本发明专利技术公开了一种模块化嵌入式多足机器人运动控制器，包括ＰＣ模块、机身控制模块和分别位于各条足上的足单元控制模块。ＰＣ模块用于识别机器人所处环境，确定机器人的下一步动作并将数据传送给机身控制模块。机身控制模块用于将该数据处理成为具体运动数据，再将数据通过机身总线分发到各足单元控制模块。本发明专利技术采用分层式控制方式，由数据运算层、机身控制层和关节控制层组成。数据运算层建立在ＰＣ机上，根据机器人的正逆运动学、动力学计算出机器人的步态数据。机身控制层以ＡＲＭ处理器为控制核心。机身控制层有较大的存储空间，可存储机器人的步态数据，实现机器人的离线运动，也拥有与ＰＣ机的无缝联接接口，由ＰＣ机对机器人实现在线调试。
A modular multi legged robot embedded motion controller
The invention discloses a modular multi legged robot embedded motion controller, including PC module, the control module and the control module are located in the foot unit on the feet. The PC module is used to identify the robot's environment, determine the next step of the robot, and transfer the data to the fuselage control module. The body control module is used to process the data into specific motion data, and then distribute the data through the fuselage bus to each module of the unit control. The invention adopts a layered control mode composed of a data operation layer, a body control layer and a joint control layer. The data operation layer is built on the PC, and the gait data of the robot is calculated according to the forward and inverse kinematics and dynamics of the robot. The fuselage control layer takes ARM processor as the control core. The control layer has a large storage space, can realize the robot gait data storage, off-line robot, also has a seamless interface with PC, by the PC machine on the robot to realize online debugging.
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于机器人
，具体涉及一种模块化嵌入式多足机器人运动控制器。
技术介绍
机器人控制器是机器人系统中最重要、最关键的部分。机器人控制器性能的好坏直接决定着机器人的运动性能。现有的机器人系统多是专用系统，只能适应于特定结构的机器人，一旦机器人的结构改变，其控制器也得重新设计，从而限制了机器人根据任务和工作环境的要求进行变更或扩展的能力。且现有的控制器不具有容错功能，机器人的某些关节一旦遭到破坏整个机器人系统立刻陷入瘫痪状态。目前存在的各种开放式结构机器人控制器虽然做到了可移植性，可扩展性等，但大多采用工业控制计算机作为控制器，硬件结构无法改变，且成本高，体积大，无法做到嵌入式控制。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服已有控制器的不足之处，提供一种模块化嵌入式多足机器人运动控制器，该控制器软件系统灵活、稳定，是一种具有可重构、可容错的嵌入式控制器。本专利技术提供的模块化嵌入式多足机器人运动控制器，其特征在于该控制器包括PC模块、机身控制模块和分别位于各条足上的足单元控制模块；其中，PC模块包括操作软件模块和第一通信模块，操作软件模块用于实现环境识别、路径规划和步态规划功能，并将计算出的数据传送给第一通信模块；第一通信模块具有处理机身总线数据的功能，将机身控制模块与PC模块通过USB总线连接；机身控制模块包括第二PC通信模块、状态显示模块和机身控制器；第二PC通信模块用于与第一通信模块通信，并将数据传送给机身控制器；机身控制器采用ARM处理器对数据进行处理后再将处理后的数据转发到各足单元控制器，机身控制器的状态通过状态显示模块予以显示；足单元控制模块包括足单元控制器、髋关节控制模块、膝关节控制模块、踝关节控制模块和传感器模块；足单元控制器协调控制一条足内的三个关节的协调运动，并向机身控制模块反馈整条足的运动状态；髋关节控制模块、膝关节控制模块、踝关节控制模块结构相同，均由关节控制器和足关节电机构成；关节控制器根据机身控制模块通过CAN_Bus传送的运动数据，采用单片机控制足关节电机进行预定的运动，通过足关节传动链将运动传递到关节机构本体，各关节的协调运动形成机器人的整体运动，再通过传感器模块将关节的运动状态进行反馈，实现闭环控制。本专利技术所提出的模块化嵌入式机器人控制器采用分层式控制方式，由数据运算层、以ARM微处理器为控制核心的机身控制层和单片机为控制核心的关节控制层组成。数据运算层建立在PC机上，计算机器人的步态数据。机身控制层以ARM处理器为控制核心，可存储机器人的步态数据，实现机器人的离线运动，也拥有与PC机的无缝联接接口，由PC机对机器人实现在线调试，关节控制层则由单片机为控制核心。具体而言，本专利技术具有以下技术效果(1)本专利技术所提出的机器人控制器具有可重构能力，当机器人根据任务和工作环境的要求进行变更或扩展时，只须将关节控制器加入到机身控制器的CAN总线网络或从网络中删除即可。(2)当机器人在运行中遭到破坏，机身控制器会自动识别并关闭该关节，直接跳出对该关节的操作，拥有一定的容错能力。(3)机身控制层扩展关节，增添其他设备可实现即插即用，自动识别ID号。(4)本专利技术可以用于机器人的控制，也可以用于其他运动系统的控制。附图说明图1为模块化可重构机器人各逻辑层与物理实现的对应关系图；图2为本专利技术模块化嵌入式多足机器人运动控制器的结构示意图；图3操作软件模块流程图；图4为机身控制器硬件结构框图；图5为机身控制器软件系统框图；图6为关节控制器硬件框图；图7为关节控制器软件三层抽象图8为关节控制器软件流程图；图9为ID识别流程图。具体实施例方式下面结合附图和实例对本专利技术提出的一种模块化嵌入式机器人控制器作进一步详细的说明。本专利技术中的模块化嵌入式机器人能够实现类似于普通步行机器人的步行运动，而且能够通过向机器人平台添加新的模块为机器人提供扩展功能。因此该控制器需要实现两方面的功能(1)控制机器人完成诸如步行、转向等基本动作；(2)支持模块化的功能，即为机器人的扩展模块提供标准、便利的接口，实现“即插即用”功能。为了实现模块化的功能，需要具体实现(1)将控制系统划分为不同的逻辑层级，(2)在每一逻辑层中实现一类功能，(3)在逻辑层之间使用标准接口进行交互。在实现了具有模块化特征的控制系统后，通过分析机器人运动控制策略，可以将机器人的运动控制进行细分，并将其按照功能的不同划分入控制系统逻辑层中。如图1所示，具体逻辑层包括场景规划层，单机规划层，单元模块层和设备实现层。场景规划层通过识别机器人所处环境，对机器人进行路径规划，并对机器人进行正逆运动学计算。场景规划层主要对机器人所在环境进行识别，并根据环境决定机器人的下一步动作，在物理实现上为步态生成器。单机规划层主要对多个关节控制器进行协调控制，并对机身总线和关节总线进行操作，对应于物理实现上的机身控制器。单元模块层主要负责各个模块间的通信，处理CAN_Bus数据，在物理实现上为多个关节控制器。设备实现层负责执行命令，具体为驱动执行器电动机按指定运动参数运动，在物理实现上为电机控制电路、执行机构和传感器。如图2所示，根据上述思路，本专利技术中的模块化嵌入式多足机器人运动控制器包括PC模块1、机身控制模块2和若干个足单元控制模块3。PC模块1用于识别机器人所处环境，根据高级算法确定机器人的下一步动作并将数据传送给机身控制模块2。机身控制模块2用于将该数据处理成为具体运动数据，再将数据通过机身总线分发到各足单元控制模块3。一、PC模块1PC模块1位于PC机内，它对应于分层控制逻辑层中的场景规划层，其软件模块包括操作软件模块11和第一通信模块12。操作软件模块11用于实现环境识别、路径规划和步态规划功能。如图3所示，操作软件模块11的工作流程为(1)获取工作任务进行任务规划，生成子任务序列。并获取子任务优先级及子任务信息。(2)根据各子任务的优先级调处优先级最高的子任务作为当前任务。(3)调入子任务信息，进行处理生成运动指令序列，将该序列传送给第一通信模块12后，继续调用下一个子任务，直到完成所有的运动任务。(4)当所有任务完成后根据机身控制模块的反馈数据总结决策经验，并更新决策库。操作软件模块11将计算出的数据传送给第一通信模块12，第一通信模块12具有处理机身总线数据的功能，将机身控制模块2与PC模块1连接起来。机身控制模块2与PC模块1通过USB总线连接。二、机身控制模块2机身控制模块2对应于分层控制逻辑层中的单机规划层。机身控制模块2的功能如下1)在离线运动时进行生成步态，并协调控制多个关节控制器完成运动。2)在与PC联调时存储转发PC上层软件生成的运动数据，并协调各个关节控制器的运行。机身控制模块2由第二PC通信模块21、状态显示模块22和机身控制器23组成。第二PC通信模块21与PC模块1中的第一通信模块12通信，并将数据传送给机身控制器23。机身控制器23对数据进行处理后再将处理后的数据转发到各足单元控制器。机身控制器23的状态通过状态显示模块22显示出来方便调试以及错误诊断。如图4所示，机身控制器23包括USB_Bus控制模块231、传感器模块接口232、串口通信模块233、ARM微处理器234和CAN_Bus驱动模块235。机身控制器23采本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种模块化嵌入式多足机器人运动控制器，其特征在于：该控制器包括ＰＣ模块（１）、机身控制模块（２）和分别位于各条足上的足单元控制模块（３）；其中，ＰＣ模块（１）包括操作软件模块（１１）和第一通信模块（１２），操作软件模块（１１）用于实 现环境识别、路径规划和步态规划功能，并将计算出的数据传送给第一通信模块（１２）；第一通信模块（１２）具有处理机身总线数据的功能，将机身控制模块（２）与ＰＣ模块（１）通过ＵＳＢ总线连接；机身控制模块（２）包括第二ＰＣ通信模块（２１）、 状态显示模块（２２）和机身控制器（２３）；第二ＰＣ通信模块（２１）用于与第一通信模块（１２）通信，并将数据传送给机身控制器（２３）；机身控制器（２３）采用ＡＲＭ处理器对数据进行处理后再将处理后的数据转发到各足单元控制器，机身控制器（２３）的状态通过状态显示模块（２２）予以显示；足单元控制模块（３）包括足单元控制器（３０）、髋关节控制模块（３１）、膝关节控制模块（３２）、踝关节控制模块（３３）和传感器模块（３４）；足单元控制器（３０）用于协调控制一条足内的三个关节的协调 运动，并向机身控制模块（２）反馈整条足的运动状态；髋关节控制模块（３１）、膝关节控制模块（３２）、踝关节控制模块（３３）结构相同，均由关节控制器和足关节电机构成；关节控制器根据机身控制模块（２）通过ＣＡＮ＿Ｂｕｓ传送的运动数据，采用单片机控制足关节电机进行预定的运动，通过足关节传动链将运动传递到关节机构本体，各关节的协调运动形成机器人的整体运动，再通过传感器模块（３４）将关节的运动状态进行反馈，实现闭环控制。...
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：陈学东，蒲华燕，孙翊，贾文川，曾理湛，何学明，赵军，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：83[中国|武汉]
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