[发明专利]一种机器人关节冗余控制系统及控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及伺服控制系统领域，具体涉及一种机器人关节冗余控制系统及控制方法。

背景技术

随着我国对空间探索投入的增加，越来越多的机电设备将投入到太空运行，空间机器人作为其中一个典型代表，已经成为一个热点研究领域。在太空中由于失去了地球大气层的保护，空间机器人等机电设备必须面对剧烈的高低温变化和强烈的太空辐射。另外，空间机器人等机电设备存在不可修复或修复成本太高的弱点，在设计过程中需要特别注意提高系统可靠性和容错能力。

目前空间机器人关节控制系统一般是通过冗余备份系统来提高系统的可靠性的。主份系统和备份系统设计有相同的电源系统、传感系统、控制系统和驱动系统。目前，一般将机器人关节控制系统设计成冷备份，当主份系统工作时备份系统处于掉电状态，或当备份系统工作时主份系统处于掉电状态。为了防止掉电系统对工作系统带来串电等影响，将主份系统和备份系统设计成完全独立的两套系统，通过上层控制系统来判断主份系统或备份系统运行。

虽然主份系统和备份系统完全独立的结构具有较高的可靠性，但是当主份系统和备份系统发生不重叠的故障时，由于主份系统和备份系统不能共享状态良好的资源，关节控制系统将失效。这样资源没有得到充分利用，机械臂关节控制系统的整体可靠性设计没有做到最大化。

发明内容

为了解决现有冷备份机器人关节控制系统无法实现对主份系统和备份系统进行资源重新配置的缺陷，本发明提供了一种机器人关节冗余控制系统及控制方法。

本发明的一种机器人关节冗余控制系统，它包括主份控制单元和备份控制单元，所述主份控制单元和备份控制单元结构相同，所述主份控制单元的地线和备份控制单元的地线均与所述控制系统回线连接，所述主份控制单元和备份控制单元通过信号线相连接，

所述主份控制单元包括电源模块、负载电路组、控制器和信息交换控制模块，

所述电源模块，用于提供电源给控制器，还用于在接收到来自控制器的电源控制信号后开通或关闭输出至负载电路组的电源，

所述负载电路组，用于在电源模块的电源控制下开始工作，并执行控制器传来的控制命令，还用于向控制器反馈关节的状态信息，

所述控制器，用于在上电后在输入的关节上级控制器工作命令下输出电源控制信号至电源模块，还用于输出使能信号至信息交换控制模块，同时输出控制命令给负载电路组，并将所述负载电路组反馈回来的关节的状态信息传递至信息交换控制模块，

所述信息交换控制模块与备份控制单元中的控制模块相连接，用于实现主份控制单元与备份控制单元进行信号线的连接，所述信息交换控制模块具有连通工作状态和高阻状态，如果主份控制单元中控制器与备份控制单元中控制器之间进行信息交换，控制器输出使能信号控制信息交换控制模块处于连通状态，以完成所述主份控制单元与备份控制单元之间的信息交换；否则控制器输出使能信号控制信息交换控制模块处于高阻状态。

本发明的一种机器人关节冗余控制方法，它是基于上述控制系统实现的，所述控制方法的控制过程为：

当主份控制单元和备份控制单元都正常时或只有一个正常时，

由关节上级控制器控制一个正常的控制单元进入上电状态，同时，另外一个控制单元处于掉电状态，此时处于上电状态的控制单元中的控制器输出使能信号控制三态数据缓冲器处于高阻态，实现控制系统正常工作；

当主份控制单元中负载电路组和备份控制单元中负载电路组都出现故障，且主份控制单元中负载电路组中负载电路的故障和备份控制单元中负载电路组中负载电路的故障不重叠时，关节上级控制器控制主份控制单元和备份控制单元同时上电，此时，主份控制单元中的控制器输出关节状态信息，同时备份控制单元中的控制器输出关节状态信息，使得主份控制单元中的控制模块与备份控制单元中的控制模块之间的数据连接通道信号线接通，进行信息交换，实现各控制单元中负载电路的资源重组，完成控制系统正常工作。