一种双足机器人的三层分布式控制系统技术方案

本实用新型专利技术公开了一种双足机器人的三层分布式控制系统，属于机器人控制技术领域。本实用新型专利技术系统包括布置交互决策层的计算机、布置运动规划层的计算机和由双足机器人腿部的所有关节内的驱动芯片组成的硬件驱动层；交互决策层和运动规划层的两台计算机安装在机器人顶部的控制柜内，计算机相互之间通过以太网口进行通讯；硬件规划层的嵌入式系统固化在各驱动芯片上，各驱动芯片通过CAN总线与运动规划层的计算机进行通讯。本实用新型专利技术的三层结构设计，各层结构相互独立，耦合度低，实现便捷，可以实时采集周围环境数据并且控制机器人做出相应动作，在一定程度上大大提高了系统效率。

A Three-Layer Distributed Control System for Biped Robots

The utility model discloses a three-layer distributed control system for biped robots, which belongs to the field of robot control technology. The system of the utility model comprises a computer with an interactive decision layer, a computer with a motion planning layer and a hardware driving layer composed of driving chips in all joints of the legs of a biped robot; two computers with an interactive decision layer and a motion planning layer are installed in the control cabinet on the top of the robot, and the computers communicate with each other through an Ethernet port; and a hardware planning layer. The embedded system is solidified on each driver chip, which communicates with the computer of motion planning layer through CAN bus. The three-layer structure design of the utility model has the advantages of independence of each layer structure, low coupling degree, convenient realization, real-time acquisition of surrounding environment data and control of the robot to make corresponding actions, which greatly improves the efficiency of the system to a certain extent.

【技术实现步骤摘要】
一种双足机器人的三层分布式控制系统
本技术涉及机器人及其控制系统
，尤其涉及一种双足机器人的三层分布式控制系统。
技术介绍
现有的机器人的控制系统中，通常采用集中式系统，控制功能都高度集中在一台服务器或者主机上，所有的功能及处理任务都由服务器或者主机集中处理。但是，在实际应用中，集中式系统不能满足具有更庞大功能需求的机器人控制领域，客户需要具有分布处理能力的、完整一体化的分布式系统。分布式系统是若干计算机的集合，内部由通信网络实现，以通信为网络基础。整个分布式系统采用独立工作或者合作工作两种方式，各个操作主机可以并行操作以及分布控制。分布式系统与传统的通信网络相比具有一定的优越性：1)分布式系统中各个操作主机并行操作，意味着实现了在物理性质上的独立性以及在逻辑性质上的合作性；2)分布式系统具有较高的可靠性，当系统中一台或者多台主机发生故障时，其余独立的主机可以自行修复，重新构成和原系统功能一致的系统，使整个分布式系统自动调节恢复到故障前状态。近年来，双足机器人得到了广泛地应用，传统的技术方法采用操作人员离线编程引导的方式控制机器人，机器人重复地执行存储在内存单元中的程序，完成所要求的操作动作，这种控制方式对机器人限制性极强，不具备实时性，对外界信息变化的感知能力不足，不能够根据环境的变化对操作行为进行相应的调整，同时大量的功能需要大量的编程准备时间，在一定程度上大大降低了系统效率。
技术实现思路
针对上述问题，本技术提供一种机器人三层分布式控制系统，可以实时采集周围环境数据并且控制机器人做出相应动作，提高了系统效果。本技术提供的一种双足机器人的三层分布式控制系统，包括：布置交互决策层的一台计算机，布置运动规划层的一台计算机，以及双足机器人腿部的所有关节内的驱动芯片组成的硬件规划层。其中，交互决策层和运动规划层的两台计算机安装在机器人顶部的控制柜内，计算机相互之间通过以太网口进行通讯；硬件规划层的嵌入式系统固化在各驱动芯片上，各驱动芯片通过CAN(控制器局域网络)总线与运动规划层的计算机进行通讯。交互决策层的计算机通过RS232端口外接麦克风阵列，通过USB接口外接深度摄像头。运动规划层的计算机通过USB端口外接激光雷达，通过USB端口外接姿态传感器，通过两个RS232端口连接机器人两腿足底的六维力传感器。本技术的优点与积极效果在于：所提供的双足机器人的三层分布式控制系统，交互决策层的计算机、运动规划层的计算机和硬件规划层，三层结构相互独立，耦合度低，实现便捷；通过交互决策层的计算机能实现语音、视觉、界面等多维交互；通过硬件规划层和运动规划层的计算机可以实时采集周围环境数据并且控制机器人做出相应动作，不需要进行大量的编程准备，在一定程度上大大提高了系统效率，提高了控制系统的可靠性与稳定性。附图说明图1是本技术实施例的双足机器人的三层分布式控制系统的结构示意图；图2是本技术实施例的双足机器人的三层分布式控制系统的功能示意图；图3是本技术实施例的双足机器人的三层分布式控制系统的任务决策层执行流程图；图4是本技术实施例的双足机器人的三层分布式控制系统的运动规划层执行流程图；图5是本技术实施例的双足机器人的三层分布式控制系统的硬件驱动层执行流程图。具体实施方式下面结合附图和实施例对本技术技术方案作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅用于解释相关内容，而非对本技术的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本技术相关的部分。需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图1-4并结合实施例来详细说明本技术的结构及使用方式。如图1所示，本技术的双足机器人的三层分布式控制系统包括两台计算机和机器人腿部关节的驱动芯片，双足机器人的三层分布式控制系统分别运行在两台计算机和驱动芯片上，三层相互协作，互不依赖。具体地，本技术的双足机器人的三层分布式控制系统包括：布置交互决策层的一台计算机，布置运动规划层的一台计算机，以及双足机器人腿部的所有关节内的驱动芯片组成的硬件规划层。交互决策层和运动规划层的两台计算机安装在机器人顶部的控制柜内，计算机相互之间通过以太网口进行通讯。硬件规划层的嵌入式系统固化在各驱动芯片上，各驱动芯片通过CAN总线与运动规划层的计算机进行通讯。双足机器人的腿部由12个关节进行驱动运动，12个关节内的驱动器系统组成硬件规划层。交互决策层的计算机通过RS232端口外接麦克风阵列，进行语音拾取与语音合成交互；通过USB接口外接深度摄像头，获取彩色图像和深度点云数据；通过以太网口向运动规划层的计算机发送指令，接收数据。运动规划层的计算机通过USB端口外接激光雷达，获取点云数据，用于导航规划过程中的避障；通过USB端口外接姿态传感器，获取机器人质心位置姿态；通过两个RS232端口连接机器人两腿足底的六维力传感器，获取机器人足底受力与力矩；通过以太网口接收交互决策层控制指令；通过CAN总线向硬件驱动层发送指令，接收数据。运动规划层获取的机器人质心位置姿态和足底力与力矩的数据，用于动力学解算，保持机器人的动态稳定性和平稳性。硬件驱动层的嵌入式系统运行在驱动芯片上，通过PWM(脉冲宽度调制)进行电机驱动，控制关节运动；通过SPI(串行外设接口)获取编码器数据，计算出关节的位置；通过ADC(模数转换器)获取传感器的温度和电压信息，并设置关节过温保护的数值；通过CAN(控制器局域网络)总线接收运动规划层的控制指令，并反馈数据。如图2所示，双足机器人的三层分布式控制系统，包括交互决策层、运动规划层和硬件驱动层。其中，交互决策层实现的功能包括语音交互、视觉交互、三维仿真、界面交互和建图导航；运动规划层实现的功能包括正逆运动学解算、动力学解算、传感器数据获取、指令解析和导航规划；硬件驱动层实现的功能包括电机驱动和数据采集。交互决策层用于多模态人机交互，发送控制指令到运动规划层，并接收运动规划层发送的数据。交互决策层中，语音交互使用语音交互模块，能进行中英文对话；视觉交互使用深度摄像头获取彩色图像，通过人脸识别模块进行人脸识别，深度摄像头获取的深度点云数据用于三维地图建立和所述建图导航；三维仿真获取运动规划层上传的机器人关节角度并在三维模型中实时显示机器人的姿态；界面交互集成于所述三维仿真内，用于控制机器人单关节运动、更改机器人关节ID和设置零点位置，并实时显示机器人的关节角度、电压、温度、错误代码和使能位标志。运动规划层用于接收并解析交互决策层发送的控制指令并下发给硬件驱动层，接收硬件驱动层反馈的数据，同时接收传感器的信息并处理后发送给交互决策层。硬件驱动层用于接收运动规划层的控制指令，同时采集硬件数据并上传给运动规划层。如图3所示，用户启动交互决策层之后，首先获取运动规划层上传的机器人信息，包含各关节位置、电压、使能位、温度和错误代码等数据，系统进行初始化，初始化成功后开始各分系统运行。语音交互由语音模块完成，采用麦克风拾取周围的声源进行分析，通过语义分析后合成语音播放完成交互，另外语音模块中储存了特定的关键词汇，当拾取到这些词汇后，会触发对应的任务序列，将该任务序列下本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种双足机器人的三层分布式控制系统，其特征在于，包括：布置交互决策层的一台计算机，布置运动规划层的一台计算机，以及双足机器人腿部的所有关节内的驱动芯片组成的硬件规划层；其中，交互决策层和运动规划层的两台计算机安装在机器人顶部的控制柜内，计算机相互之间通过以太网口进行通讯；硬件规划层的嵌入式系统固化在各驱动芯片上，各驱动芯片通过CAN总线与运动规划层的计算机进行通讯；CAN表示控制器局域网络；交互决策层的计算机通过RS232端口外接麦克风阵列，通过USB接口外接深度摄像头；运动规划层的计算机通过USB端口外接激光雷达，通过USB端口外接姿态传感器，通过两个RS232端口连接机器人两腿足底的六维力传感器。

【技术特征摘要】
1.一种双足机器人的三层分布式控制系统，其特征在于，包括：布置交互决策层的一台计算机，布置运动规划层的一台计算机，以及双足机器人腿部的所有关节内的驱动芯片组成的硬件规划层；其中，交互决策层和运动规划层的两台计算机安装在机器人顶部的控制柜内，计算机相互之间通过以太网口进行通讯；硬件规划层的嵌入式系统固化在各...

【专利技术属性】
技术研发人员：董芹鹏，郑随兵，张颖，张旭龙，
申请(专利权)人：睿尔曼智能科技北京有限公司，
类型：新型
国别省市：北京,11