CN111216123A - 一种仿人型机器人手臂控制及故障诊断*** - Google Patents
一种仿人型机器人手臂控制及故障诊断*** Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供了一种仿人型机器人手臂控制及故障诊断***，包括：上位机部分和手臂部分；其中，上位机部分包括触摸屏和控制***，触摸屏用于显示与手臂部分相关的数据；控制***用于根据用户对触摸屏上的触摸操作来以闭环控制的方式控制手臂部分执行下述操作中的至少一项：手臂部分的任务操作、手臂部分的故障诊断操作、手臂部分的参数设置操作、手臂部分的舵机组件的装配偏差的调节操作，并且控制***还用于指示触摸屏对手臂部分的舵机组件的数据以及状态的显示操作。
Description
技术领域
本发明涉及机器人领域，具体涉及一种仿人型机器人手臂控制及故障诊断***。
背景技术
随着社会的发展，科学技术的不断进步，机器人技术逐渐成为社会发展的一个热门领域，前世界首富微软公司创始人比尔盖茨曾预言：“机器人将重复个人电脑崛起之路，成为人们日常生活中的一部分，实现“家家都有机器人”。我们正处在这样一个崭新产业即将崛起的时代，很多新公司迅速壮大，致力于制造各种各样的机器人，出售各种有趣的机器人玩具与产品，但是它也是一个良莠不齐，高度分散，没有形成统一标准的行业，导致这个行业的项目开发难度大、周期长、技术积累低等问题。机器人模块化、平台统一化的趋势越来越明显。
国内专利CN 107309880公布了一种人形机器人装置及其控制***。所述装置包括通信电路，用于与外部设备建立连接，以使外部设备通过通信电路对人形机器人装置进行操作；容纳空间，设置于装置内部，用于容纳外部设备，外部设备与通信电路建立连接；微处理器和舵机组件，微处理器分别与通信电路和舵机组件连接，微处理器用于处理通信电路接收的来自外部设备的第一数据，并产生控制指令，舵机组件用于接收来自微处理器的控制指令，并执行控制指令。但是，该方案将机器人看做一个整体，通过通信电路与外部通信，所有部件通过微控制器控制，实际应用中机器人是一个复杂而又统一的整体，是由多个部分组成的，所有该方法不利于机器人各部件模块化，对机器人的研发、生产、以及后期维护都很不便。
国内专利CN 109581994公布了一种机器人故障诊断方法、***及终端设备，其方法包括：运行故障诊断程序，诊断与故障诊断程序对应的硬件运行状态和主控制程序运行状态；检测是否接收到故障诊断程序上报的诊断数据；若是，则对诊断数据进行分析并将诊断数据封装为预设数据格式的诊断信息；将诊断信息保存为诊断日志文件。可以实现对机器人硬件故障和软件故障的检测，使得维修人员可以通过直接调取诊断日志文件来对机器人进行故障检测。
但是，国内专利CN 109581994提供运行故障诊断程序，这种故障诊断程序是事先由程序人员编写，虽然考虑了可能会出现的各种状态与故障，但是在实际应用中，往往会出现各种各样的异常情况，当出现程序编写人员考虑范围之外的故障时，这种固化的诊断程序就失效了；其次当该***真的诊断出一些软件BUG时，仍然需要专业技术人员拆卸，再由软件编写人员进行调试与更新程序，对于问题的解决仍然显得耗时耗力。
并且目前大部分仿人型机器人手臂控制***中往往采用开环控制方式，控制***下发指令让手臂执行各种动作，实现这种控制方式虽然很简单，但是往往会遇到指令丢失，手臂执行不到位等问题，因为这样的控制方式无法判断手臂有没有接收到指令，接收到指令之后有没有执行，执行情况如何等情况，所以应该采用闭环控制方式。
仿人型机器人是一个复杂而又统一的整体，是由多个部分组成的，机器人组成部分中手臂是非常重要的，手臂是机器人完成任务操作的最终实现工具，因此对机器人手臂进行合理的设计、控制、故障检测以及维护升级变得尤为重要。
首先机器人手臂是机器人活动最多的部位，其中各关节的通讯特别重要，但是传统的接线方式很容易导致绕线、断线等问题；其次在机器人手臂装配的过程中，手臂各关节舵机装配或多或少会存在偏差，两只手臂很难做到装配完全一致，人工进行调节费时费力；最后在手臂执行各项任务的过程中，可能会遇到各种异常的情况，当遇到这些问题时，通常是由专业的技术人员对机器人手臂进行拆机检测，无法快速的定位问题、难以找出故障原因，并且一般的维修人员只能对外观、接线等硬件问题排查，而软件故障则需要软件编写人员来进行检测，极大的增加了机器人手臂故障排查难度。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对现有技术中存在上述缺陷，提供一种能够提高操作效率并简化操作难度的仿人型机器人手臂控制及故障诊断***。
根据本发明，提供了一种仿人型机器人手臂控制及故障诊断***包括：上位机部分和手臂部分；其中，上位机部分包括触摸屏和控制***，触摸屏用于显示与手臂部分相关的数据；控制***用于根据用户对触摸屏上的触摸操作来以闭环控制的方式控制手臂部分执行下述操作中的至少一项：手臂部分的任务操作、手臂部分的故障诊断操作、手臂部分的参数设置操作、手臂部分的舵机组件的装配偏差的调节操作，并且控制***还用于指示触摸屏对手臂部分的舵机组件的数据以及状态的显示操作。
优选地，与手臂部分相关的数据包括：各关节舵机数据、运行状态信息和故障信息。
优选地，控制***用于指示触摸屏显示日志信息以便用户查看历史数据。
优选地，手臂部分包括由手臂控制板控制的多关节机械手臂，多关节机械手臂的各关节由带保护电路的智能舵机组成，各关节之间用导电滑环来传输动力与通讯信号。
优选地，导电滑环安装在各旋转关节上，导电滑环的输入输出端与通信线连接。
优选地，智能舵机包括：电机、驱动电路、检测电路、保护电路以及带CAN总线的微控制器；CAN总线用于与外部通信、电机角度反馈、温度反馈、扭力反馈、过压过流堵转状态反馈，并接收外部关于执行相关操作的指令；舵机采用CAN总线通过导电滑环和手臂控制板进行通信。
优选地，上位机部分***在启动后运行手臂任务，查询手臂控制板手臂是否准备好，在手臂准备时下发数据或控制指令，手臂控制板收到指令后回复一条能识别对该指令的应答信息，通过校验码校验指令并且仅仅执行校验通过的指令。
优选地，上位机部分读取移动存储器中的固件信息，然后将固件信息以预定协议格式发送给手臂部分进行固件升级，其中所述固件升级包括手臂控制板的固件升级和/或舵机的固件升级。
本发明的一种仿人型机器人手臂控制及故障诊断***，使得机器人手臂部分模块化，为机器人的研发、生产制造以及后期维护大大缩短了时间，只需要将通信协议与结构统一，就可以应用在不同机器人身上。本发明设计的仿人型机器人手臂控制板装置中，保存了多种固有的手势动作，只需上位机对其发送相应的指令就可以执行，并且实时反馈机器人手臂与手指的各种状态，这使得机器人实用更加简单和方便。
附图说明
结合附图，并通过参考下面的详细描述，将会更容易地对本发明有更完整的理解并且更容易地理解其伴随的优点和特征，其中：
图1示意性地示出了根据本发明优选实施例的仿人型机器人手臂控制及故障诊断***的***框图。
图2示意性地示出了根据本发明优选实施例的仿人型机器人手臂控制及故障诊断***的手臂任务流程图。
图3示意性地示出了根据本发明优选实施例的仿人型机器人手臂控制及故障诊断***的手臂部分的功能框图。
图4示意性地示出了根据本发明优选实施例的仿人型机器人手臂控制及故障诊断***的手臂部分的导电滑环的示例。
图5示意性地示出了根据本发明优选实施例的仿人型机器人手臂控制及故障诊断***的手臂部分的舵机内部结构。
图6示意性地示出了根据本发明优选实施例的仿人型机器人手臂控制及故障诊断***的手臂部分的手掌结构。
图7示意性地示出了根据本发明优选实施例的仿人型机器人手臂控制及故障诊断***的上位机部分的显示部分方框图。
图8示意性地示出了根据本发明优选实施例的仿人型机器人手臂控制及故障诊断***的舵机校正操作流程。
图9示意性地示出了根据本发明优选实施例的仿人型机器人手臂控制及故障诊断***的舵机校正操作界面。
图10示意性地示出了故障诊断流程图。
图11示意性地示出了交互界面调试图。
图12示意性地示出了固件升级流程图。
图13示意性地示出了根据本发明优选实施例的仿人型机器人手臂控制及故障诊断***的固件升级与跳转流程图。
需要说明的是，附图用于说明本发明，而非限制本发明。注意，表示结构的附图可能并非按比例绘制。并且，附图中，相同或者类似的元件标有相同或者类似的标号。
具体实施方式
为了使本发明的内容更加清楚和易懂，下面结合具体实施例和附图对本发明的内容进行详细描述。
<第一实施例>
图1示意性地示出了根据本发明优选实施例的仿人型机器人手臂控制及故障诊断***的***框图。
如图1所示，根据本发明优选实施例的仿人型机器人手臂控制及故障诊断***包括：上位机部分100和手臂部分200。其中，上位机部分100包括触摸屏101和控制***102(例如，实现Android端应用程序的处理器)，触摸屏101用于显示与手臂部分200相关的数据；控制***102用于根据用户对触摸屏101上的触摸操作来执行下述操作中的至少一项：控制手臂部分200执行任务操作、执行手臂部分200的故障诊断操作、执行手臂部分200的参数设置操作、执行对手臂部分200的舵机组件的装配偏差的调节操作、和执行指示触摸屏101对手臂部分200的舵机组件的数据以及状态的显示操作。
例如，与手臂部分200相关的数据包括：各关节舵机数据、运行状态信息和故障信息(例如故障码)。
优选地，控制***102用于指示触摸屏101显示日志信息以便用户查看历史数据。
将手臂部分200封装成一个独立的部分，很好的隔离了与上位机Android端的耦合关系。优选地，手臂部分200包括手臂控制板、导电滑环、舵机组件和手掌。
例如，手臂部分200包括比如两只多关节机械手臂，并由手臂控制板控制，多关节机械手臂的各关节由一种带保护电路的智能舵机组成，各关节之间用导电滑环来传输动力与通讯信号。手臂与Android端通过CANBUS通信，接收Android端下发的指令以及接收Android端下发的数据生成相关的指令执行相关的操作，并将手臂各舵机的角度、温度、电压、电流、扭力以及状态信息反馈给Android端，Android端进行综合判断后作出相应的反应以及将数据存储于历史日志中。
Android端手臂任务控制方式采用闭环控制，***启动后运行手臂任务，查询手臂控制板手臂是否准备好，如果手臂准备好则下发数据或控制指令，手臂控制板收到指令后回复一条应答信息，该应答信息应能识别对该指令的应答，如包含该指令的识别码、流水号等信息，并且通过校验码校验，只有校验通过的指令才能执行；这种方式可以清楚的获取手臂控制的每一个过程，从下发指令到手臂执行操作完成的每一个步骤，当出现应答超时、应答错误等问题时，***将再次重发指令，在极端的情况下，***多次重发该指令仍然得不到有效的应答，***将退出重发机制，重发次数可根据实际应用取值，避免因硬件等问题而造成软件死循环；本***中无论是Android端与手臂控制板，还是手臂控制板与微控制器以及舵机之间均采用闭环控制方式，闭环控制是一种比较灵活、工作效率较高的控制方式，指令的成功发送与操作执行是否成功到位得到了有效的保证。手臂任务流程如图2所示。
<手臂部分具体示例>
在本示例中，仿人型机器人手臂部分由手臂控制板、导电滑环、舵机组件、手掌构成，其中由导电滑环与舵机组件组成多关节机械手臂，多关节机械手臂由肩胛、第一段臂、肘关节、第二段臂与手掌组成，肩胛、第一段臂、肘关节、第二段臂上均放置一个舵机，用于实现手臂旋转、伸展、抓取等动作，舵机转动时所需的动力和信号由导电滑环来提供，手掌带有五个可单独控制的手指，每个手指分别由一个电机控制，不仅可执行各种防人的手势动作，比如猜拳、点赞、挥手等，并可以抓取物件，各关节通过导电滑环进行通信传输，大大降低了线路因旋转而导致绕线、断线等通信故障。手臂部分方框图如图3所示。
对于导电滑环，导电滑环不同于电机，电机是指依据电磁感应定律实现电能转换的一种装置，它的主要作用是产生驱动扭矩。而导电滑环是由转子与定子相互摩擦旋转关节，通过轴承带动轴体跟电刷丝相互摩擦传输能源和信号，而这些信号和能源又通过焊在滑环环片上的导线传送出去，导线跟设备相连，从而能够顺利地传送到设备上，其主要作用就是传输电信号。导电滑环能传输的信号类型比较多，常用的信号有编码器、中高频信号、USB、以太网信号、CANBUS、数字/模拟视频等，本示例采用的是CANBUS通讯，将导电滑环安装在各旋转关节上，通信线接入其输入输出端，有效的解决以往机器人手臂绕线、断线的问题。导电滑环如图4所示
本发明手臂部分设计中设计了一款用于手臂的带微控制器的舵机，该舵机内部包括：电机、驱动电路、检测电路、保护电路以及带CAN总线的微控制器；CAN总线用于与外部通信、电机角度反馈、温度反馈、扭力反馈、过压过流堵转等状态反馈，并接收外部指令执行相关操作；这款用于手臂的带微控制器的舵机中，采用CAN总线通过导电滑环与手臂控制板进行通信，不仅省去了复杂的接线方式，而且实现了手臂舵机的可任意扩展性，可根据不同需要增减舵机数量而不影响整个总线。舵机内部结构图图5所示。
本发明中的手掌设计为一个独立的模块，由微控制器、电机组件、角度传感器、力度传感器等部分组成；微控制器带CAN总线接口，用于与外部通信，本设计中用于与手臂控制板通信；电机组件由六个电机组成，分别控制拇指自由度、拇指、食指、中指、无名指、小指，每个电机配有一个角度传感器，用于获取电机角度；力度传感器用于获取手掌的力度；可以表演各种手势动作，比如：点赞、OK、抱拳等，也可以抓取各种小型物件。手掌模块如图6所示。
<上位机部分>
上位机部分100包括触摸屏101和控制***102(例如，实现Android端应用程序的处理器)。上位机部分100用于与下位机(手臂控制板与舵机)信息交互、参数设置、故障诊断、固件升级等，显示界面主要包括三大块：1.交互界面，2.故障诊断界面，3.固件升级界面，这三块是相辅相成的，交互界面用来对手臂微调与检测通讯信息，并可以对手臂控制板进行参数设置与调试，故障诊断界面用于直观的显示诊断出的故障信息，当故障超出故障诊断程序的范围时可以用交互界面来调试，当诊断或调试出软件故障时通过固件升级界面进行升级，所以这三个界面的存在极大的提高了解决问题的效率。
①交互界面：交互界面又包含舵机校正与通讯测试界面，在机器人手臂装配的过程中，手臂各关节舵机装配或多或少的会存在偏差，两只手臂很难做到装配完全一致，而机器人手臂是固化的结构，人工进行调节需要拆壳调整，这个过程费时费力，并且当机器人安装完成后，需要查看手臂信息，或者设置手臂相关信息时，比如需要查看手臂控制板的软硬件版本、手臂舵机的各项参数等信息时，往往仍然需要拆壳，针对这些问题，本方案通过Android交互界面进行解决，交互界面实现了上位机与手臂控制板之间的交互与显示，对手臂组装有偏差的舵机进行微调，高效的解决了两只手臂因装配而导致的偏差问题。并且可通过按钮或指令的方式进行通讯测试，查看与设置手臂各种参数信息。舵机校正流程图如图8所示，界面如图9所示。
②故障诊断界面：在手臂执行各项任务的过程中，会遇到各种可能出现的异常情况，当遇到这些问题时，通常是由专业的技术人员对机器人手臂进行拆壳检测，难以快速的定位问题以及找出故障原因，极大的增加了机器人手臂故障检测难度。针对这种问题，本方案在Android端做了故障诊断界面，通过故障诊断界面可以对手臂进行故障诊断，实时监测手臂的各项数据与状态，通过故障诊断界面可对存储的异常数据与状态日志进行查阅，方便技术人员对故障进行分析排查。并且通过交互界面的通讯测试，对手臂控制板进行通讯测试，信息查询以及调试参数设置，可对手臂全方面的故障排查。故障诊断流程图如图10所示，交互界面调试图如图11通讯测试界面所示。
③固件升级界面：在机器人设备中，软件的更新速度远远大于硬件，当发现机器人设备存在软件BUG，或者需要增加或修改某个软件功能时，软件需要更新升级，而机器人手臂控制器一般都固定内置于机器人内部的控制板上，如果将程序烧录接口直接引出又要额外增加成本与材料，并且会影响机器人的外观，本发明中提供了一种通过Android端对下位机微处理器的固件升级方式，在Android端通过移动存储器(例如U盘)将固件读取，然后将固件以一定协议格式发送给下位机进行升级，该固件升级方式不仅适用于本发明中的手臂控制板，舵机固件升级也同样适用。固件升级流程图如图12所示。
下位机(手臂控制板与舵机)中最常用的微处制器是Cortex-M内核的处理器，该内核的处理器具备功耗低、性能良好、调试方便、开发难度低等特点，为了避免当微控制器出现软件问题或者需增加新的功能时要拆壳的麻烦，在此通过Android端固件升级界面对微处理器进行在线更新。所谓在线更新，首先需要划分微处理器的存储空间，一段用于存储BootLoader程序，一段用于存储APP，即固件程序。将Bootloader程序通过烧录器固化在存储器中，然后上位机通过串口/CAN/网口等方式将固件程序发送给BootLoader，BootLoader接收到固件程序，对固件段的Flash进行擦写，将固件程序写入成功后跳转到固件程序运行的过程。固件升级以及跳转至固件运行流程图如图13所示。
<技术效果>
本发明***采用闭环控制，有效的解决了以往机器人手臂指令丢失、执行不到位的问题，这样的控制方式可以清楚的获取机器人手臂控制的每一个步骤，不仅保证了通讯的稳定性，而且当出现通讯故障时容易排查。而且本发明设计了一种新型的智能舵机，这种舵机不仅能反馈角度、扭力等信息，而且自身具有保护功能，这有助于提高舵机的寿命、减少舵机的返修率。手臂增加导电滑环，将其安装在各旋转关节上，通信线接入其输入输出端，有效的解决以往机器人手臂绕线、断线的硬件故障。下位机固件升级功能，当下位机因功能调整或者软件BUG需要更新固件时，可以通过Android端进行在线升级，避免了拆壳烧录的麻烦。而且在本发明中，将手臂、手掌设计成为一个单独的模块，当出现问题时，方便后期维护更换。
综上所述，本发明的一种仿人型机器人手臂控制及故障诊断***，使得机器人手臂部分模块化，为机器人的研发、生产制造以及后期维护大大缩短了时间，只需要将通信协议与结构统一，就可以应用在不同机器人身上。本发明设计的仿人型机器人手臂控制板装置中，保存了多种固有的手势动作，只需上位机对其发送相应的指令就可以执行，并且实时反馈机器人手臂与手指的各种状态，这使得机器人实用更加简单和方便。
需要说明的是，除非特别指出，否则说明书中的术语“第一”、“第二”、“第三”等描述仅仅用于区分说明书中的各个组件、元素、步骤等，而不是用于表示各个组件、元素、步骤之间的逻辑关系或者顺序关系等。
可以理解的是，虽然本发明已以较佳实施例披露如上，然而上述实施例并非用以限定本发明。对于任何熟悉本领域的技术人员而言，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案作出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。
Claims (8)
1.一种仿人型机器人手臂控制及故障诊断***，其特征在于包括：上位机部分和手臂部分；其中，上位机部分包括触摸屏和控制***，触摸屏用于显示与手臂部分相关的数据；控制***用于根据用户对触摸屏上的触摸操作来以闭环控制的方式控制手臂部分执行下述操作中的至少一项：手臂部分的任务操作、手臂部分的故障诊断操作、手臂部分的参数设置操作、手臂部分的舵机组件的装配偏差的调节操作，并且控制***还用于指示触摸屏对手臂部分的舵机组件的数据以及状态的显示操作。
2.根据权利要求1所述的仿人型机器人手臂控制及故障诊断***，其特征在于，与手臂部分相关的数据包括：各关节舵机数据、运行状态信息和故障信息。
3.根据权利要求1或2所述的仿人型机器人手臂控制及故障诊断***，其特征在于，控制***用于指示触摸屏显示日志信息以便用户查看历史数据。
4.根据权利要求1或2所述的仿人型机器人手臂控制及故障诊断***，其特征在于，手臂部分包括由手臂控制板控制的多关节机械手臂，多关节机械手臂的各关节由带保护电路的智能舵机组成，各关节之间用导电滑环来传输动力与通讯信号。
5.根据权利要求4所述的仿人型机器人手臂控制及故障诊断***，其特征在于，导电滑环安装在各旋转关节上，导电滑环的输入输出端与通信线连接。
6.根据权利要求4所述的仿人型机器人手臂控制及故障诊断***，其特征在于，智能舵机包括：电机、驱动电路、检测电路、保护电路以及带CAN总线的微控制器；CAN总线用于与外部通信、电机角度反馈、温度反馈、扭力反馈、过压过流堵转状态反馈，并接收外部关于执行相关操作的指令；舵机采用CAN总线通过导电滑环和手臂控制板进行通信。
7.根据权利要求1或2所述的仿人型机器人手臂控制及故障诊断***，其特征在于，上位机部分***在启动后运行手臂任务，查询手臂控制板手臂是否准备好，在手臂准备时下发数据或控制指令，手臂控制板收到指令后回复一条能识别对该指令的应答信息，通过校验码校验指令并且仅仅执行校验通过的指令。
8.根据权利要求1或2所述的仿人型机器人手臂控制及故障诊断***，其特征在于，上位机部分读取移动存储器中的固件信息，然后将固件信息以预定协议格式发送给手臂部分进行固件升级，其中所述固件升级包括手臂控制板的固件升级和/或舵机的固件升级。
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