專利名稱：擬人機(jī)器人控制系統(tǒng)的制作方法
擬人機(jī)器人控制系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明屬于機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域，具體地說(shuō)，涉及一種擬人機(jī)器人控制系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
擬人形機(jī)器人，簡(jiǎn)稱擬人機(jī)器人，其“擬人”的本質(zhì)在于此類高級(jí)機(jī)器人具有類人的感知、決策、行為和交互能力，即它不僅需要具有類人的形體和外觀、類人的知覺(jué)和感官功能、類人的大腦思維與控制能力，更需要具備類人的行為特征，這一特征的基本體現(xiàn)為類人雙足運(yùn)動(dòng)平衡與控制能力的實(shí)現(xiàn)。
與其他工業(yè)和特種移動(dòng)機(jī)器人(輪式、履帶式、多足式等)相比，擬人機(jī)器人在移動(dòng)過(guò)程中與地面的接觸為雙足在相對(duì)狹小空間內(nèi)的一系列可選擇離散支撐點(diǎn)，因而擬人步行機(jī)器人具有高度的適應(yīng)性與靈活性，它既能在平地上行走，也能在凹凸不平、狹窄空間、臺(tái)階和斜坡以及空間障礙等復(fù)雜非結(jié)構(gòu)化環(huán)境中實(shí)現(xiàn)各種形式的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)作。
擬人機(jī)器人是類人仿生運(yùn)動(dòng)與智能在形式與功能上同一的仿生機(jī)電自動(dòng)化系統(tǒng)再創(chuàng)造。其發(fā)展過(guò)程中面臨著許多難題:實(shí)現(xiàn)各種類人動(dòng)作與功能的多樣性；人類社會(huì)環(huán)境在空間、時(shí)間和對(duì)象上的高維性；自身機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)在空間上的自由度邊拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)特點(diǎn)；行走與動(dòng)作控制的多輸入多輸出非線性、變參數(shù)、多驅(qū)動(dòng)協(xié)調(diào)特性等。
目前，擬人機(jī)器人的控制系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)較為簡(jiǎn)單、功能模塊選型較為單一、系統(tǒng)功耗較高、擴(kuò)展性不足、控制系統(tǒng)升級(jí)較為困難、開(kāi)發(fā)成本較高，并沒(méi)有體現(xiàn)出擬人機(jī)器人控制的靈活性和開(kāi)放性，增加了擬人機(jī)器人研究和控制的復(fù)雜性。發(fā)明內(nèi)容
為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提出了一種結(jié)構(gòu)布局合理，系統(tǒng)功耗低，集控制、傳感、通信于一體的擬人機(jī)器人控制系統(tǒng)。
本發(fā)明的技術(shù)方案是:一種擬人機(jī)器人控制系統(tǒng)，該控制系統(tǒng)為集散式控制系統(tǒng)，包括通過(guò)藍(lán)牙模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)無(wú)線通信的上位機(jī)和下位機(jī)、通過(guò)通信電路連接的關(guān)節(jié)自由度控制器，其中所述上位機(jī)主要由以SBC_FITPC2i為核心的單板電腦構(gòu)成，所述下位機(jī)主要由以STM32F103RB芯片為核心的ARM7控制器構(gòu)成；所述關(guān)節(jié)自由度控制器為數(shù)字舵機(jī)。
所述藍(lán)牙模塊與所述下位機(jī)的ARM控制器連接。
所述上位機(jī)還包括USB接口、串行COM 口和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。
所述下位機(jī)還包括分別與所述ARM控制器連接的穩(wěn)壓電路、復(fù)位電路、姿態(tài)傳感器、LED報(bào)警燈、蜂鳴器、功能按鍵、無(wú)線通信控制電路、電源切換電路、USB轉(zhuǎn)UART電路、電壓檢測(cè)電路、JTAG和ISP下載電路、預(yù)留串口和其他標(biāo)準(zhǔn)接口。
所述下位機(jī)還包括數(shù)字舵機(jī)電源控制電路，數(shù)字舵機(jī)通信電路和數(shù)字舵機(jī)儲(chǔ)能電路。
本發(fā)明的有益效果在于:本發(fā)明功能設(shè)計(jì)齊全，功能模塊選型新穎實(shí)用，結(jié)構(gòu)布局合理，系統(tǒng)功耗低，控制系統(tǒng)升級(jí)較容易，升級(jí)成本低，集控制、傳感、通信于一體，可用于機(jī)器人系統(tǒng)的進(jìn)一步移植和開(kāi)發(fā)，減少再次開(kāi)發(fā)的費(fèi)用。本控制系統(tǒng)不僅可以用于擬人機(jī)器人控制系統(tǒng)的研發(fā)，還可以作為多足機(jī)器人、仿生蛇形機(jī)器人、競(jìng)賽舞蹈機(jī)器人等多種機(jī)器人的控制平臺(tái)進(jìn)行開(kāi)發(fā)和使用，具有很高的教學(xué)和競(jìng)賽價(jià)值。


圖1是本發(fā)明的整體結(jié)構(gòu)示意圖2是本發(fā)明中下位機(jī)硬件的原理框圖3是本發(fā)明的控制流程圖。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖和實(shí)施例具體說(shuō)明本發(fā)明。
實(shí)施例1
如圖1和圖3所示，本發(fā)明是一種基于SBC_FITPC2i的單板電腦與ARM控制器的擬人機(jī)器人控制系統(tǒng)，本系統(tǒng)由上位機(jī)和下位機(jī)組成，上位機(jī)由以SBC-FITPC2i為核心的單板電腦構(gòu)成(由功能需求不同可自由選擇安裝連接)，下位機(jī)由以STM32F103RBT為核心的ARM控制器構(gòu)成，本系統(tǒng)中，ARM控制器為擬人機(jī)器人關(guān)節(jié)控制器，上位機(jī)和下位機(jī)之間通過(guò)藍(lán)牙模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的無(wú)線通信，并通過(guò)藍(lán)牙來(lái)接收、發(fā)送信息，降低了通信的復(fù)雜性，同時(shí)也降低了成本；藍(lán)牙模塊與下位機(jī)接口處還設(shè)計(jì)了開(kāi)關(guān)電路，用戶可根據(jù)需求開(kāi)啟無(wú)線通信模塊，這樣降低了系統(tǒng)的功耗。下位機(jī)還連接有外部姿態(tài)傳感器，并從姿態(tài)傳感器實(shí)時(shí)獲取機(jī)器人的姿態(tài)信息，如:三軸角速度、三軸線加速度、三維姿態(tài)角等，結(jié)合相應(yīng)的控制算法對(duì)機(jī)器人的姿態(tài)進(jìn)行控制，更好的完成機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制指令。另外，本系統(tǒng)預(yù)留了其他GPIO 口和標(biāo)準(zhǔn)總線接口，用戶可根據(jù)需求自行配置其他類型傳感器和功能模塊進(jìn)行機(jī)器人的研究和開(kāi)發(fā)。
如圖1所示，本發(fā)明中，采用了一種新型數(shù)字舵機(jī)作為機(jī)器人關(guān)節(jié)自由度控制器，與傳統(tǒng)擬人機(jī)器人采用電機(jī)、減速器、光電編碼器聯(lián)合作為機(jī)器人關(guān)節(jié)控制器相比，該數(shù)字舵機(jī)具有較大的齒輪比，較高的分辨率(0.29 )，強(qiáng)大的輸出轉(zhuǎn)矩，高速的通信速率，標(biāo)準(zhǔn)的半雙工異步通信協(xié)議，同時(shí)舵機(jī)內(nèi)置電位計(jì)，溫度傳感器等一系列傳感器，能夠反饋舵機(jī)的位置、溫度、負(fù)載大小、輸入電壓等信息，下位機(jī)能夠根據(jù)數(shù)字舵機(jī)實(shí)時(shí)反饋的狀態(tài)信息更好地控制舵機(jī)完成機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制。
如圖1所示，本發(fā)明中，數(shù)字舵機(jī)通信電路將UART信號(hào)傳輸方式轉(zhuǎn)換為半雙工傳輸方式，利用多降法使得下位機(jī)能夠在單一節(jié)點(diǎn)連接控制多個(gè)數(shù)字舵機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)器人多自由度控制，具體實(shí)現(xiàn)如圖1所示，該機(jī)器人控制系統(tǒng)通過(guò)數(shù)字舵機(jī)接口電路連接5組數(shù)字舵機(jī)，5組數(shù)字舵機(jī)分別代表擬人機(jī)器人的左肢(I組)、右肢(2組)、左臂(3組)、右臂(4組)、頭頸(5組)的關(guān)節(jié)控制器，這5組數(shù)字舵機(jī)全部連接到同一條總線進(jìn)行通信，通信協(xié)議為半雙工異步通信(8位數(shù)據(jù)，I位停止，無(wú)校驗(yàn))。數(shù)字舵機(jī)通信電路輸出電平為TTL電平，TTL電平保證了數(shù)字舵機(jī)高速的通信速率。數(shù)字舵機(jī)通信電路附近設(shè)計(jì)了數(shù)字舵機(jī)通信防干擾電路，下位機(jī)收發(fā)的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)數(shù)字舵機(jī)通信防干擾電路的保護(hù)，大大提高了通信的準(zhǔn)確性。另外，在舵機(jī)接口電路附近設(shè)計(jì)了舵機(jī)供電儲(chǔ)能電路。由于擬人機(jī)器人關(guān)節(jié)自由度較多，在對(duì)擬人機(jī)器人進(jìn)行快速?gòu)?fù)雜運(yùn)動(dòng)控制時(shí)，可能由于擬人機(jī)器人驅(qū)動(dòng)負(fù)載過(guò)大，導(dǎo)致數(shù)字舵機(jī)兩端壓降較大，使得數(shù)字舵機(jī)工作性能不穩(wěn)定，通過(guò)設(shè)計(jì)舵機(jī)儲(chǔ)能電路，利用大容量電解電容的放電特性，彌補(bǔ)數(shù)字舵機(jī)兩端的壓降，使得舵機(jī)工作狀態(tài)趨于穩(wěn)定，保證控制系統(tǒng)對(duì)數(shù)字舵機(jī)的控制精度。
如圖2所示，下位機(jī)以STM32F103RBT為核心并集成了擬人機(jī)器人控制系統(tǒng)所必須的豐富的外圍資源，包括:電壓檢測(cè)電路，USB轉(zhuǎn)UART電路，無(wú)線通信電路，JTAG和ISP下載電路，舵機(jī)電源控制電路、報(bào)警電路，穩(wěn)壓電路，電源切換電路，復(fù)位電路等。下位機(jī)通過(guò)舵機(jī)通信控制電路和舵機(jī)接口電路與數(shù)字舵機(jī)相連，下位機(jī)ARM控制器將接收到的舵機(jī)控制命令和控制參數(shù)，按照舵機(jī)通訊協(xié)議的格式轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的指令包由舵機(jī)通信控制電路傳輸?shù)綌?shù)字舵機(jī)，用于數(shù)字舵機(jī)的控制；舵機(jī)接收到指令包后會(huì)自動(dòng)返回一個(gè)包含舵機(jī)錯(cuò)誤信息的狀態(tài)包，用于反饋舵機(jī)的實(shí)時(shí)狀態(tài)。此外，下位機(jī)可隨時(shí)發(fā)送指令查詢數(shù)字舵機(jī)當(dāng)前狀態(tài)信息，如:位置、速度、溫度、負(fù)載、輸入電壓等，提高了下位機(jī)對(duì)數(shù)字舵機(jī)控制的準(zhǔn)確性和可靠性。上位機(jī)發(fā)出的機(jī)器人控制命令，經(jīng)藍(lán)牙模塊的無(wú)線傳輸，由下位機(jī)上的藍(lán)牙從機(jī)模塊接收，通過(guò)UART2 (串口 2)傳輸至MCU (從控制器)，MCU獲取機(jī)器人控制命令后，結(jié)合相應(yīng)的控制算法以及傳感器的姿態(tài)信息對(duì)控制命令進(jìn)行相應(yīng)解析和處理后，由UARTl (串口I)傳輸至舵機(jī)通信電路，經(jīng)過(guò)舵機(jī)通信電路的電平轉(zhuǎn)換，再傳輸?shù)綌?shù)字舵機(jī)通信總線，數(shù)字舵機(jī)接收到控制命令后執(zhí)行相應(yīng)的機(jī)器人動(dòng)作。另外，上位機(jī)可以隨時(shí)發(fā)送查看機(jī)器人當(dāng)前運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，具體操作與上述過(guò)程類似。
本發(fā)明在無(wú)線通信中采用藍(lán)牙技術(shù)，藍(lán)牙技術(shù)較其他無(wú)線通信方式具有功耗低，成本低，通訊可靠的特點(diǎn)，藍(lán)牙模塊可與帶有藍(lán)牙適配器的上位機(jī)進(jìn)行配對(duì)通信。
本發(fā)明在程序下載方面提供兩種下載方式，JTAG和ISP下載，方便用戶根據(jù)資源和需求選擇下載方式。
本發(fā)明在設(shè)計(jì)上還預(yù)留了串行接口及其他標(biāo)準(zhǔn)總線接口，用戶可根據(jù)需求和現(xiàn)有資源進(jìn)行自行開(kāi)發(fā)。
雖然本發(fā)明是一種應(yīng)用于擬人機(jī)器人的控制系統(tǒng)，但該控制系統(tǒng)不僅適用于擬人機(jī)器人，還可應(yīng)用于多足機(jī)器人、仿生蛇形機(jī)器人、競(jìng)賽舞蹈機(jī)器人等多種機(jī)器人控制系統(tǒng)，二次開(kāi)發(fā)容易，成本低，可移植性好。
實(shí)施例2
除以下區(qū)別外，其他同實(shí)施例1。
如圖2所示，本發(fā)明還設(shè)計(jì)了 一個(gè)傳感器接口電路，可與串口收發(fā)模式的姿態(tài)傳感器進(jìn)行硬件連接，下位機(jī)可以實(shí)時(shí)獲取來(lái)自姿態(tài)傳感器的數(shù)據(jù)信息，如:三軸角速度、三軸線加速度、三維姿態(tài)角等，根據(jù)獲取的數(shù)據(jù)信息對(duì)機(jī)器人姿態(tài)進(jìn)行分析，結(jié)合相應(yīng)的控制算法對(duì)機(jī)器人的姿態(tài)進(jìn)行控制，更好的完成機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制指令。
實(shí)施例3
除以下區(qū)別外，其他同實(shí)施例1。
如圖2所示，本發(fā)明還設(shè)計(jì)了一個(gè)電源切換電路。由于擬人機(jī)器人關(guān)節(jié)自由度較多，驅(qū)動(dòng)負(fù)載較大，進(jìn)行調(diào)試和開(kāi)發(fā)時(shí)，如果僅用鋰電池供電，鋰電池的電量很快就耗盡，這就需要反復(fù)拆裝鋰電池進(jìn)行充電，不利于機(jī)器人的調(diào)試和開(kāi)發(fā)。通過(guò)電源切換電路，機(jī)器人控制系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)鋰電池和適配器切換供電，當(dāng)只接入鋰電池時(shí)，由鋰電池對(duì)機(jī)器人供電，擬人機(jī)器人完成一系列完整動(dòng)作；當(dāng)只接入適配器時(shí)，由適配器對(duì)機(jī)器人供電，擬人機(jī)器人完成一系列上位機(jī)調(diào)試及數(shù)據(jù)處理的工作；當(dāng)同時(shí)接入適配器和鋰電池時(shí)，電源切換電路可自動(dòng)選擇適配器為控制系統(tǒng)供電，同時(shí)適配器可以給鋰電池充電，這樣用戶可以根據(jù)需求選擇供電方式，大大提高了控制系統(tǒng)的可操作性。
實(shí)施例4
除以下區(qū)別外，其他同實(shí)施例1。
如圖2所示，本發(fā)明還設(shè)計(jì)了電壓檢測(cè)電路對(duì)電源電壓進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，當(dāng)檢測(cè)到電源電量不足時(shí)，會(huì)觸發(fā)報(bào)警信號(hào)，提醒操作者更換電源或?qū)﹄娫催M(jìn)行充電，保證機(jī)器人正常工作以免損壞。
實(shí)施例5
除以下區(qū)別外，其他同實(shí)施例1。
如圖2所示，本發(fā)明還設(shè)計(jì)了數(shù)字舵機(jī)電源控制電路和多種報(bào)警電路，當(dāng)下位機(jī)檢測(cè)到數(shù)字舵機(jī)反饋的輸入電壓超過(guò)設(shè)定的限制值時(shí)，由軟件控制數(shù)字舵機(jī)電源控制電路切斷數(shù)字舵機(jī)的供電從而保護(hù)機(jī)器人。多種報(bào)警電路包括蜂鳴器報(bào)警、LED報(bào)警、復(fù)位電路，下位機(jī)可根據(jù)機(jī)器人出現(xiàn)不同程度的錯(cuò)誤做出相應(yīng)的報(bào)警處理。
實(shí)施例6
除以下區(qū)別外，其他同實(shí)施例1。
如圖2所示，本發(fā)明還設(shè)計(jì)了 USB轉(zhuǎn)UART電路，為上位機(jī)提供了一個(gè)串口，可以實(shí)現(xiàn)下位機(jī)與上位機(jī)之間的通信。
權(quán)利要求
1.一種擬人機(jī)器人控制系統(tǒng)，其特征在于，該控制系統(tǒng)為集散式控制系統(tǒng)，包括通過(guò)藍(lán)牙模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)無(wú)線通信的上位機(jī)和下位機(jī)、通過(guò)通信電路連接的關(guān)節(jié)自由度控制器，其中所述上位機(jī)主要由以SBC-FITPC2i為核心的單板電腦構(gòu)成，所述下位機(jī)主要由以STM32F103RB芯片為核心的ARM7控制器構(gòu)成；所述關(guān)節(jié)自由度控制器為數(shù)字舵機(jī)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的擬人機(jī)器人控制系統(tǒng)，其特征在于，所述藍(lán)牙模塊與所述下位機(jī)的ARM控制器連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的擬人機(jī)器人控制系統(tǒng)，其特征在于，所述上位機(jī)還包括USB接口、串行COM 口和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的擬人機(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ARM控制器連接的穩(wěn)壓電路、復(fù)位電路、姿態(tài)傳感器、LED報(bào)警燈、蜂鳴器、功能按鍵和無(wú)線通信控制電路。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的擬人機(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ARM控制器連接的電源切換電路。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的擬人機(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ARM控制器連接的USB轉(zhuǎn)UART電路。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的擬人機(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ARM控制器連接的電壓檢測(cè)電路。
8.根據(jù)權(quán)利要求4所述的擬人機(jī)器人控制系統(tǒng)，其特征在于，所述下位機(jī)還包括數(shù)字舵機(jī)電源控制電路，數(shù)字舵機(jī)通信電路和數(shù)字舵機(jī)儲(chǔ)能電路。
9.根據(jù)權(quán)利要求4所述的擬人機(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ARM控制器連接的JTAG和ISP下載電路。
10.根據(jù)權(quán)利要求4所述的擬人機(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ARM控制器連接的預(yù)留串口和其他標(biāo)準(zhǔn)接口。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種擬人機(jī)器人控制系統(tǒng)，該控制系統(tǒng)為集散式控制系統(tǒng)，包括通過(guò)藍(lán)牙模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)無(wú)線通信的上位機(jī)和下位機(jī)、通過(guò)通信電路連接的關(guān)節(jié)自由度控制器，其中所述上位機(jī)主要由以SBC-FITPC2i為核心的單板電腦構(gòu)成，所述下位機(jī)主要由以STM32F103RB芯片為核心的ARM7控制器構(gòu)成；所述關(guān)節(jié)自由度控制器為數(shù)字舵機(jī)。所述藍(lán)牙模塊與所述下位機(jī)的ARM控制器連接。本發(fā)明功能設(shè)計(jì)齊全，結(jié)構(gòu)布局合理，系統(tǒng)功耗低，集控制、傳感、通信于一體，控制系統(tǒng)升級(jí)成本低，可用于機(jī)器人系統(tǒng)的進(jìn)一步移植和開(kāi)發(fā)，減少再次開(kāi)發(fā)的費(fèi)用。
文檔編號(hào)B25J9/16GK103192390SQ20131012948
公開(kāi)日2013年7月10日 申請(qǐng)日期2013年4月15日 優(yōu)先權(quán)日2013年4月15日
發(fā)明者張磊, 仇哲, 李元, 黎明, 張聲遠(yuǎn), 馮曉凱 申請(qǐng)人:青島海藝自動(dòng)化技術(shù)有限公司, 中國(guó)海洋大學(xué)