專利名稱：仿人機器人控制系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型屬于仿人機器人控制技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種仿人機器人控制系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
機器人是近年發(fā)展起來的綜合學(xué)科。它集中了機械工程、電子工程、計算機工程、 自動控制工程以及人工智能等多種學(xué)科的最新科研成果，代表了機電一體化的最高成就， 是目前科技發(fā)展最活躍的領(lǐng)域之一。自從70年代工業(yè)機器人應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)以來，機器人對工業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展、勞動生產(chǎn)率、勞動市場、環(huán)境工程都產(chǎn)生了深遠的影響。仿人機器人不同于一般的工業(yè)機器人。因為它不再固定在一個位置上。這種機器人具有靈活的行走系統(tǒng)，以便隨時走到需要的地方， 包括一些對普通人來說不易到達的地方和角落，完成人或智能系統(tǒng)預(yù)先設(shè)置指定的工作。 自然界的事實、仿生學(xué)以及力學(xué)分析表明，仿人機器人與輪式、履帶式機器人相比有許多突出的優(yōu)點和它們無法比擬的優(yōu)越性。它的特性主要體現(xiàn)以下方面(1)仿人機器人能適應(yīng)各種地面且具有較高的逾越障礙的能力，能夠方便的上下臺階及通過不平整、不規(guī)則或較窄的路面，它的移動“盲區(qū)”很小。(2)仿人機器人的能耗很小。因為該機器人可具有獨立的能源裝置，因此在設(shè)計時就應(yīng)充分考慮其能耗問題，機器人力學(xué)計算也表明，足式機器人的能耗通常低于輪式和履帶式機器人。(3)仿人機器人具有廣闊的工作空間。由于行走系統(tǒng)的占地面積小，而活動范圍很大，所以為其配置的機械手提供了更大的活動空間，同時也可使機械手臂設(shè)計得較為短小緊湊。(4)雙足行走是生物界難度最高的步行動作。但其步行性能卻是其它步行結(jié)構(gòu)所無法比擬的。所以，仿人機器人的研制勢必要求并促進機器人結(jié)構(gòu)的革命性的變化同時有力推進機器人學(xué)及其它相關(guān)學(xué)科的發(fā)展。仿人機器人對機器人的機械結(jié)構(gòu)及驅(qū)動裝置提出了許多特殊要，這將導(dǎo)致傳統(tǒng)機械的重大變革。仿人機器人是工程上少有的高階、非線性、非完整約束的多自由度系統(tǒng)。這對機器人的運動學(xué)、動力學(xué)及控制理論的研究提供了一個非常理想的實驗平臺，在對其研究的過程中#很可能導(dǎo)致力學(xué)及控制領(lǐng)域中新理論、新方法的產(chǎn)生，另外，仿人機器人的研究還可以推動仿生學(xué)、人工智能、計算機圖形、通信等相關(guān)學(xué)科的發(fā)展。因此，仿人步行機器人的研制具有十分重大的價值和意義。本世紀70年代，由于生物學(xué)、控制理論和電子技術(shù)的發(fā)展，人們開始對類人行走進行系統(tǒng)的研究，近三十年來，雙足步行機器人技術(shù)得到飛速的發(fā)展。從最初的靜態(tài)行走， 只能在平面上行走發(fā)展到擬動態(tài)行走、動態(tài)行走、斜坡上的行走甚至實現(xiàn)跑步。動態(tài)行走是雙足步行機器人提高行走速度和研究的必然發(fā)展方向。近年來，特別是本田公司推出的“P2”，“P3”及其后推出的Asimo，把仿人型雙足機器人技術(shù)的研究再次推到了高潮。同時在小型仿人機器人領(lǐng)域也出現(xiàn)了一股開發(fā)的熱潮。Sony公司在2000年推出的“夢幻機器人”系列SDR，被視為家庭娛樂技術(shù)的新突破。富士通公司推出的HOAP-I、HOAP-II也是小型仿人機器人開發(fā)的成功典型。日本科技振興會北野共生系統(tǒng)工程研究所開發(fā)的Pino是一個低成本的小型仿人機器人平臺，開發(fā)者把在 PINO上進行的機器人研究技術(shù)信息，基于GNU—般公共許可原則和GNU —般公共文檔許可原則對外公開(外觀設(shè)計，商標(biāo)等除外)。他們想借助LINUX的模式，來嘗試機器人開發(fā)的資源公開化，通過這種方式來促進成果的共享、更快的進化機器人和機器人的產(chǎn)業(yè)化。綜上所述，隨著控制理論、計算機技術(shù)以及多傳感器信息融合技術(shù)的發(fā)展，世界機器人發(fā)達國家的學(xué)者在仿人機器人技術(shù)的理論和實驗上作了大量的研究，這種現(xiàn)象的出現(xiàn)最可能的解釋是仿人機器人具有更強的機動性和靈活性，具有更廣闊的應(yīng)用前景。鑒于以上情況，我國也將雙足步行機器人技術(shù)列為國家自然科學(xué)基金及863等項目予以大力地支持。目前，國內(nèi)對于小型仿人機器人研究和開發(fā)的單位很少，而從國外開發(fā)投入來看，其具有巨大的研究價值和應(yīng)用市場。傳統(tǒng)的仿人機器人控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)采用集中式控制，如日本仿人機器人HRP-2，通常由一臺或多臺計算機通過多塊A/D，D/A模塊與下層的驅(qū)動器和傳感器連接通信。由上位機完成軌跡規(guī)劃和任務(wù)調(diào)度，協(xié)調(diào)下層各控制板對各關(guān)節(jié)進行控制。這樣的控制系統(tǒng)模塊繁多，模塊之間的連接復(fù)雜，依賴性強且相互耦合，降低了系統(tǒng)的開放性和可靠性，增加了功耗，難以完成多軸同步協(xié)調(diào)運動控制。隨著計算機技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，各種新型的控制方式應(yīng)用于機器人控制。分布式控制系統(tǒng)是在計算機監(jiān)督控制系統(tǒng)、直接數(shù)字控制系統(tǒng)和計算機多級控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，是生產(chǎn)過程的一種比較完善的控制與管理系統(tǒng)。與計算機多級控制系統(tǒng)相比，分布式控制系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上更加靈活、布局更為合理和成本更低。分布式控制結(jié)構(gòu)成為機器人控制系統(tǒng)發(fā)展的方向。
發(fā)明內(nèi)容針對上述現(xiàn)有技術(shù)中仿人機器人控制系統(tǒng)采用集中式控制實時性差，難以擴展， 局部故障就可能造成系統(tǒng)整體失效等控制技術(shù)的不足等不足，本實用新型提供一種仿人機器人控制系統(tǒng)，該控制系統(tǒng)控制更可靠，功耗低，具有實時性的集控制、驅(qū)動，傳感等于一體，結(jié)構(gòu)簡單、靈活，布局合理、成本低，能實現(xiàn)多軸同步協(xié)調(diào)運動控制，提高了整個控制系統(tǒng)的開放性和可靠性。本實用新型的技術(shù)解決方案為本實用新型的仿人機器人控制系統(tǒng)，該控制系統(tǒng)為分布式控制系統(tǒng)，包括通過CAN總線及CAN控制器連接并實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信的上位機和下位機，其中所述上位機主要包括有基于ARM 9內(nèi)核的S3C2440嵌入式芯片，所述下位機包括有以TMS320F2812芯片為核心的DSP控制器。所述上位機還包括分別與所述S3C2440嵌入式芯片連接的開關(guān)、充電電路、電源電路、復(fù)位電路、攝像頭、GPRS/GPS、數(shù)據(jù)存儲器和程序存儲器。所述數(shù)據(jù)存儲器為SDRAM數(shù)據(jù)存儲器。所述程序存儲器為FLASH程序存儲器。所述上位機還包括與所述S3C2440嵌入式芯片連接的觸摸屏。所述觸摸屏為IXD觸摸屏。
4[0021]所述上位機還包括與所述S3C2440嵌入式芯片連接的無線通訊zigbee。所述下位機還包括分別與所述DSP控制器連接的復(fù)位電路、CAN接口、串行通信接口、傳感器和光電編碼器。所述下位機還包括與所述DSP控制器連接的電源監(jiān)控電路。所述下位機還包括與所述DSP控制器連接的時鐘和JTAG。本實用新型控制可靠，功耗低，具有實時性的集控制、驅(qū)動，傳感等于一體，結(jié)構(gòu)簡單、靈活，布局合理、成本低，能實現(xiàn)多軸同步協(xié)調(diào)運動控制，提高了整個控制系統(tǒng)的開放性和可靠性。

圖1為本實用新型實施例總體結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本實用新型實施例上位機硬件的原理框圖；圖3為本實用新型實施例下位機硬件的原理框圖。
具體實施方式
以下結(jié)合附圖和具體實施方式
對本實用新型做進一步的說明。如圖1所示，本實施例是一種基于ARM9與DSP的仿人機器人分布式控制系統(tǒng)，本系統(tǒng)由上位機和下位機組成，上位機由基于ARM 9內(nèi)核的S3C2400嵌入式開發(fā)構(gòu)成，下位機以TMS320F2812芯片為核心的DSP控制器，本實施例中，DSP控制器為DSP仿人機器人關(guān)節(jié)控制器，上位機和下位機之間通過CAN總線連接并實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信，并通過CAN控制器來接受、發(fā)送信息。下位機連接有外部傳感器，將控制指令通過接口電路和驅(qū)動電路傳遞給電機，由電機驅(qū)動機器人關(guān)節(jié)的運動，同時機器人關(guān)節(jié)運動的信號經(jīng)光電編碼器通過接口電路利用反饋信號的形式反饋給下位機。如圖2所示，上位機以ARM9內(nèi)核S3C2400為核心，外圍包括了 IXD觸摸屏，SDRAM 數(shù)據(jù)存儲器，F(xiàn)LASH程序存儲器，開關(guān)，充電電路，電源電路，復(fù)位電路，攝像頭，GPRS/GPS, 無線通訊zigbee等。操作員運用上位機ARM9負責(zé)多任務(wù)的調(diào)度和任務(wù)的執(zhí)行，并通過CAN 總線向下位機DSP控制器發(fā)送有特定數(shù)據(jù)格式的控制指令和控制參數(shù)。同時，ARM9還接收下位機DSP控制器返回的機器人各個關(guān)節(jié)的運動狀態(tài)、位置參數(shù)、姿態(tài)等相關(guān)參數(shù)并將這些接收到的數(shù)據(jù)進行處理，結(jié)合預(yù)期的機器人步態(tài)和動作規(guī)劃對機器人的下一個動作做出相應(yīng)的指示，保證機器人的實際運動狀況和預(yù)期規(guī)劃的運動在允許的偏差范圍內(nèi)保持一致，從而達到預(yù)期的目的以實現(xiàn)機器人平穩(wěn)的運動和做出各種預(yù)期的動作姿態(tài)如圖3所示，下位機以DSP TMS320F2812芯片為核心并集成了電機控制所必須的先進外圍資源，包括電源監(jiān)控電路，復(fù)位電路，連接上位機的CAN接口，時鐘，JTAG，串行通信，傳感器，光電編碼器等。下位機通過模/數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC和光電編碼器與電機相連，由電機通過驅(qū)動器來驅(qū)動機器人運動。驅(qū)動器連接設(shè)在下位機中的EVA、EVB。EVA，EVB是事件管理器，各有16位定時器，可以產(chǎn)生6路PWM信號，控制電機驅(qū)動模塊，可直接連接編碼器的反饋信號。下位機DSP控制器把接收來自上位機的控制指令和控制參數(shù)，按規(guī)定的協(xié)議進行轉(zhuǎn)換、解釋，并結(jié)合固化在DSP關(guān)節(jié)控制器中的運動控制算法完成對機器人關(guān)節(jié)的控制。 DSP在執(zhí)行運動控制指令的同時將機器人各個關(guān)節(jié)的實際運動情況反饋給上位機ARM9，與上位機進行信息交換，以便上位機根據(jù)當(dāng)前的運動狀態(tài)和各關(guān)節(jié)姿態(tài)決策下一步的運動指令和運動參數(shù)。下位機DSP控制器在接收到上位機發(fā)送來的控制參數(shù)之后應(yīng)該迅速做出響應(yīng)，結(jié)合控制算法給驅(qū)動器發(fā)送控制指令，同時通過光電編碼器等傳感器件反饋回來的信號再對控制指令做相應(yīng)的調(diào)整，從而使機器人各個關(guān)節(jié)都達到或最大程度的接近上位機 ARM9發(fā)送給DSP控制器的預(yù)期狀態(tài)。本實施例設(shè)計了一個由以ARM9嵌入式為核心的上位機和以DSP為核心控制舵機的下位機組合的仿人機器人控制系統(tǒng)，下位機控制機器人舵機的情況，以及各種傳感器的情況通過上位機的可觸摸鍵盤和圖形液晶顯示，操作者可以直觀地掌握對仿人機器人的動作狀態(tài)，然后可控制機器人動作或動作系列的執(zhí)行，其操作過程人性化和直觀化，非常方便實用。本實用新型的通訊總線改變了傳統(tǒng)機器人控制器采用RS232或者RS485實現(xiàn)與上位機通訊速度慢，誤碼率高等缺點，利用CAN總線具有較強的抗干擾能力，具有通訊速率高，高可靠性，連接方便，易于擴展，可實現(xiàn)智能控制和高性價比等優(yōu)點，用其來連接機器人控制系統(tǒng)上下位機進行收發(fā)數(shù)據(jù)進行通訊。本實施例還用到電源監(jiān)控電路對電源電量進行監(jiān)控，一旦檢測到電量不足時，會立即發(fā)出電量不足的報警信號，提醒操作者需對控制器充電，確保機器人正常進行工作以免損壞。本實施例在無線通訊中采用了 zigbee技術(shù)，zigbee較藍牙具有功耗低，成本低， 通訊距離范圍更廣，高可靠的無線傳輸網(wǎng)絡(luò)，用zigbee模塊可以同時控制多臺機器人。
權(quán)利要求1.一種仿人機器人控制系統(tǒng)，其特征在于該控制系統(tǒng)為分布式控制系統(tǒng)，包括通過 CAN總線及CAN控制器連接并實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信的上位機和下位機，其中所述上位機主要包括有基于ARM 9內(nèi)核的S3C2440嵌入式芯片，所述下位機包括有以TMS320F2812芯片為核心的DSP控制器。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的仿人機器人控制系統(tǒng)，其特征在于所述上位機還包括分別與所述S3C2440嵌入式芯片連接的開關(guān)、充電電路、電源電路、復(fù)位電路、攝像頭、GPRS/ GPS、數(shù)據(jù)存儲器和程序存儲器。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的仿人機器人控制系統(tǒng)，其特征在于所述數(shù)據(jù)存儲器為SDRAM 數(shù)據(jù)存儲器。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的仿人機器人控制系統(tǒng)，其特征在于所述程序存儲器為FLASH 程序存儲器。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的仿人機器人控制系統(tǒng)，其特征在于所述上位機還包括與所述S3C2440嵌入式芯片連接的觸摸屏。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的仿人機器人控制系統(tǒng)，其特征在于所述觸摸屏為LCD觸摸屏。
7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的仿人機器人控制系統(tǒng)，其特征在于所述上位機還包括與所述S3C2440嵌入式芯片連接的無線通訊zigbee。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的仿人機器人控制系統(tǒng)，其特征在于所述下位機還包括分別與所述DSP控制器連接的復(fù)位電路、CAN接口、串行通信接口、傳感器和光電編碼器。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的仿人機器人控制系統(tǒng)，其特征在于所述下位機還包括與所述DSP控制器連接的電源監(jiān)控電路。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的仿人機器人控制系統(tǒng)，其特征在于所述下位機還包括與所述DSP控制器連接的時鐘和JTAG。
專利摘要本實用新型提供一種仿人機器人控制系統(tǒng)，該控制系統(tǒng)為分布式控制系統(tǒng)，包括通過CAN總線及CAN控制器連接并實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信的上位機和下位機，其中所述上位機主要由基于ARM9內(nèi)核的S3C2440嵌入式芯片構(gòu)成，所述下位機主要由以TMS320F2812芯片為核心的DSP仿人機器人關(guān)節(jié)控制器構(gòu)成。本實用新型控制可靠，功耗低，具有實時性的集控制、驅(qū)動，傳感等于一體，結(jié)構(gòu)簡單、靈活，布局合理、成本低，能實現(xiàn)多軸同步協(xié)調(diào)運動控制，提高了整個控制系統(tǒng)的開放性和可靠性。
文檔編號G05B19/418GK202257212SQ20112030061
公開日2012年5月30日 申請日期2011年8月18日 優(yōu)先權(quán)日2011年8月18日
發(fā)明者劉治, 李基甫, 王麗楊, 章云, 鄭國雄 申請人:廣東工業(yè)大學(xué)