[发明专利]一种智能移动机械臂控制系统

说明书

技术领域

本发明属于机器人控制技术领域，具体涉及一种智能移动机械臂控制系统。

背景技术

智能移动机械手能够通过传感器感知环境和自身状态，实现在有障碍物的环境中面向目标的自主导航，并完成一定智能化的操作行为。这就要求移动机械手在复杂环境下具有一定的自学习、自规划、自操作、自组织和自适应能力。由于智能移动机械手具有自主或半自主移动和一定的智能操作能力，可以将智能移动机械手视为具有搬运或运输机器人、护理机器人、排险机器人、助人机器人等服务机器人的原型。开发出层次明确、结构开放、可以实现智能自主操作、且具有远程操作及监控能力、运动实时规划能力、能够实现移动机械臂及机械臂精确控制的控制系统是一个重要的研究内容。

层次性：移动机械臂的运动规划中，移动本体的导航、定位及机械臂的各个关节自由度的控制需要大量的数学运算及信息处理，如图像处理、激光传感器信息、坐标变换、正逆运动学求解等，这一系列的运算和信息处理均需要采用高速的处理器才能满足移动机械臂的实时控制要求。而采用传感器信息处理、移动本体的运动控制系统、机械臂的运动控制系统完全由一台计算机来处理的方法，极大的加重了计算机的负荷，很难保证移动机械臂对外界环境信息的快速反应和实时处理。

结构开放：不同的应用场合需要不同的移动机械臂，有些功能需要进行添加或者减少，满足系统结构开放的要求。现今广泛采用的方法是将机械臂的控制部分直接集成到移动本体上，在设计之初，便把机械臂的数目、传感器的种类和数目确定，这样在使用的过程中，很难适应在不同的场合，对系统的改造的灵活性差。

远程操作：智能移动机械臂的智能程度依靠于安装在本体上的各类传感器信息，但是其智能水平还是仍然有限，必要时候还须进行人为的干预和操作。现今广泛使用的Internet和无线网络技术在对移动机械臂的操作上体现出很大的优势。

分布式：智能移动机械臂上可以搭载不同自由度的机械臂，采用集中式的结构对机械臂单元模块的造成了困难。

发明内容

本发明针对现有技术的各种不足，提供了一种结构简单、响应速度快、可扩展性强、可远程操作、具有实时运动规划能力、能够实现机器人关节精确控制的分布式多自由度智能移动机械臂控制系统。该控制系统可用于搬运或运输机器人、护理机器人、排险机器人、助人机器人等服务机器人。

为了实现上述目的，本发明采用控制器、总线和子模块的方式，组成“计算机系统、子系统和模块”与“区域控制器、子系统与模块”两种三级分布式控制系统。其具体技术方案是：

本发明包括便携式计算机、嵌入式工控计算机、激光传感器、全球定位系统、三维数字罗盘、图像采集卡、云台摄像头、无线摄像机、网络交换机、无线访问节点(无线AP)、USB/CAN总线、自主导航小车控制器、陀螺仪、超声波传感器、碰撞开关、左右轮电机伺服驱动器、左右轮电机、手臂区域控制器、示教控制器、手臂关节模块。

便携式计算机与嵌入式工控计算机信号连接，嵌入式工控计算机的网络端口RJ45与网络交换机的第一网络端口RJ45连接，网络交换机与无线访问节点信号连接，外界计算机或者手持电子设备通过无线访问节点对嵌入式工控计算机进行操作；激光传感器、全球定位系统和三维数字罗盘通过RS232接口分别与嵌入式工控计算机连接。设置在移动机械臂移动平台上的云台摄像头将获取的道路信号通过图像采集卡传输至嵌入式工控计算机。设置在机械臂末端手臂关节模块上的无线摄像机直接和嵌入式工控计算机进行通讯。嵌入式工控计算机和CAN-bus之间通讯通过USB/CAN总线完成。

自主导航小车控制器、手臂区域控制器、手臂关节模块分别与USB/CAN总线信号连接，自主导航小车控制器通过脉宽调制(PWM)或者模拟量控制左右轮电机伺服驱动器，左右轮电机驱动移动机械臂平台上的左右轮运动。超声波传感器和碰撞开关分别与自主导航小车控制器信号连接。陀螺仪通过RS232接口和自主导航小车控制器进行通讯，对机器人的位置进行校正。移动机械臂平台上的手臂关节模块的每个模块控制器通过CAN-bus分别与嵌入式工控计算机和手臂区域控制器通讯，手臂区域控制器通过RS232接口与示教控制器信号连接，示教控制器对手臂关节模块的动作进行示教。手臂区域控制器同时通过网络端口RJ45与网络交换机的第二网络端口RJ45通讯。