CN102298375A - 一种仿人机器人实时控制***和方法 - Google Patents

Abstract

本发明一种仿人机器人实时控制***和方法，它包括一上位运动控制器、若干个网络控制器和若干个末端节点，采用双层网络结构，上位运动控制器与若干网络控制器组成一个上层网络通过实时以太网络进行通讯，每个网络控制器分别与若干末端节点组成一个下层网络采用末端节点所采用的通讯方式进行通讯；本发明通过使用实时以太网连接上位运动控制器和网络控制器，在保证实时性的基础上扩大了***带宽，又兼容了采用非实时以太网络进行通讯的一般末端节点。通过扩大***带宽，提高了***网络信号传输速度和传输能力，使整体***能够以更快的速度传输更多的控制指令，提高了控制的精度和平滑性。

Description

一种仿人机器人实时控制***和方法

技术领域

本发明属于机器人领域，涉及一种仿人机器人控制***和方法，确切地说，涉及一种基于实时以太网的仿人机器人控制网络结构和控制方法。

技术背景

仿人机器人是一种模仿人体骨骼结构的机器人，它与其他机器人的最大区别在于其仿人的双足运动方式。从仿生的角度分析表明，仿人机器人具有适应环境能力强、动作灵活等优点，因此，具有更加广阔的应用和发展前景。

仿人机器人要实现高度的运动灵活性和运动平滑性，并且需要实时的控制近三十个电机来实现多种运动。这都需要机器人具有强壮、可靠、实时和高带宽的控制网络，以对外界环境做出精确和及时的运动响应。

目前已有的仿人机器人从控制方式上主要分为两类，集中式控制方式和分布式控制方式。日本HONDA公司早期的仿人机器人P2采用VME(Versa Module  Eurocard)总线的集中式控制***，后来研发的仿人机器人ASIMO则采用基于PCI-E(PCI Express)总线设计的分布式控制***。日本SONY公司的SDR-3X/4X则是基于开放式串行总线OPEN-R技术开发的。

仿人机器人由于对环境信息要求复杂，一般要求搭载多种类型的传感器采集环境和自身状态信息作为机器人控制算法的输入和评估机器人状态的依据。目前市面上的各类传感器往往使用不同的通讯接口，如CAN总线、485总线、串行接口等。不同的设备占用了不同的接口，造成硬件***复杂，不易进行统一的调试和控制。

实时以太网指建立在IEEE802.3标准的基础上，通过对其和相关标准的实时扩展提高实时性，并且做到与标准以太网无缝连接的以太网络标准。2003年5月，IEC/SC65C专门成立了WG11实时以太网工作组，负责制定IEC 61784-2“基于ISO/IEC 8802-3的实时应用***中工业通信网络行规”国际标准。该标准包括Communication Profile Family 2 Ethernet/IP、CPF3 PROFINET、CPF4 P-NET、CPF6 Interbus、CPF10 VNET/IP、CPF11 TCNET、CPF12 EtherCAT、 CPF13 Ethernet Powerlink、CPF14 EPA、CPF15 Modbus/TCP以及CPF16 SERCOS等11种实时以太网行规集。

“用于工业测量与控制***的EPA（Ethernet for Plant Automation）***结构和通信标准”是一种基于以太网、无线局域网、蓝牙等信息网络通信技术，适用于工业自动化控制***装置和仪器仪表间相互通信的工业控制网络通信标准。EPA标准是我国提出的一种工业以太网实时通信***规范, 采用先进的交换技术、VLAN技术、优先级处理技术，并在应用层制定实时通信协议以提高以太网实时性能，既不改变以太网原有结构，保留了以太网简单、价廉的优势，同时达到的实时性的要求，成为目前改善工业以太网实时性能的主要手段。

中国专利公开号CN101293350A发明了一种仿人机器人分布式双总线运动控制***，采用基于CAN总线的分布式***，***由协调运动控制器、CAN总线、局部总线以及若干关节控制器构成。协调控制器通过CAN总线与所有关节控制器相连，全部或部分关节控制器之间通过局部总线实现互联，共享关节状态信息和传感器信息。但是随着机器人关节数量的增加和运动数据更新周期的提高，运动控制器与关节控制器间的CAN总线最高仅1mbps的带宽将无法满足数据流量的需求。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术在仿人机器人应用场合存在的不足，提供一种仿人机器人实时控制***和方法，在满足仿人机器人实时性和可靠性要求的基础上提供更高的带宽和传输速度，同时兼容现有的各种末端设备。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种仿人机器人实时控制***，它包括一上位运动控制器、若干个网络控制器和若干个末端节点；采用双层网络结构，若干个网络控制器分别通过实时以太网与上位运动控制器相连，组成一个上层网络进行通讯；每个网络控制器分别与若干个末端节点相连；组成一个下层网络进行通讯。

进一步地，所述实时以太网络是工业以太网EPA。

进一步地，所述网络控制器通过CAN总线、485总线或串行接口分别与若干个末端节点相连。

进一步地，所述末端节点为电机驱动器、电位计、足底压力传感器、力和力矩传感器或姿态传感器。

一种应用上述***的仿人机器人实时控制方法，该方法包括以下两个过程：

（1）上位运动控制器需要向某一末端节点发送指令或数据时，上位运动控制器首先将指令或数据通过上层网络发送给该末端节点对应的网络控制器，网络控制器对接受到的数据包进行解析，提取数据部分并按照下层网络的格式进行封装，然后通过下层网络将封装得到的数据包分别发送到目标末端节点；

（2）末端节点需要向上位运动控制器发送状态信息和反馈信息时，首先通过下层网络将数据包发送给与其相连的网络控制器，网络控制器解析数据包内容，提取数据部分并将其封装为实时以太网的数据格式，通过上层网络将封装得到的数据包发送给上位运动控制器。

本发明的有益效果是，通过使用实时以太网连接上位运动控制器和网络控制器，在保证实时性与可靠性的基础上扩大了***带宽，又兼容了采用非实时以太网络进行通讯的一般末端节点。通过扩大***带宽，提高了***网络信号传输速度和传输能力，使整体***能够以更快的速度传输更多的控制指令，提高了控制的精度和平滑性。

附图说明

图1是仿人机器人实时控制***结构示意图；

图2是仿人机器人实时控制***实例1的结构示意图；

图3是仿人机器人实时控制方法中数据下行步骤示意图；

图4是仿人机器人实时控制方法中数据上行步骤示意图。

具体实施方式

本发明的仿人机器人实时控制***包括一上位运动控制器，若干个网络控制器和若干个末端节点。采用双层网络结构，若干个网络控制器分别通过实时以太网与上位运动控制器相连，组成一个上层网络，进行通讯。每个网络控制器分别与若干个末端节点相连；组成多个下层网络，采用末端节点所采用的通讯方式进行通讯。

上位运动控制器负责给出控制信号和数据，发送给网络控制器，并接收网络控制器传递来的数据信息。上位运动控制器可以通过基于x86架构的PC机、DSP或嵌入式***来实现，但不限于此。

网络控制器负责接收来自上位运动控制器的控制命令和数据，转发至各个末端节点，同时将接收自末端节点的数据信息发送给上位运动控制器，网络控制器可以兼容现有各类末端节点设备的通讯接口，如CAN总线、485总线、串行接口等，但是与上位运动控制器的通讯接口是统一的；网络控制器可以采用ARM体系的嵌入式***，但不限于此。

末端节点负责接收和执行网络控制器发送的控制命令，并将状态信息和反馈信息发送给网络控制器。末端节点可以为电机驱动器、电位计、足底压力传感器、力和力矩传感器或姿态传感器。

所述的网络控制器与末端节点之间的连接方式可以为CAN总线、485总线或串行接口。

所述的实时以太网络是工业以太网EPA。EPA是一种基于以太网、无线局域网、蓝牙等信息网络通信技术，适用于工业自动化控制***装置和仪器仪表间相互通信的工业控制网络通信标准。EPA在拥有以太网的传输带宽和速度的同时保证了工业控制对实时性和可靠性的要求。目前普遍应用于机器人和运动控制领域的各类成熟总线***包括CAN总线、RS485总线等。以CAN总线为例，其最高传输带宽为1Mbps。在电机控制领域，包含一个位置指令的典型CAN数据包长度至少为20字节，若要对20个电机以4ms为控制周期进行位置控制，需要消耗0.8Mbps的总线带宽，即CAN总线的负荷率达到了80%，无法满足机器人多自由度控制对通讯带宽的进一步要求。工业以太网EPA拥有100Mbps的带宽，能够支持更多的传输节点以更高的更新频率进行数据传输和指令发送，同时克服了普通以太网在传输时具有的不确定性，保证了总线的可靠性和实时性。

本发明应用上述***的仿人机器人实时控制方法，包括以下两个过程：

1、上位运动控制器需要向某一末端节点发送指令或数据时，上位运动控制器首先将指令或数据通过上层网络发送给该末端节点对应的网络控制器，网络控制器对接受到的数据包进行解析，提取数据部分并按照下层网络的格式进行封装，然后通过下层网络将封装得到的数据包分别发送到目标末端节点。

2、末端节点需要向上位运动控制器发送状态信息和反馈信息时，首先通过下层网络将数据包发送给与其相连的网络控制器，网络控制器解析数据包内容，提取数据部分并将其封装为实时以太网的数据格式，通过上层网络将封装得到的数据包发送给上位运动控制器。

下面结合附图和具体实施例对发明做进一步详细说明。

图1是本发明提供的仿人机器人实时控制***的结构示意图。如图1所示，本发明仿人机器人实时控制***包括一上位运动控制器，若干个网络控制器和若干个末端节点。采用双层网络结构，若干个网络控制器分别通过实时以太网与上位运动控制器相连，组成一个上层网络，进行通讯。每个网络控制器分别与若干个末端节点相连；组成一个下层网络，采用末端节点所采用的通讯方式进行通讯。

上位运动控制器负责机器人全身运动数据的规划和控制，是进行运算的主要场所。上位运动控制器与网络控制器通过实时以太网进行通讯。通讯时，上位运动控制器将需要发送的指令数据等信息封装成实时以太网数据包发送给目标末端节点对应的网络控制器。

网络控制器负责中转上位运动控制器和末端节点的数据通讯。网络控制器同时挂靠在实时以太网络和下层网络上。网络控制器通过实时以太网与上位运动控制器进行通讯，同时通过下层网络与若干个末端节点进行通讯。每一台网络控制器都连接着一个下层网络，每一个下层网络上都有多个末端节点。网络控制器接受到上位运动控制器发送来的数据时，先对数据包解析，将数据包的数据内容重新封装成符合下层网络格式要求的数据包，最后将新的数据包发送到对应目标末端节点所在的下层网络上；实时网络控制器接收到末端节点发送给上位运动控制器的数据时，同样对数据包进行解析，提取数据内容并封装，最后通过实时以太网发送给上位运动控制器。不同的网络控制器所连接的下层网络类型可以是不同的，下层网络可以是CAN总线控制网络，485总线控制网络，串行接口网络。

末端节点负责执行上位运动控制器发送来的控制指令，或将节点的数据上传到上位运动控制器。末端节点可以是执行机构，如电机驱动器；也可以是传感器，如电位计，足底压力传感器、力和力矩传感器或姿态传感器。

图2是一个仿人机器人实时控制***实例，由上位运动控制器，三台网络控制器，多个电机驱动器，电位计和压力传感器组成。其中上位运动控制器采用x86体系的普通pc机，网络控制器是ARM体系的嵌入式***，上位运动控制器与网络控制器之间使用标准以太网线和集线器，通过RJ45网口进行连接。三台网络控制器分别与多个末端节点组成三个CAN总线网络作为下层网络。其中CAN0，CAN1两个CAN网络上分别挂载了多个电机驱动器，负责控制电机运动；CAN2网络上挂载电位计和压力传感器，负责信息采集和反馈。

图3是本发明提供的仿人机器人实时控制方法步骤示意图。如图2所示，仿人机器人实时控制方法可以划分为数据上行和数据下行两个过程，其中：数据下行，即上位运动控制器发送数据到末端节点；数据上行，即末端节点发送数据到上位运动控制器。下面分别对两个步骤进行具体描述：

数据下行步骤，上位运动控制器首先将目标末端节点标识、待传输的数据内容打包为一数据包，将数据包发送至实时以太网上目标末端节点对应的网络控制器；网络控制器接受到上位运动控制器发送的数据包后对其进行解析，获得目标末端节点标识，并提取数据内容，封装成下层网络对应的数据包格式，将新的数据包发送到该末端节点所在的下层网络上；末端节点通过下层网络接收到该数据包，提取得到上位运动控制器传输来的数据。

数据上行步骤，末端节点首先将待传输的数据打包并发送到下层网络上；网络控制器接收到数据包后对其进行解析，提取数据内容，封装为符合实时以太网格式的数据包，通过实时以太网发送给上位运动控制器。

数据上行和数据下行两个过程是独立和可同时进行的。

Claims (5)

1.一种仿人机器人实时控制***，其特征在于，包括一上位运动控制器、若干个网络控制器和若干个末端节点等；采用双层网络结构，若干个网络控制器分别通过实时以太网与上位运动控制器相连，组成一个上层网络进行通讯；每个网络控制器分别与若干个末端节点相连；组成一个下层网络进行通讯。

2.根据权利要求1所述仿人机器人实时控制***，其特征在于，所述实时以太网络是工业以太网EPA（Ethernet for Plant Automation）。

3.根据权利要求1所述仿人机器人实时控制***，其特征在于，所述网络控制器通过CAN总线、485总线或串行接口分别与若干个末端节点相连。

4.根据权利要求1所述仿人机器人实时控制***，其特征在于，所述末端节点可以为电机驱动器、电位计、足底压力传感器、力和力矩传感器或姿态传感器。

5.一种应用上述***的仿人机器人实时控制方法，其特征在于，该方法包括以下两个过程：

（1）上位运动控制器需要向某一末端节点发送指令或数据时，上位运动控制器首先将指令或数据通过上层网络发送给该末端节点对应的网络控制器，网络控制器对接受到的数据包进行解析，提取数据部分并按照下层网络的格式进行封装，然后通过下层网络将封装得到的数据包分别发送到目标末端节点；

（2）末端节点需要向上位运动控制器发送状态信息和反馈信息时，首先通过下层网络将数据包发送给与其相连的网络控制器，网络控制器解析数据包内容，提取数据部分并将其封装为实时以太网的数据格式，通过上层网络将封装得到的数据包发送给上位运动控制器。

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