[發明專利]分布式仿人機器人通用控制系統

無效

• 申請號: 200910054322.3
• 申請日: 2009-07-02
• 公開（公告）號: CN101592951A
• 公開（公告）日: 2009-12-02
• 發明（設計）人: 蘇劍波;楊斌;劉成剛
• 申請（專利權）人: 上海交通大學
• 主分類號: G05B19/418
• 分類號: G05B19/418;H04L12/28;G06F9/44
• 代理公司: 上海交達專利事務所
• 代理人: 毛翠瑩

技術領域

本發明涉及一種分布式仿人機器人通用控制系統，實現仿人機器人控制系統模塊的標準化和通用化，涉及機器人、計算機工程、人機接口技術等領域。

背景技術

近年來，仿人機器人已成為機器人領域研究的熱點。仿人機器人具有其他類型機器人無法比擬的優勢，便于融入人類日常生活和工作環境中，協助人類完成具體的任務。然而仿人機器人作為一個復雜的具有30多個自由度的系統，需要有效利用自身多傳感信息來感知外界環境及自身狀態變化，并對其運動執行機構進行調整，因此要求其控制系統需要有很高的可靠性和實時性。

以往采用的集中式控制系統，控制功能高度集中，具有較快的數據傳輸速度和精度，但局部的故障就可能造成系統的整體失效。因此，韓國的KHR-2、美國的Guroo等先進系統都是采用了基于CAN(Controller?Area?Network)總線的分布式的體系結構，該結構可以簡化機器人控制系統的布線，提高了系統的可擴展性。

早先的機器人控制系統的設計中，較多使用的是Windows、DOS等分時操作系統。這種操作系統追求系統整體平均性能的優化，操作界面友好，系統成熟，便于開發調試；但卻無法保證特定的任務在限定的時間內得到響應，不能滿足高實時性的要求，從而無法保證多關節的實時協調運動。因此，對于仿人機器人的穩定行走，實時操作系統是不可或缺的。目前許多機器人都采用實時操作系統進行運動控制，如日本的ASIMO、德國的Johnnie等。然而實時操作系統對于機器人多媒體性能支持較差，編程繁瑣及用戶界面不友好，因此增加了仿人機器人系統整體調試的難度。

發明內容

本發明的目的在于針對現有技術的不足以及仿人機器人自身的特點，提出一種分布式仿人機器人通用控制系統，可以獨立于仿人機器人平臺，各功能模塊標準化通用化，提高系統可靠性、穩定性、實時性，實現整體性能的優化。

為實現上述目的，本發明設計的分布式仿人機器人通用控制系統采用雙主機的控制結構作為相應的主控層方案，并使用智能體作為基本的協調執行層控制單元，主控層與協調執行層之間的信息傳輸通過通信層實現。雙主機的主控層結構中，基于Windows系統的主機主要負責仿人機器人的調試和多媒體信息的處理，基于實時系統的主機負責仿人機器人實時運動控制。每個智能體具有自己的光電信號處理器、關節控制器和關節驅動電路。每個智能體都具有一定的自主性，不僅可以將相應傳感器的數據轉換為機器人的實際狀態，而且可以直接對機器人的一些異常情況進行處理，以提高系統處理突發事件的實時性。

本發明的仿人機器人通用控制系統的核心是三個相互獨立的子系統：主控層、協調執行層和通信層。

本發明的主控層負責產生機器人關節運動序列，協調各個關節完成指定的動作，接收協調執行層發出的反饋信號并進行相應處理。主控層由兩臺主控計算機組成，一臺工作于實時系統下，完成機器人的步態規劃與行走控制；另一臺工作于Windows系統下，進行機器人關節電機的調試、電機發送信號的檢查、傳感信息的獲得以及用于例外情況的緊急處理。

本發明的協調執行層由若干個獨立的智能體構成，負責仿人機器人關節伺服控制。每個智能體由1個關節控制器、若干個關節驅動電路和相應的光電信號處理器構成；關節控制器向驅動電路發送信號，再由驅動電路控制電機運動，光電信號處理器接收光電編碼器信號，再將光電編碼器信號傳回關節控制器。基于智能體的分層控制系統通過充分發揮智能體的智能性來提高仿人機器人控制系統的穩定性和實時性。

本發明所述通信層主要負責主控層和協調執行層之間信息的傳輸交換，為了實現實時性的要求，采用了雙總線分布式的控制方法，詳見上海交通大學申請的“仿人機器人分布式雙總線運動控制系統”專利(專利申請號：200810038844.X)。主控計算機將控制指令封裝為CAN數據包后，通過CAN接口卡將CAN數據包放入通信層，然后通過CAN總線傳送至協調執行層的各個智能體，由智能體增加進行數據的接收與處理，并對電機進行控制；同時智能體將接收到的光電編碼器信號封裝為CAN數據包后再通過CAN總線傳回主控計算機。