判断运动规划控制器2是否接收到工业计算机1的指令，不是则关节驱动模块5驱动的关节和轮子驱动模块8驱动的轮子停止运动，是则进行S-3 ；S-3:运动规划控制器2发送指令至每个机械臂区域控制器4和移动平台区域控制器9 ；S-4:判断机械臂区域控制器4和移动平台区域控制器9是否接收到运动规划控制器2的指令，不是则重新判断是则进行S-5 ；S-5 判断关节驱动模块5和轮子驱动模块8是否进行零位置检测，是则进行零位置检测，再返回S-4，不是则进行S-6 ；S-6 关节驱动模块5和轮子驱动模块8分别接收各自对应的机械臂区域控制器4 和移动平台区域控制器9相应的指令；S-7 读取关节驱动模块5和轮子驱动模块8接收到的信息；通过运动控制算法， 关节驱动模块5控制关节动作，轮子驱动模块8控制轮子运动；S-8 判断关节驱动模块5所驱动的关节和轮子驱动模块8所驱动的轮子是否正常工作，正常工作则分别发送信息至第一信息采集反馈器6和第二信息采集反馈器7，非正常工作则分别启动第一自我保护单元25和第二自我保护单元四，再分别发送信息至第一信息采集反馈器6和第二信息采集反馈器7 ；S-9 判断第一信息采集反馈器6和第二信息采集反馈器7是否接收到关节和轮子的状态信息，是则进行S-10，不是则返回S-7 ；S-IO 发送关节驱动模块5所驱动的关节和轮子驱动模块8所驱动的轮子的状态信息至相应的机械臂区域控制器4和移动平台区域控制器9，再返回S-2。实施例2
一种用于可拓展模块化的移动机械臂控制系统。工业计算机1通过以太网以无线方式与2个运动规划控制器2分别连接；每个运动规划控制器2各自通过CAN-bus分别与 3 6个机械臂区域控制器4和3 6个移动平台区域控制器9连接；每个机械臂区域控制器4各自通过CAN-bus分别与1个关节驱动模块5连接；每个关节驱动模块5分别与各自对应的第一信息采集反馈器6连接；每3 6个第一信息采集反馈器6分别与各自对应的关节驱动模块5连接的机械臂区域控制器4连接。每个移动平台区域控制器9各自通过 CAN-bus分别与1个轮子驱动模块8连接；每个轮子驱动模块8分别与各自对应的第二信息采集反馈器7连接；每3 4个第二信息采集反馈器7分别与各自对应的轮子驱动模块 8连接的移动平台区域控制器9连接。电源模块3与每个运动规划控制器2、每个机械臂区域控制器4、每个移动平台区域控制器9、每个关节驱动模块5、每个轮子驱动模块8、每个第一信息采集反馈器6和每个第二信息采集反馈器7分别连接。其余同实施例1。实施例3一种用于可拓展模块化的移动机械臂控制系统。工业计算机1通过以太网以无线方式与3个运动规划控制器2分别连接；每个运动规划控制器2各自通过CAN-bus分别与1 个机械臂区域控制器4和1个移动平台区域控制器9连接；每个机械臂区域控制器4各自通过CAN-bus分别与1个关节驱动模块5连接；每个关节驱动模块5分别与各自对应的第一信息采集反馈器6连接；每个第一信息采集反馈器6分别与各自对应的关节驱动模块5 连接的机械臂区域控制器4连接。每个移动平台区域控制器9各自通过CAN-bus分别与1 个轮子驱动模块8连接；每个轮子驱动模块8分别与各自对应的第二信息采集反馈器7连接；每个第二信息采集反馈器7分别与各自对应的轮子驱动模块8连接的移动平台区域控制器9连接。电源模块3与每个运动规划控制器2、每个机械臂区域控制器4、每个移动平台区域控制器9、每个关节驱动模块5、每个轮子驱动模块8、每个第一信息采集反馈器6和每个第二信息采集反馈器7分别连接。其余同实施例1。本具体实施方式
由各种模块单元按一定的拓扑结构拼接而成，降低了整个系统的复杂性；同时，模块化的设计使系统在硬件发生改变的情况下，仅需改动与它相连的总线配置，大大减少了系统硬件改动所需的时间，能非常方便地增加或减少机器人的自由度，增强了系统的可拓展性。当系统出现故障时，只需查出哪个模块出现故障，便可将该模块进行相应的处理或替换，使系统的维护和修改变得非常方便。同时，当某一关节出现故障时，移动机械臂可通过自身调整使得另外的关节协调控制完成工作任务，提高了移动机械臂控制系统的鲁棒性。本具体实施方式
采用CAN-bus通讯方式解决了传统控制器点对点数据传输方式中传输效率低和接口电路复杂的问题，有利于移动机械臂模块的组成，并具有可拓展性，提高了移动机械臂控制系统的抗干扰性，尤其是提高了远程操作时的抗干扰性。本具体实施方式
采用分级式结构，在工业计算机1与机械臂区域控制器4和移动平台区域控制器9之间加入运动规划控制器2，通过运动规划控制器2对机械臂区域控制器4和移动平台区域控制器9协调控制，有效地解决了机械臂子系统和移动平台子系统之间的耦合问题，充分发挥了移动机械臂移动和操作功能的优点。
本具体实施方式
采用DSP芯片作为核心处理器，不仅具有数字信号处理器的优点，同时又具有微控制器的特点，无论在运算速度和数据的处理能力上都可满足运动控制的高实时性要求，为完成复杂的实时运动控制算法提供了可靠的平台，也使得移动机械臂的实时运动规划能力得到加强。本具体实施方式
采用以太网方式与上位机进行通讯，不仅具有传输速率高、信息量大、兼容性强和编址灵活方便等显著优点，且可通过以太网将系统接入局域网或者英特网，从而实现系统的远程控制，提高了系统控制的灵活性和使用价值。因此，本具体实施方式
具有易于修改、可拓展、重构和添加配置、鲁棒性好、协调控制能力强、实时运动规划和远程操作时抗干扰能力强的特点。可广泛用于工业机器人、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
1.一种用于可拓展模块化的移动机械臂控制系统，其特征在于工业计算机(1)通过以太网以有线或无线方式与1 3个运动规划控制器(2)分别连接；每个运动规划控制器 (2)各自通过CAN-bus分别与1 6个机械臂区域控制器(4)和1 6个移动平台区域控制器(9)连接；每个机械臂区域控制器(4)各自通过CAN-bus分别与1 6个关节驱动模块( 连接；每个关节驱动模块( 分别与各自对应的第一信息采集反馈器(6)连接；每 1 6个第一信息采集反馈器(6)分别与各自对应的关节驱动模块(5)连接的机械臂区域控制器(4)连接；每个移动平台区域控制器(9)各自通过CAN-bus分别与2 4个轮子驱动模块(8)连接；每个轮子驱动模块(8)分别与各自对应的第二信息采集反馈器(7)连接； 每2 4个第二信息采集反馈器(7)分别与各自对应的轮子驱动模块(8)连接的移动平台区域控制器(9)连接；电源模块C3)与每个运动规划控制器O)、每个机械臂区域控制器 G)、每个移动平台区域控制器(9)、每个关节驱动模块(5)、每个轮子驱动模块(8)、每个第一信息采集反馈器(6)和每个第二信息采集反馈器(7)分别连接；运动规划控制软件嵌入在运动规划控制器O)中。
2.根据权利要求1所述的用于可拓展模块化的移动机械臂控制系统，其特征在于所述的电源模块⑶包括直流电源(13)、第一电压转换芯片(12)、第二电压转换芯片(11)和第三电压转换芯片(10)；直流电源(13)与第一电压转换芯片(12)的INPUT端口连接，第一电压转换芯片(12)的OUTPUT端口与第二电压转换芯片(11)的INPUT端口连接，第二电压转换芯片(11)的OUTPUT端口与第三电压转换芯片(10)的INPUT端口连接；第一电压转换芯片(1 的输出端口 OUTPUT与每个轮子驱动模块(8)和每个关节驱动模块(5)分别连接，第二电压转换芯片(11)的输出端口 OUTPUT与每个第一信息采集反馈器(6)和每个第二信息采集反馈器(7)分别连接，第三电压转换芯片(10)的输出端口 OUTPUT与每个运动规划控制器O)、每个机械臂区域控制器(4)和每个移动平台区域控制器(9)分别连接；第一电压转换芯片(12)的输出端口 OUTPUT的输出电压为+12V，第二电压转换芯片 (11)的输出端口 OUTPUT的输出电压为+5V，第三电压转换芯片(10)的输出端口 OUTPUT的输出电压为+3. 3V。
3.根据权利要求1所述的用于可拓展模块化的移动机械臂控制系统，其特征在于所述的运动规划控制器⑵包括第一 DSP芯片(14)、以太网控制器(15)、以太网连接器(16)和第一 CAN 通讯模块(17)；第一 DSP 芯片(14)的 XCLK0UT、GPI0B7、XINT1、XINT2、SPISIM0、 SPIS0MI和SPICLK引脚分别与以太网控制器(15)的0SC1、已、jnt , ^Z、SI、S0和SCK 引脚对应连接，第一 DSP芯片(14)的CANTX和CANRX引脚分别与第一 CAN通讯模块(17)的 T)(D和R)(D引脚对应连接，运动规划控制软件嵌入在第一 DSP芯片(14)中；以太网控制器 (15)的 TP0UT+、TP0UT_、TPIN+和 TPIN_ 引脚分别与以太网连接器(16)的 TP_0UT+、TP_0UT_、 TP_IN+和TP_IN_引脚对应连接；第一 DSP芯片(14)的VDDIO引脚、以太网控制器(15)的VDD引脚和以太网连接器(16) 的TX_CT引脚分别与电源模块C3)连接；第一 CAN通讯模块(17)通过CAN-bus与每个机械臂区域控制器(4)和每个移动平台区域控制器(9)连接，以太网连接器(16)的Jl J8输出端通过双绞线与工业计算机(1)连接。
4.根据权利要求1所述的用于可拓展模块化的移动机械臂控制系统，其特征在于所述的机械臂区域控制器(4)包括第二 DSP芯片(18)和第二 CAN通讯模块(19)；第二 DSP芯片 (18)的CANTX和CANRX引脚分别与第二 CAN通讯模块(19)的T)(D和RXD引脚对应连接；第二 DSP芯片(18)的I0PA2和I0PA3引脚分别与每个第一信息采集反馈器(6)连接； 第二 CAN通讯模块(19)通过CAN-bus与运动规划控制器⑵和每个关节驱动模块(5)连接；第二 DSP芯片(18)的VDDIO引脚与电源模块(3)连接。
5.根据权利要求1所述的用于可拓展模块化的移动机械臂控制系统，其特征在于所述的移动平台区域控制器(9)包括第三DSP芯片00)和第三CAN通讯模块；第三DSP 芯片QO)的CANTX和CANRX引脚分别与第三CAN通讯模块Ql)的T)(D和R)(D引脚对应连接；第三DSP芯片OO)的I0PA2和I0PA3引脚分别与每个第二信息采集反馈器(7)连接， 第三CAN通讯模块通过CAN-bus与运动规划控制器( 和每个轮子驱动模块(8)连接；第三DSP芯片OO)的VDDIO引脚与电源模块(3)连接。
6.根据权利要求1所述的用于可拓展模块化的移动机械臂控制系统，其特征在于所述的关节驱动模块( 包括第四DSP芯片(22)、第一光电耦合模块(23)、第一电机驱动模块 (24)和第一自我保护单元05)；第四DSP芯片02)的PWMl和PWM2引脚分别与第一光电藕合模块(23)的ANODEl和AN0DE2引脚对应连接，第四DSP芯片(22)的I0PE3引脚与第一自我保护单元05)的ENABLE_BRAKE引脚连接，第一光电藕合模块Q3)的OVl和0V2引脚分别与第一电机驱动模块04)的BHI和BLI引脚对应连接，第一自我保护单元05)的 BRAKEl和BRAKE2引脚分别与第一电机驱动模块04)的OUTl和0UT2引脚对应连接；第四DSP芯片(22)通过CAN-bus与机械臂区域控制器(4)连接，第四DSP芯片Q2) 的APP1_SENS0R和APP2_SENS0R引脚分别与各自对应的第一信息采集反馈器(6)连接，第四DSP芯片02)的VDDIO引脚、第一光电耦合模块03)的VCC引脚和第一电机驱动模块 (24)的VCC引脚分别与电源模块(3)连接。
7.根据权利要求1所述的用于可拓展模块化的移动机械臂控制系统，其特征在于所述的轮子驱动模块(8)包括第五DSP芯片( )、第二光电耦合模块(27)、第二电机驱动模块 (28)和第二自我保护单元09)；第五DSP芯片06)的PWMl和PWM2引脚分别与第二光电藕合模块(27)的ANODEl和AN0DE2引脚对应连接，第五DSP芯片(26)的I0PE3引脚与第二自我保护单元09)的ENABLE_BRAKE引脚连接，第二光电藕合模块Q7)的OVl和0V2引脚分别与第二电机驱动模块08)的BHI和BLI引脚对应连接，第二自我保护单元09)的 BRAKEl和BRAKE2引脚分别与第二电机驱动模块08)的OUTl和0UT2引脚对应连接；第五DSP芯片06)通过CAN-bus与移动平台区域控制器(9)连接；第五DSP芯片Q6) 的APP1_SENS0R和APP2_SENS0R引脚分别与各自对应的第二信息采集反馈器(7)连接，第五DSP芯片06)的VDDIO引脚、第二光电耦合模块(XT)的VCC引脚和第二电机驱动模块 (28)的VCC引脚分别与电源模块(3)连接。
8.根据权利要求1所述的用于可拓展模块化的移动机械臂控制系统，其特征在于所述的第一信息采集反馈器(6)包括第一滞回比较器(30)和第一光电编码器(31)；第一滞回比较器(30)的IA和2A引脚分别与第一光电编码器(31)的XA和XB引脚对应连接；第一滞回比较器(30)的IY和2Y引脚分别与机械臂区域控制器(4)连接，第一光电编码器(31)的XFSIPUTA和XFSIPUTB引脚分别与各自对应的关节驱动模块(5)连接，第一滞回比较器(30)的VCC引脚和第一光电编码器(31)的VCC引脚分别与电源模块(3)连接。
9.根据权利要求1所述的用于可拓展模块化的移动机械臂控制系统，其特征在于所述的第二信息采集反馈器(7)包括第二滞回比较器(3 和第二光电编码器(3 ；第二滞回比较器(32)的IA和2A引脚分别与第二光电编码器(33)的XA和XB引脚对应连接；第二滞回比较器(3 的IY和2Y引脚分别与移动平台区域控制器(9)连接，第二光电编码器(33)的XFSIPUTA和XFSIPUTB引脚分别与各自对应的轮子驱动模块⑶连接，第二滞回比较器(32)的VCC引脚和第二光电编码器(33)的VCC引脚分别与电源模块(3)连接。
10.根据权利要求1或3所述的用于可拓展模块化的移动机械臂控制系统，其特征在于所述的运动规划控制软件的主流程为S-I 初始化，进入循环；S-2 判断运动规划控制器( 是否接收到工业计算机(1)的指令，不是则关节驱动模块( 驱动的关节和轮子驱动模块(8)驱动的轮子停止运动，是则进行S-3 ；S-3 运动规划控制器( 发送指令至每个机械臂区域控制器(4)和移动平台区域控制器⑶；S-4 判断机械臂区域控制器(4)和移动平台区域控制器(9)是否接收到运动规划控制器O)的指令，不是则重新判断是则进行S-5 ；S-5 判断关节驱动模块( 和轮子驱动模块(8)是否进行零位置检测，是则进行零位置检测，再返回S-4，不是则进行S-6 ；S-6 关节驱动模块(5)和轮子驱动模块(8)分别接收各自对应的机械臂区域控制器 (4)和移动平台区域控制器(9)相应的指令；S-7 读取关节驱动模块( 和轮子驱动模块(8)接收到的信息；通过运动控制算法， 关节驱动模块( 控制关节动作，轮子驱动模块(8)控制轮子运动；S-8 判断关节驱动模块( 所驱动的关节和轮子驱动模块(8)所驱动的轮子是否正常工作，正常工作则分别发送信息至第一信息采集反馈器(6)和第二信息采集反馈器(7)，非正常工作则分别启动第一自我保护单元05)和第二自我保护单元( )，再分别发送信息至第一信息采集反馈器(6)和第二信息采集反馈器(7)；S-9 判断第一信息采集反馈器(6)和第二信息采集反馈器(7)是否接收到关节和轮子的状态信息，是则进行S-10，不是则返回S-7 ；S-IO 发送关节驱动模块( 所驱动的关节和轮子驱动模块(8)所驱动的轮子的状态信息至相应的机械臂区域控制器(4)和移动平台区域控制器(9)，再返回S-2。
全文摘要
本发明涉及一种用于可拓展模块化的移动机械臂控制系统。其方案是工业计算机(1)通过1～3个运动规划控制器(2)分别与1～6个机械臂区域控制器(4)和1～6个移动平台区域控制器(9)连接；每个机械臂区域控制器(4)分别与1～6个关节驱动模块(5)连接；每个关节驱动模块(5)与第一信息采集反馈器(6)对应连接；每1～6个第一信息采集反馈器(6)与各自对应的关节驱动模块(5)连接的机械臂区域控制器(4)连接；每个移动平台区域控制器(9)分别与2～4个轮子驱动模块(8)连接；每个轮子驱动模块(8)与第二信息采集反馈器(7)对应连接；每2～4个第二信息采集反馈器(7)与各自对应的轮子驱动模块(8)连接的移动平台区域控制器(9)连接。本发明具有鲁棒性、抗干扰性和实时性强等特点。
文档编号B25J9/18GK102248536SQ201110160108
公开日2011年11月23日 申请日期2011年6月14日 优先权日2011年6月14日
发明者吴怀宇, 杨升, 郑秀娟, 闫贺 申请人:武汉科技大学