[发明专利]一种复合式仿生四足机器人控制器

摘要

本发明涉及一种复合式仿生四足机器人控制器，采用与脊椎动物神经系统相似的结构，分别划分为决策层、规划层、执行层，对应动物的高级神经中枢、低级神经中枢和运动神经。决策层由嵌入了实时操作系统的ARM9和环境信息采集系统构成，负责实现机器人对工作环境的感知并产生相应的运动决策指令。规划层的核心为步态生成器，用于实现根据上层决策指令进行各关节运动参数的规划和求解。执行层由以数字信号处理器为核心的电机控制器构成，实现对驱动电机的电流、位置及速度的三闭环控制。三个层级之间分别通过双口RAM和CAN总线网络实现有效实时的数据传输。本发明具有可靠性高、灵活性好、易于扩展、易于维护的特点，在仿生足式机器人技术领域具有广阔的应用前景。

主权项

一种复合式仿生四足机器人控制器，由决策层、规划层和执行层构成，其特征在于包括由电动缸驱动各关节的足式机器人本体，智能决策器，步态生成器，执行驱动器，环境信息采集系统及能源系统。所述环境信息采集系统安装于机器人躯干上，将采集到的数据通过相应接口提供给智能决策器，智能决策器将采集到的信息进行数据融合处理，生成相应的决策控制指令，并通过双口RAM传递给步态生成器，步态生成器根据相应的决策控制指令进行步态选择与切换，经过CPG网络解算后得到各关节的运动参数，通过CAN总线网络将数据包传递给执行驱动器，进而驱动直流无刷伺服电机转动，实现机器人特定运动。所述环境信息采集系统用于机器人工作环境信息的采集，包括视觉传感器，音频传感器，陀螺仪传感器，超声波传感器及GPS定位系统；所述视觉传感器用于实现四足机器人前方可见域的三维重建，所述音频传感器用于获取环境声音信息，所述陀螺仪传感器用于实时获取机器人运动时的动态位姿参数，所述超声波传感器用于测量机器人运动方向上障碍物的距离，所述GPS定位系统用于确定机器人的准确位置信息。所述智能决策器由内嵌实时操作系统RT‑Linux的ARM9构成，其主要功能模块包括传感器驱动模块，传感器数据融合模块，决策算法模块，双口RAM驱动模块。外设接口包括3个串口，分别用于程序测试，陀螺仪传感器模块的信息采集，以及与GPS模块的通信。JTAG接口用于系统仿真及程序下载，Wifi模块用于系统功能扩展。决策层初始化数据存放在外部SD卡内，系统复位后自动读取。音频传感器和视频传感器分别由相应的语音接口和USB接口来实现与主控芯片的通信，另外超声波传感器的信号由GPIO接入系统内部。当系统运行出错时，PWM接口将直接驱动蜂鸣器实现报警。所述步态生成器由内嵌Nios II软核的FPGA构成，功能模块包括CPG网络解算模块，CAN总线控制器模块，双口RAM模块。CPG网络解算模块的输入参数由双口RAM模块在指定的数据存储区获取，解算后的结果通过CAN总线模块进行数据封装并传输到CAN总线上。步态生成器内部各功能模块的控制指令及数据通过Avalon总线交换。所述执行驱动器由数字信号处理器TMS320F2812作为核心微处理器，采用专用驱动芯片IR2130驱动三相桥式逆变电路的6个功率开关器件，在驱动电路和微控制器电路之间通过高速光耦6N137进行光电隔离。利用TMS320F2812片内集成的事件管理器模块产生PWM控制信号，实时控制电机的转动。电机编码器输出信号通过芯片AM26LS32将差分信号转换为TTL电平信号，再接入微处理器的QEP模块接口，实现对电机转速信息的采集。在驱动电路串联精密采样电阻，利用F2812内部的AD转换器实现电流反馈。