專利名稱：仿人機(jī)器人控制系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型屬于仿人機(jī)器人控制技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種仿人機(jī)器人控制系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
機(jī)器人是近年發(fā)展起來(lái)的綜合學(xué)科。它集中了機(jī)械工程、電子工程、計(jì)算機(jī)工程、 自動(dòng)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(jī)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(jī)器人應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)以來(lái)，機(jī)器人對(duì)工業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展、勞動(dòng)生產(chǎn)率、勞動(dòng)市場(chǎng)、環(huán)境工程都產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響。仿人機(jī)器人不同于一般的工業(yè)機(jī)器人。因?yàn)樗辉俟潭ㄔ谝粋€(gè)位置上。這種機(jī)器人具有靈活的行走系統(tǒng)，以便隨時(shí)走到需要的地方， 包括一些對(duì)普通人來(lái)說(shuō)不易到達(dá)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(shí)、仿生學(xué)以及力學(xué)分析表明，仿人機(jī)器人與輪式、履帶式機(jī)器人相比有許多突出的優(yōu)點(diǎn)和它們無(wú)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(jī)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(tái)階及通過(guò)不平整、不規(guī)則或較窄的路面，它的移動(dòng)“盲區(qū)”很小。(2)仿人機(jī)器人的能耗很小。因?yàn)樵摍C(jī)器人可具有獨(dú)立的能源裝置，因此在設(shè)計(jì)時(shí)就應(yīng)充分考慮其能耗問(wèn)題，機(jī)器人力學(xué)計(jì)算也表明，足式機(jī)器人的能耗通常低于輪式和履帶式機(jī)器人。(3)仿人機(jī)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(dòng)范圍很大，所以為其配置的機(jī)械手提供了更大的活動(dòng)空間，同時(shí)也可使機(jī)械手臂設(shè)計(jì)得較為短小緊湊。(4)雙足行走是生物界難度最高的步行動(dòng)作。但其步行性能卻是其它步行結(jié)構(gòu)所無(wú)法比擬的。所以，仿人機(jī)器人的研制勢(shì)必要求并促進(jìn)機(jī)器人結(jié)構(gòu)的革命性的變化同時(shí)有力推進(jìn)機(jī)器人學(xué)及其它相關(guān)學(xué)科的發(fā)展。仿人機(jī)器人對(duì)機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)及驅(qū)動(dòng)裝置提出了許多特殊要，這將導(dǎo)致傳統(tǒng)機(jī)械的重大變革。仿人機(jī)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(duì)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)及控制理論的研究提供了一個(gè)非常理想的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，在對(duì)其研究的過(guò)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(jī)器人的研究還可以推動(dòng)仿生學(xué)、人工智能、計(jì)算機(jī)圖形、通信等相關(guān)學(xué)科的發(fā)展。因此，仿人步行機(jī)器人的研制具有十分重大的價(jià)值和意義。本世紀(jì)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(kāi)始對(duì)類人行走進(jìn)行系統(tǒng)的研究，近三十年來(lái)，雙足步行機(jī)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(dòng)態(tài)行走、動(dòng)態(tài)行走、斜坡上的行走甚至實(shí)現(xiàn)跑步。動(dòng)態(tài)行走是雙足步行機(jī)器人提高行走速度和研究的必然發(fā)展方向。近年來(lái)，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(jī)器人技術(shù)的研究再次推到了高潮。同時(shí)在小型仿人機(jī)器人領(lǐng)域也出現(xiàn)了一股開(kāi)發(fā)的熱潮。Sony公司在2000年推出的“夢(mèng)幻機(jī)器人”系列SDR，被視為家庭娛樂(lè)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(jī)器人開(kāi)發(fā)的成功典型。日本科技振興會(huì)北野共生系統(tǒng)工程研究所開(kāi)發(fā)的Pino是一個(gè)低成本的小型仿人機(jī)器人平臺(tái)，開(kāi)發(fā)者把在 PINO上進(jìn)行的機(jī)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(duì)外公開(kāi)(外觀設(shè)計(jì)，商標(biāo)等除外)。他們想借助LINUX的模式，來(lái)嘗試機(jī)器人開(kāi)發(fā)的資源公開(kāi)化，通過(guò)這種方式來(lái)促進(jìn)成果的共享、更快的進(jìn)化機(jī)器人和機(jī)器人的產(chǎn)業(yè)化。綜上所述，隨著控制理論、計(jì)算機(jī)技術(shù)以及多傳感器信息融合技術(shù)的發(fā)展，世界機(jī)器人發(fā)達(dá)國(guó)家的學(xué)者在仿人機(jī)器人技術(shù)的理論和實(shí)驗(yàn)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(jī)器人具有更強(qiáng)的機(jī)動(dòng)性和靈活性，具有更廣闊的應(yīng)用前景。鑒于以上情況，我國(guó)也將雙足步行機(jī)器人技術(shù)列為國(guó)家自然科學(xué)基金及863等項(xiàng)目予以大力地支持。目前，國(guó)內(nèi)對(duì)于小型仿人機(jī)器人研究和開(kāi)發(fā)的單位很少，而從國(guó)外開(kāi)發(fā)投入來(lái)看，其具有巨大的研究?jī)r(jià)值和應(yīng)用市場(chǎng)。傳統(tǒng)的仿人機(jī)器人控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)采用集中式控制，如日本仿人機(jī)器人HRP-2，通常由一臺(tái)或多臺(tái)計(jì)算機(jī)通過(guò)多塊A/D，D/A模塊與下層的驅(qū)動(dòng)器和傳感器連接通信。由上位機(jī)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(duì)各關(guān)節(jié)進(jìn)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(qiáng)且相互耦合，降低了系統(tǒng)的開(kāi)放性和可靠性，增加了功耗，難以完成多軸同步協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)控制。隨著計(jì)算機(jī)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(jī)器人控制。分布式控制系統(tǒng)是在計(jì)算機(jī)監(jiān)督控制系統(tǒng)、直接數(shù)字控制系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)多級(jí)控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，是生產(chǎn)過(guò)程的一種比較完善的控制與管理系統(tǒng)。與計(jì)算機(jī)多級(jí)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(jī)器人控制系統(tǒng)發(fā)展的方向。
發(fā)明內(nèi)容針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)中仿人機(jī)器人控制系統(tǒng)采用集中式控制實(shí)時(shí)性差，難以擴(kuò)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(shí)用新型提供一種仿人機(jī)器人控制系統(tǒng)，該控制系統(tǒng)控制更可靠，功耗低，具有實(shí)時(shí)性的集控制、驅(qū)動(dòng)，傳感等于一體，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、靈活，布局合理、成本低，能實(shí)現(xiàn)多軸同步協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)控制，提高了整個(gè)控制系統(tǒng)的開(kāi)放性和可靠性。本實(shí)用新型的技術(shù)解決方案為本實(shí)用新型的仿人機(jī)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(guò)CAN總線及CAN控制器連接并實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信的上位機(jī)和下位機(jī)，其中所述上位機(jī)主要包括有基于ARM 9內(nèi)核的S3C2440嵌入式芯片，所述下位機(jī)包括有以TMS320F2812芯片為核心的DSP控制器。所述上位機(jī)還包括分別與所述S3C2440嵌入式芯片連接的開(kāi)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(chǔ)器和程序存儲(chǔ)器。所述數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器為SDRAM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。所述程序存儲(chǔ)器為FLASH程序存儲(chǔ)器。所述上位機(jī)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(jī)還包括與所述S3C2440嵌入式芯片連接的無(wú)線通訊zigbee。所述下位機(jī)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(jī)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(jī)還包括與所述DSP控制器連接的時(shí)鐘和JTAG。本實(shí)用新型控制可靠，功耗低，具有實(shí)時(shí)性的集控制、驅(qū)動(dòng)，傳感等于一體，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、靈活，布局合理、成本低，能實(shí)現(xiàn)多軸同步協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)控制，提高了整個(gè)控制系統(tǒng)的開(kāi)放性和可靠性。

圖1為本實(shí)用新型實(shí)施例總體結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本實(shí)用新型實(shí)施例上位機(jī)硬件的原理框圖；圖3為本實(shí)用新型實(shí)施例下位機(jī)硬件的原理框圖。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
對(duì)本實(shí)用新型做進(jìn)一步的說(shuō)明。如圖1所示，本實(shí)施例是一種基于ARM9與DSP的仿人機(jī)器人分布式控制系統(tǒng)，本系統(tǒng)由上位機(jī)和下位機(jī)組成，上位機(jī)由基于ARM 9內(nèi)核的S3C2400嵌入式開(kāi)發(fā)構(gòu)成，下位機(jī)以TMS320F2812芯片為核心的DSP控制器，本實(shí)施例中，DSP控制器為DSP仿人機(jī)器人關(guān)節(jié)控制器，上位機(jī)和下位機(jī)之間通過(guò)CAN總線連接并實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信，并通過(guò)CAN控制器來(lái)接受、發(fā)送信息。下位機(jī)連接有外部傳感器，將控制指令通過(guò)接口電路和驅(qū)動(dòng)電路傳遞給電機(jī)，由電機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)器人關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)，同時(shí)機(jī)器人關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的信號(hào)經(jīng)光電編碼器通過(guò)接口電路利用反饋信號(hào)的形式反饋給下位機(jī)。如圖2所示，上位機(jī)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(chǔ)器，F(xiàn)LASH程序存儲(chǔ)器，開(kāi)關(guān)，充電電路，電源電路，復(fù)位電路，攝像頭，GPRS/GPS, 無(wú)線通訊zigbee等。操作員運(yùn)用上位機(jī)ARM9負(fù)責(zé)多任務(wù)的調(diào)度和任務(wù)的執(zhí)行，并通過(guò)CAN 總線向下位機(jī)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(shí)，ARM9還接收下位機(jī)DSP控制器返回的機(jī)器人各個(gè)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)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(jìn)行處理，結(jié)合預(yù)期的機(jī)器人步態(tài)和動(dòng)作規(guī)劃對(duì)機(jī)器人的下一個(gè)動(dòng)作做出相應(yīng)的指示，保證機(jī)器人的實(shí)際運(yùn)動(dòng)狀況和預(yù)期規(guī)劃的運(yùn)動(dòng)在允許的偏差范圍內(nèi)保持一致，從而達(dá)到預(yù)期的目的以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人平穩(wěn)的運(yùn)動(dòng)和做出各種預(yù)期的動(dòng)作姿態(tài)如圖3所示，下位機(jī)以DSP TMS320F2812芯片為核心并集成了電機(jī)控制所必須的先進(jìn)外圍資源，包括電源監(jiān)控電路，復(fù)位電路，連接上位機(jī)的CAN接口，時(shí)鐘，JTAG，串行通信，傳感器，光電編碼器等。下位機(jī)通過(guò)模/數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC和光電編碼器與電機(jī)相連，由電機(jī)通過(guò)驅(qū)動(dòng)器來(lái)驅(qū)動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)。驅(qū)動(dòng)器連接設(shè)在下位機(jī)中的EVA、EVB。EVA，EVB是事件管理器，各有16位定時(shí)器，可以產(chǎn)生6路PWM信號(hào)，控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，可直接連接編碼器的反饋信號(hào)。下位機(jī)DSP控制器把接收來(lái)自上位機(jī)的控制指令和控制參數(shù)，按規(guī)定的協(xié)議進(jìn)行轉(zhuǎn)換、解釋，并結(jié)合固化在DSP關(guān)節(jié)控制器中的運(yùn)動(dòng)控制算法完成對(duì)機(jī)器人關(guān)節(jié)的控制。 DSP在執(zhí)行運(yùn)動(dòng)控制指令的同時(shí)將機(jī)器人各個(gè)關(guān)節(jié)的實(shí)際運(yùn)動(dòng)情況反饋給上位機(jī)ARM9，與上位機(jī)進(jìn)行信息交換，以便上位機(jī)根據(jù)當(dāng)前的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和各關(guān)節(jié)姿態(tài)決策下一步的運(yùn)動(dòng)指令和運(yùn)動(dòng)參數(shù)。下位機(jī)DSP控制器在接收到上位機(jī)發(fā)送來(lái)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(dòng)器發(fā)送控制指令，同時(shí)通過(guò)光電編碼器等傳感器件反饋回來(lái)的信號(hào)再對(duì)控制指令做相應(yīng)的調(diào)整，從而使機(jī)器人各個(gè)關(guān)節(jié)都達(dá)到或最大程度的接近上位機(jī) ARM9發(fā)送給DSP控制器的預(yù)期狀態(tài)。本實(shí)施例設(shè)計(jì)了一個(gè)由以ARM9嵌入式為核心的上位機(jī)和以DSP為核心控制舵機(jī)的下位機(jī)組合的仿人機(jī)器人控制系統(tǒng)，下位機(jī)控制機(jī)器人舵機(jī)的情況，以及各種傳感器的情況通過(guò)上位機(jī)的可觸摸鍵盤(pán)和圖形液晶顯示，操作者可以直觀地掌握對(duì)仿人機(jī)器人的動(dòng)作狀態(tài)，然后可控制機(jī)器人動(dòng)作或動(dòng)作系列的執(zhí)行，其操作過(guò)程人性化和直觀化，非常方便實(shí)用。本實(shí)用新型的通訊總線改變了傳統(tǒng)機(jī)器人控制器采用RS232或者RS485實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)通訊速度慢，誤碼率高等缺點(diǎn)，利用CAN總線具有較強(qiáng)的抗干擾能力，具有通訊速率高，高可靠性，連接方便，易于擴(kuò)展，可實(shí)現(xiàn)智能控制和高性價(jià)比等優(yōu)點(diǎn)，用其來(lái)連接機(jī)器人控制系統(tǒng)上下位機(jī)進(jìn)行收發(fā)數(shù)據(jù)進(jìn)行通訊。本實(shí)施例還用到電源監(jiān)控電路對(duì)電源電量進(jìn)行監(jiān)控，一旦檢測(cè)到電量不足時(shí)，會(huì)立即發(fā)出電量不足的報(bào)警信號(hào)，提醒操作者需對(duì)控制器充電，確保機(jī)器人正常進(jìn)行工作以免損壞。本實(shí)施例在無(wú)線通訊中采用了 zigbee技術(shù)，zigbee較藍(lán)牙具有功耗低，成本低， 通訊距離范圍更廣，高可靠的無(wú)線傳輸網(wǎng)絡(luò)，用zigbee模塊可以同時(shí)控制多臺(tái)機(jī)器人。
權(quán)利要求1.一種仿人機(jī)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(guò) CAN總線及CAN控制器連接并實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信的上位機(jī)和下位機(jī)，其中所述上位機(jī)主要包括有基于ARM 9內(nèi)核的S3C2440嵌入式芯片，所述下位機(jī)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(jī)器人控制系統(tǒng)，其特征在于所述上位機(jī)還包括分別與所述S3C2440嵌入式芯片連接的開(kāi)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(chǔ)器和程序存儲(chǔ)器。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的仿人機(jī)器人控制系統(tǒng)，其特征在于所述數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器為SDRAM 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的仿人機(jī)器人控制系統(tǒng)，其特征在于所述程序存儲(chǔ)器為FLASH 程序存儲(chǔ)器。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的仿人機(jī)器人控制系統(tǒng)，其特征在于所述上位機(jī)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(jī)器人控制系統(tǒng)，其特征在于所述觸摸屏為L(zhǎng)CD觸摸屏。
7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的仿人機(jī)器人控制系統(tǒng)，其特征在于所述上位機(jī)還包括與所述S3C2440嵌入式芯片連接的無(wú)線通訊zigbee。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的仿人機(jī)器人控制系統(tǒng)，其特征在于所述下位機(jī)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(jī)器人控制系統(tǒng)，其特征在于所述下位機(jī)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(jī)器人控制系統(tǒng)，其特征在于所述下位機(jī)還包括與所述DSP控制器連接的時(shí)鐘和JTAG。
專利摘要本實(shí)用新型提供一種仿人機(jī)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(guò)CAN總線及CAN控制器連接并實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信的上位機(jī)和下位機(jī)，其中所述上位機(jī)主要由基于ARM9內(nèi)核的S3C2440嵌入式芯片構(gòu)成，所述下位機(jī)主要由以TMS320F2812芯片為核心的DSP仿人機(jī)器人關(guān)節(jié)控制器構(gòu)成。本實(shí)用新型控制可靠，功耗低，具有實(shí)時(shí)性的集控制、驅(qū)動(dòng)，傳感等于一體，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、靈活，布局合理、成本低，能實(shí)現(xiàn)多軸同步協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)控制，提高了整個(gè)控制系統(tǒng)的開(kāi)放性和可靠性。
文檔編號(hào)G05B19/418GK202257212SQ20112030061
公開(kāi)日2012年5月30日 申請(qǐng)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(guó)雄 申請(qǐng)人:廣東工業(yè)大學(xué)