[发明专利]分布式仿人机器人通用控制系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种分布式仿人机器人通用控制系统，实现仿人机器人控制系统模块的标准化和通用化，涉及机器人、计算机工程、人机接口技术等领域。

背景技术

近年来，仿人机器人已成为机器人领域研究的热点。仿人机器人具有其他类型机器人无法比拟的优势，便于融入人类日常生活和工作环境中，协助人类完成具体的任务。然而仿人机器人作为一个复杂的具有30多个自由度的系统，需要有效利用自身多传感信息来感知外界环境及自身状态变化，并对其运动执行机构进行调整，因此要求其控制系统需要有很高的可靠性和实时性。

以往采用的集中式控制系统，控制功能高度集中，具有较快的数据传输速度和精度，但局部的故障就可能造成系统的整体失效。因此，韩国的KHR-2、美国的Guroo等先进系统都是采用了基于CAN(Controller Area Network)总线的分布式的体系结构，该结构可以简化机器人控制系统的布线，提高了系统的可扩展性。

早先的机器人控制系统的设计中，较多使用的是Windows、DOS等分时操作系统。这种操作系统追求系统整体平均性能的优化，操作界面友好，系统成熟，便于开发调试；但却无法保证特定的任务在限定的时间内得到响应，不能满足高实时性的要求，从而无法保证多关节的实时协调运动。因此，对于仿人机器人的稳定行走，实时操作系统是不可或缺的。目前许多机器人都采用实时操作系统进行运动控制，如日本的ASIMO、德国的Johnnie等。然而实时操作系统对于机器人多媒体性能支持较差，编程繁琐及用户界面不友好，因此增加了仿人机器人系统整体调试的难度。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足以及仿人机器人自身的特点，提出一种分布式仿人机器人通用控制系统，可以独立于仿人机器人平台，各功能模块标准化通用化，提高系统可靠性、稳定性、实时性，实现整体性能的优化。

为实现上述目的，本发明设计的分布式仿人机器人通用控制系统采用双主机的控制结构作为相应的主控层方案，并使用智能体作为基本的协调执行层控制单元，主控层与协调执行层之间的信息传输通过通信层实现。双主机的主控层结构中，基于Windows系统的主机主要负责仿人机器人的调试和多媒体信息的处理，基于实时系统的主机负责仿人机器人实时运动控制。每个智能体具有自己的光电信号处理器、关节控制器和关节驱动电路。每个智能体都具有一定的自主性，不仅可以将相应传感器的数据转换为机器人的实际状态，而且可以直接对机器人的一些异常情况进行处理，以提高系统处理突发事件的实时性。

本发明的仿人机器人通用控制系统的核心是三个相互独立的子系统：主控层、协调执行层和通信层。

本发明的主控层负责产生机器人关节运动序列，协调各个关节完成指定的动作，接收协调执行层发出的反馈信号并进行相应处理。主控层由两台主控计算机组成，一台工作于实时系统下，完成机器人的步态规划与行走控制；另一台工作于Windows系统下，进行机器人关节电机的调试、电机发送信号的检查、传感信息的获得以及用于例外情况的紧急处理。

本发明的协调执行层由若干个独立的智能体构成，负责仿人机器人关节伺服控制。每个智能体由1个关节控制器、若干个关节驱动电路和相应的光电信号处理器构成；关节控制器向驱动电路发送信号，再由驱动电路控制电机运动，光电信号处理器接收光电编码器信号，再将光电编码器信号传回关节控制器。基于智能体的分层控制系统通过充分发挥智能体的智能性来提高仿人机器人控制系统的稳定性和实时性。

本发明所述通信层主要负责主控层和协调执行层之间信息的传输交换，为了实现实时性的要求，采用了双总线分布式的控制方法，详见上海交通大学申请的“仿人机器人分布式双总线运动控制系统”专利(专利申请号：200810038844.X)。主控计算机将控制指令封装为CAN数据包后，通过CAN接口卡将CAN数据包放入通信层，然后通过CAN总线传送至协调执行层的各个智能体，由智能体增加进行数据的接收与处理，并对电机进行控制；同时智能体将接收到的光电编码器信号封装为CAN数据包后再通过CAN总线传回主控计算机。