[发明专利]模块化机器人分散控制方法及系统

权利要求书

1.一种模块化机器人分散控制方法，其特征在于：包括以下步骤，

S1、上位机根据用户需求，结合关节注册表中显示的可用智能关节信息，排除包含故障智能关节的构型，进而由构型库推荐构型；采用遗传算法优化构型，最终确定一种符合设定要求的可用构型；

S2、在确定构型的基础上，在3D虚拟仿真界面按任务需要进行运动轨迹规划，待轨迹规划完成无误后自动生成发送给智能关节的位置指令执行代码；将代码通过Ether CAT通讯总线分发给智能关节；

S3、智能关节接收上位机的位置指令代码，综合该智能关节的自身信息，基于机器人动力学分散式控制结构进行关节位置跟踪控制，智能关节的中空电机工作在力矩模式下，通过关节复合控制算法调整电机力矩值使得关节实时跟踪上位机位置指令；

S4、将关节运动量q通过Ether CAT总线反馈给上位机，上位机根据智能关节运动情况，进行整体运动规划调整，进而实现机器人整体运动控制。

2.根据权利要求1所述的一种模块化机器人分散控制方法，其特征在于：步骤S3中，基于机器人动力学分散式控制结构进行关节位置跟踪控制，智能关节的中空电机工作在力矩模式下，通过关节复合控制算法调整电机力矩值使得关节实时跟踪上位机位置指令，具体为：

S31、将n关节模块化机器人视为n个相互独立的单输入单输出智能体，将由运动引起的关节耦合视为干扰，n关节模块化机器人动力学方程为：

式中，M(q)表示惯量矩阵，表示向心力与哥式力矩矢量，表示摩擦力矩矢量，G(q)表示重力矩矢量，τ表示电机输出力矩，由于M(q)由常数项和位形依赖项ΔM(q)组成，即将其带入(1)式，可得：

式(3)中d表示非线性互作用不确定干扰，式(2)中可以分为两个子系统：一个是以τ为输入，q为输出的线性解耦系统；另一个是以q，为输入，d为输出的非线性耦合系统；针对某一关节i而言，其他关节的相互作用可由式(4)中d的第i个元素描述；

S32、针对步骤S31的分散控制解耦结构，采用关节复合控制算法即神经网络补偿与计算力矩复合算法实现对关节位置指令的追踪，该算法有计算力矩算法与基于径向基函数神经网络算法两部分组成，由计算力矩控制算法实现线性解耦方法控制，由基于径向基函数RBF神经网络算法实现非线性耦合方法的逼近补偿。

3.如权利要求1所述的模块化机器人分散控制方法，其特征在于：步骤S1中，在智能关节与上位机连接时，将智能关节中关节控制器收集的智能关节的自身信息在上位机的关节注册表里进行在线登记，确定该智能关节的性能状况。

4.如权利要求1-3任一项所述的模块化机器人分散控制方法，其特征在于：步骤S1中，构型库是由智能关节与连杆重构组装获得的多种构型集合，其中智能关节包括智能转动关节和智能移动关节。

5.一种实现权利要求1-4任一项所述的模块化机器人分散控制方法的模块化机器人分散控制系统，其特征在于：包括上位机和若干智能关节，

上位机：根据用户需求，结合关节注册表中显示的可用智能关节信息，排除包含故障智能关节的构型，进而由构型库推荐构型；采用遗传算法优化构型，最终确定一种符合设定要求的可用构型；在确定构型的基础上，在3D虚拟仿真界面按任务需要进行运动轨迹规划，待轨迹规划完成无误后自动生成发送给智能关节的位置指令执行代码；将代码通过EtherCAT通讯总线分发给智能关节；

智能关节：接收上位机的位置指令代码，综合该智能关节的自身信息，基于机器人动力学分散式控制结构进行关节位置跟踪控制，中空电机工作在力矩模式下，通过关节复合控制算法调整电机力矩值使得关节实时跟踪上位机位置指令；将关节运动量q通过Ether CAT总线反馈给上位机，上位机根据智能关节运动情况，进行整体运动规划调整。

6.如权利要求5所述的模块化机器人分散控制系统，其特征在于：智能关节包括关节控制器、供电模块、电机驱动器、中空电机、电机端编码器、谐波减速器、力矩传感器、关节端编码器、刹车机构和关节壳体，关节控制器分别与电机驱动器、电机端编码器、力矩传感器、关节端编码器、刹车机构进行连接，供电模块与关节控制器、电机驱动器、中空电机、电机端编码器、力矩传感器、关节端编码器、刹车机构连接，中空电机、关节控制器、电机驱动器、供电模块、刹车机构分别通过螺栓与关节壳体固连，中空电机通过传动轴与谐波减速器连接，谐波减速器与力矩传感器通过螺栓固连，力矩传感器通过输出轴与连杆连接。