CN117621031A - 控制模组、控制装置及机器人 - Google Patents

Abstract

本申请提了一种控制模组，包括：中央控制组件，至少一个传感管理驱动组件、至少一个执行管理驱动组件、至少一个控制逻辑组件；传感管理驱动组件用于驱动传感管理模组；执行管理驱动组件用于驱动执行管理模组；控制逻辑组件与所述中央控制组件连接；控制逻辑组件分别与传感管理驱动组件、执行管理驱动组件连接。本申请还提供了一种控制装置及机器人。机器人的每个关节可由一个控制逻辑组件形成控制环路，当机器人的自由度/关节较多时，控制逻辑组件可以使得多个关节的各控制环路能并行计算，响应效率高。每个控制模组可用于控制一个多自由度肢体或者多自由度部分结构，机器人的一个上位机可通过控制多个控制模组，进而协调控制机器人全身。

Description

控制模组、控制装置及机器人

技术领域

本申请属于机器人技术领域，更具体地说，是涉及一种控制模组、控制装置及机器人。

背景技术

仿生机器人、人型机器人、操作型机器人、协作型机器人、灵巧手***等机器人的关节/自由度很多，传感元件和执行元件的数量也很多，机器人的控制***需要对多个关节/自由度进行并行控制。机器人的控制***的设计具有以下挑战：控制部分的设计需要考虑计算效率，需要支持具有耦合关系的多个控制环路的解算，除此以外，还需要保证响应效率和通讯效率。

发明内容

本申请实施例提供一种控制模组、控制装置及机器人，以解决相关技术存在的问题，技术方案如下：

第一方面，本申请实施例提供了一种控制模组。

在本申请的一个实施例中，一种控制模组，包括：中央控制组件，至少一个传感管理驱动组件、至少一个执行管理驱动组件、至少一个控制逻辑组件；

所述传感管理驱动组件用于驱动传感管理模组；所述执行管理驱动组件用于驱动执行管理模组；

所述中央控制组件与所述控制逻辑组件连接；

所述控制逻辑组件分别与所述传感管理驱动组件、所述执行管理驱动组件连接。

本申请的控制模组，每个控制模组可用于控制一个多自由度肢体或者多自由度部分结构，机器人的一个上位机可通过控制多个控制模组，进而协调控制机器人全身。控制模组可包括多个控制逻辑组件；机器人的每个关节可由一个控制逻辑组件形成控制环路，当机器人的自由度/关节较多时，多个控制逻辑组件可以使得多个关节的各控制环路能并行计算，响应效率高。

在本申请的一个实施例中，所述控制模组还包括至少一个通讯组件，所述通讯组件与***设备通讯；所述通讯组件与所述中央控制组件连接。

在本申请的一个实施例中，所述通讯组件将接收的讯息传递给中央控制组件；所述控制逻辑组件接收来自中央控制组件的指令。本申请的控制模组，可由***设备(包括上位机)进行全方位控制。

在本申请的一个实施例中，所述控制模组包括多个控制逻辑组件，其中一控制逻辑组件可与至少另一控制逻辑组件通讯。若机器人的自由度/关节数量多，各自由度/关节涉及的控制模型或者控制环路间存在耦合时，控制逻辑组件之间的信息交换能够使各控制环路完成解算，尤其适合基于神经网络的控制算法、基于计算力矩法的控制算法、基于状态空间法的控制算法、基于观测器的控制算法、基于状态机的控制算法。

在本申请的一个实施例中，所述通讯组件与传感管理驱动组件、执行管理驱动组件、控制逻辑组件中的至少一个进行通讯。上位机的讯息，经通讯组件的路由可直接传给相应的目标组件而不必经过中央控制组件，效率高。

所述中央控制组件与所述传感管理驱动组件、所述执行管理驱动组件中的至少一个连接。

在本申请的一个实施例中，所述控制模组配置为包括可重构单元和通用运算单元；所述可重构单元和通用运算单元通讯；

所述可重构单元包括如上所述的至少一个所述传感管理驱动组件、至少一个所述执行管理驱动组件、至少一个所述控制逻辑组件、以及所述中央控制组件。

所述通用运算单元与***设备通讯，交换第一讯息；所述通用运算单元对第一讯息进行解码、编码，得到第二讯息，并以第二讯息与可重构单元通讯；

所述可重构单元对第二讯息进行编码、解码，根据第二讯息将指令传至对应的组件。

此外，在本申请的一个实施例中，根据通讯的复杂程度，所述可重构单元还可以配置为包括至少一个所述通讯组件。

在本申请的一个实施例中，所述通用运算单元为ARM或DSP，所述可重构单元为FPGA或者可重构硬件。所述控制模组采用FPGA作为可重构单元的好处是，其搭载的各个组件可以并行执行，尤其适合解决多传感元件、多执行元件、多控制目标的情况，能够高速实时响应。而采用ARM或DSP进行通讯管理的好处，是因为ARM或DSP编解码的高效，软件(相较于固件)可以更灵活地实现、升级通讯协议、路由规则，开发便捷。尤其是使用ARM可以搭载嵌入式***，更好的支持WiFi/以太网协议栈。

本申请的控制模组，从与***设备(如上位机)通讯获得第一讯息到对第一讯息进行解码、编码得到第二讯息的机器码，升级改造主要发生在通用运算单元中，因此升级时仅需对通用运算单元进行；便于进行升级改造。

在本申请的一个实施例中，所述控制模组通过控制逻辑组件支持一种或者多种控制模式。所述控制模组通过控制逻辑组件可以实现不同控制模式、控制算法。不同控制模式、控制算法可以由不同控制逻辑组件实现。多种控制模式、控制算法也可以由同一个控制逻辑组件实现。

在本申请的一个实施例中，所述控制逻辑组件受中央控制组件的控制，由中央控制组件向所述控制逻辑组件发出指令，在不同的控制模式间切换；或者，

所述控制逻辑组件受***设备的控制，根据***设备传来的指令在不同的控制模式间切换。

在本申请的一个实施例中，所述控制模组支持下位机闭环控制模式；在下位机闭环控制模式中，由***设备提供目标指令，所述控制模组作为下位机进行闭环控制。下位机闭环控制模式的好处在于：下位机响应快速，并行度好；能减少上位机的运算压力。

在本申请的一个实施例中，所述控制模组支持下位机开环控制模式；在下位机开环控制模式中，由***设备提供目标指令，所述控制模组作为下位机进行开环控制。所述下位机开环控制模式的好处在于：

(1)上位机可以直接控制到执行元件，便于调试；

(2)支持由上位机进行全方位控制，例如上位机采用类脑计算的控制方式，类脑神经网络可以在上位机运行，算力比下位机更强；

(3)在下位机开环控制模式，下位机仍可以进行应急响应。

在本申请的一个实施例中，控制模组能够根据传感元件和/或执行元件的信息做出判断，在不同的控制模式间切换。

在本申请的一个实施例中，所述控制模组包括信号处理组件，所述信号处理组件具有至少一种滤波方式；

所述信号处理组件与传感管理驱动组件相连接，或者，所述信号处理组件设置在传感管理驱动组件内。

在本申请的一个实施例中，所述控制模组能够根据***设备传来的指令在不同的滤波方式间切换；或者，所述控制模组能够根据传感元件和/或执行元件的信息做出判断，在不同的滤波方式间切换。

在本申请的一个实施例中，所述控制模组能够调整传感管理模组的信号采样模式。

在本申请的一个实施例中，所述中央控制组件根据传感元件和/或执行元件的信息判断信号采样模式，并指令传感管理驱动组件调整信号采样模式。

在本申请的一个实施例中，所述***设备将控制信息传递给中央控制组件，所述中央控制组件根据所述控制信息指令传感管理驱动组件调整信号采样模式。

在本申请的一个实施例中，所述控制模组的信息上传模式包括以下的一种或多种：

常规上传模式，所述控制模组按照给定频率上传信息；

事件触发上传模式，所述控制模组(中央控制组件)根据给定触发条件上传特定的信息；

自适应上传模式，所述控制模组根据信息的变化率，判断是否上传任一信息以及上传频率。

常规上传模式，即连续上传信息；控制模组按照给定频率上传信息(包括传感器信息、监测信息、执行元件信息、内部状态信息等)。常规上传模式采用持续通讯方式，该方式优点是可以让上位机持续密集监测下位机乃至整个***的工作是否正常，数据可靠稳定；如果有通讯丢包情况，也能及时发现并纠正。该方式缺点是当传感器数量较多，会占用过多通讯带宽，也会给中央处理模组太多运算压力。

事件触发上传模式，即中央控制组件根据给定触发条件，采取相应处理过程，上传给定信息。事件触发上传模式采用间歇性通讯，优点是不必实时上传所有信息，可以节省带宽。

自适应上传模式，即控制模组根据信息的变化率，判断是否上传任一信息、上传频率。自适应上传模式针对信息有变化的情况才进行通讯、进一步节省带宽。

在本申请的一个实施例中，所述控制模组中还包括应急响应控制组件，能够进行应急响应。

在本申请的一个实施例中，所述应急响应控制组件中包括神经网络子组件；所述神经网络子组件用于应急处理，并在应急处理时控制执行管理驱动组件；

所述神经网络子组件通过神经元间的联接关系和权重来编码运动轨迹。

本申请的控制模组，优选由上位机进行全方位控制，例如上位机采用类脑计算的控制方式，类脑神经网络可以在上位机运行，算力比下位机更强。但是在突发情况下，下位机的神经网络子组件可以进行应急响应；下位机的应急响应速度较快，可以更快进行响应处理。

在本申请的一个实施例中，所述神经网络子组件与执行管理驱动组件、传感管理驱动组件相连接；所述神经网络子组件接收执行管理驱动组件和/或传感管理驱动组件的信息，并向相应的执行管理驱动组件和/或传感管理驱动组件发出指令。

第二方面，本申请还提供了一种控制装置，包括如上所述的控制模组。

第三方面，本申请还提供了一种机器人，包括传感元件、执行元件、多个关节、以及如上所述的控制模组。机器人可进一步包括上位机，

在本申请的一个实施例中，所述机器人包括上位机，所述控制模组与上位机连接；每个被控关节与控制模组的一个控制逻辑组件连接形成控制环路；其中一控制逻辑组件与至少另一控制逻辑组件通讯。

本申请所提供的一种控制模组、控制装置及机器人，有益效果在于：

每个控制模组可用于控制一个多自由度肢体或者多自由度部分结构，机器人的一个上位机可通过控制多个控制模组，进而协调控制机器人全身。控制模组可包括多个控制逻辑组件；机器人的每个关节可由一个控制逻辑组件形成控制环路，当机器人的自由度/关节较多时，多个控制逻辑组件可以使得多个关节的各控制环路能并行计算，响应效率高。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请提供的一种控制模组的可重构单元的示意图；

图2为本申请提供的一种控制模组的示意图；

图3为本申请提供的一种控制模组的各控制环路的控制逻辑组件之间的信息交换示意图；

图4为本申请提供的一种控制模组的神经网络子组件的示意图；

图5为本申请提供的一种控制模组的循环神经网络(RNN)的拓扑结构示意图示意图。

其中，图中各附图标记：

10-可重构单元，20-通用运算单元，30-控制模组，11-控制逻辑组件，12-中央控制组件，13-通讯组件，14-执行管理驱动组件，15-传感管理驱动组件、40-上位机、50-被控关节、16-神经网络子组件、161-循环神经网络、162-输入层、163-隐藏层、164-输出层。

具体实施方式

为了使本申请所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定***结构、技术之类的具体细节，以便透彻理解本申请实施例。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其它实施例中也可以实现本申请。在其它情况中，省略对众所周知的现有技术的详细说明，以免不必要的细节妨碍本申请的描述。

应当理解，当在本申请说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。

还应当理解，在本申请说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。

如在本申请说明书和所附权利要求书中所使用的那样，术语“如果”可以依据上下文被解释为“当...时”或“一旦”或“响应于确定”或“响应于检测到”。类似地，短语“如果确定”或“如果检测到[所描述条件或事件]”可以依据上下文被解释为意指“一旦确定”或“响应于确定”或“一旦检测到[所描述条件或事件]”或“响应于检测到[所描述条件或事件]”。

另外，在本申请说明书和所附权利要求书的描述中，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本申请说明书中描述的参考“一个实施例”或“一些实施例”等意味着在本申请的一个或多个实施例中包括结合该实施例描述的特定特征、结构或特点。由此，在本说明书中的不同之处出现的语句“在一个实施例中”、“在一些实施例中”、“在其他一些实施例中”、“在另外一些实施例中”等不是必然都参考相同的实施例，而是意味着“一个或多个但不是所有的实施例”，除非是以其他方式另外特别强调。术语“包括”、“包含”、“具有”及它们的变形都意味着“包括但不限于”，除非是以其他方式另外特别强调。

实施例一

请参阅图1至图5，现对本申请实施例提供的控制模组30进行说明。

如图1所示，本申请提供的控制模组30，包括：中央控制组件12，至少一个传感管理驱动组件15、至少一个执行管理驱动组件14、至少一个控制逻辑组件11。

其中，执行管理驱动组件14用于驱动其下辖的执行管理模组。执行管理驱动组件14与执行管理模组之间可以是一对多的对应关系。执行管理模组连接并控制至少一个执行元件。

传感管理驱动组件15用于驱动其下辖的传感管理模组。传感管理模组连接并控制至少一个传感元件。

在一种实施例中，传感管理模组可配置为信号采样电路；进一步的，传感管理模组可对信号采样电路的输出信号进行信号处理，将模拟信号转化为数字信号。控制模组30可包括独立的信号处理组件单元，与传感管理驱动组件15连接，适用于信号量特别大，处理算法特别复杂的情况。传感管理驱动组件15与传感管理模组之间可以是一对多的对应关系。

执行元件可包括电机，液压元件，气动元件，人工肌肉中的一种或多种。执行元件受执行管理模组的控制。在一种实施例中，执行管理模组配置为执行元件的驱动电路，如电机驱动电路。执行管理驱动组件14可配置为包括用于驱动执行管理模组的固件程序、软件程序、或者硬件。在执行管理驱动组件14的其中一项工作中，执行管理驱动组件14可接受目标执行元件(如电机)的目标转向、目标速度、目标电流、目标电压的二进制编码，转换成执行管理模组需要的输入信号(如PWM波形)。

传感管理模组可对传感元件供电，通过施加恒定电源或以周期扫描的方式施加电源。传感管理模组可对这些传感元件的输出信号进行放大、滤波、采样与转换，监测是否有传感元件缺失或工作异常，以及将监测结果上传至传感管理驱动组件15。传感管理模组可采用模数转换器件、控制器件、通讯协议芯片、电源管理芯片等元件构成电路，并搭载程序以实现上述功能。传感管理驱动组件15可配置为包括用于驱动传感管理模组的固件程序、软件程序、或者硬件。所述传感管理驱动组件15可接受针对目标传感元件的目标采样频率、目标信号传输波特率的二进制编码，并转换成传感管理模组需要的输入信号(如以SPI协议与模数转换芯片通讯)。

执行管理模组一般只监测执行元件的电流、电压、温度等，形成电流环、电压环、温度环等。执行管理模组还监测执行元件如电机自带的编码器以测量转速、转角。执行管理模组对执行元件进行控制，并监测执行元件是否缺失或工作异常，并将执行元件的电流、电压、速度和监测结果上传至执行管理驱动组件14。

所述控制逻辑组件11与所述中央控制组件12相互连接、交换信息。所述控制逻辑组件11分别与所述传感管理驱动组件15、所述执行管理驱动组件14相互连接、交换信息。

控制逻辑组件11可根据收到的指令进行解算，将解算后的信息传递给执行管理驱动组件14和/或传感管理驱动组件15。

在本申请的一个实施例中，所述控制模组30还包括至少一个通讯组件13。通讯组件13与***设备通讯。***设备可包括上位机40以及输入、输出设备等。通讯组件13与中央控制组件12连接。

本申请的控制模组30，可由***设备(包括上位机40)进行全方位控制：所述通讯组件13将接收到的***设备的讯息传递给中央控制组件12。所述控制逻辑组件11接收来自中央控制组件12的指令。

例如，中央控制组件12接收到的上位机40目标指令包括相关关节的目标角度，经过控制逻辑组件11解算，得到相关关节对应的执行元件的执行参数(如方向、速度、电流、电压)；执行管理驱动组件14进一步将执行参数翻译成执行管理模组所需要的信号(如方向信号、PWM频率和占空比信号)；再由执行管理驱动组件14驱动执行管理模组。

在一个实施例中，控制模组30包括多个控制逻辑组件11。实际使用时，机器人的一个上位机40可控制多个控制模组30。每个控制模组30可用于控制一个多自由度肢体。例如人型机器人可以为每个手臂、躯干、腿部分别配以一个控制模组30，由位于机器人头部的中央处理模组作为上位机40，统管所有控制模组30，进而协调控制机器人全身。

进一步的，任一控制逻辑组件11可以与至少一其它控制逻辑组件11连接，进行单向或双向通讯、交换信息。该设计的有益效果在于，若机器人的自由度/关节数量多，各自由度/关节涉及的控制模型或者控制环路间存在耦合时，控制逻辑组件11之间的信息交换能够使各控制环路完成解算，尤其适合基于神经网络的控制算法、基于计算力矩法的控制算法、基于状态空间法的控制算法、基于观测器的控制算法、基于状态机的控制算法。例如，如图3所示，控制模组30与上位机40连接。每个被控关节50与一个控制逻辑组件11连接形成控制环路(驱动电路、采样电路已略去)，各被控关节50间需要交换状态信息，就是通过不同控制逻辑组件11之间的通讯来实现，以进行各关节控制量之间的解耦或者耦合。

进一步的，本申请中，所述通讯组件13与传感管理驱动组件15、执行管理驱动组件14、控制逻辑组件11中的至少一个进行通讯。上位机40发来的讯息，经解码后，可经通讯组件13的路由直接传给相应的目标组件而不必经过中央控制组件12，效率高。

在一个实施例中，通讯组件13与控制逻辑组件11进行通讯，所述通讯组件13将经解码的上位机40发来的讯息直接传递给相应的控制逻辑组件11。

在一个实施例中，通讯组件13与执行管理驱动组件14进行通讯，所述通讯组件13将上位机40的指令直接传递给相应的执行管理驱动组件14。

在一个实施例中，通讯组件13与传感管理驱动组件15进行通讯，所述通讯组件13将上位机40的指令直接传递给相应的传感管理驱动组件15。

所述中央控制组件12可与所述传感管理驱动组件15、所述执行管理驱动组件14中的至少一个连接。这样，中央控制组件12能够收到所述传感管理驱动组件15、所述执行管理驱动组件14的状态信息，进行更好的决策。例如，中央控制组件12能够收到所述传感管理驱动组件15的状态信息，根据传感信息的变化率做出决策，并指示传感管理驱动组件15调整采样频率。

如图2所示，本申请的控制模组30可配置为包括可重构单元10和通用运算单元20的嵌入式电路。其中，所述可重构单元10和通用运算单元20通讯。例如，所述可重构单元10和通用运算单元20之间可全双工通讯。

可重构单元10可配置为FPGA，通用运算单元20可配置为ARM。FPGA与作为通用运算单元20的ARM可以为独立芯片；也可以绑定在同一个芯片中；还可以在可重构单元10的FPGA中嵌入ARM的固件。在一个优选的方案中，可重构单元10的FPGA与ARM绑定在同一个芯片中，以提高二者间通讯带宽。

或者，通用运算单元20的ARM也可由DSP电路/芯片替代，可实现相同功能。前者更灵活可以支持任意通讯协议栈；后者简单可靠，价格便宜。

在另一种实施例中，通用运算单元20(ARM或DSP)可以作为可重构单元10的一部分，即在可重构单元10(FPGA)中嵌入通用运算单元20(ARM或DSP)的固件。

所述控制模组30采用FPGA作为可重构单元10的好处是，其搭载的各个组件可以并行执行，尤其适合解决多传感元件、多执行元件、多控制目标的情况，能够高速实时响应。而采用ARM或DSP进行通讯管理的好处，是因为ARM或DSP编解码的高效，软件(相较于固件)可以更灵活地实现、升级通讯协议、路由规则，开发便捷。尤其是使用ARM可以搭载嵌入式***，更好的支持WiFi/以太网协议栈。

作为替代的方案，可重构单元10还可以配置为可重构硬件。可重构硬件是指硬件线路、功能可以根据软件在运行时重构的硬件设备。

通用运算单元20(如ARM)与***设备(如上位机40)通讯。例如，所述通用运算单元20(如ARM)与***设备(如上位机40)全双工通讯，交换第一讯息(例如以太网数据包)，由***设备(如上位机40)向通用运算单元20(如ARM)发送第一讯息。所述通用运算单元20(如ARM)对第一讯息进行解码、编码，得到第二讯息(机器码)，并以第二讯息与可重构单元10通讯。

如果第一讯息是加密的，则通用运算单元20(如ARM)可对第一讯息进行解密。通用运算单元20(如ARM)可对可重构单元10发来的第二讯息进行加密得到第一讯息，再发给***设备(如上位机40)。

可重构单元10的通讯组件13能够与通用运算单元20(如ARM)通讯。在一个实施例中，可重构单元10的通讯组件13能够与通用运算单元20(如ARM)全双工通讯，并通过通用运算单元20(如ARM)与***设备全双工通讯。通用运算单元20(如ARM)将所述第二讯息传给可重构单元10(如FPGA)。所述可重构单元10对第二讯息进行编码、解码；根据第二讯息中的目标，将第二讯息重组成合适的控制指令(format)，并传给相应的组件(即目标组件)；这个控制指令(format)中可带有目标编号、指令(即机器码)、参数。参数可以包括：角度值、速度值、力矩值、重要性系数等等。

所述可重构单元10包括上述的中央控制组件12、至少一个所述传感管理驱动组件15、至少一个所述执行管理驱动组件14、至少一个所述控制逻辑组件11；此外，所述可重构单元10还可以包括至少一个所述通讯组件13(取决于通讯的复杂程度)；如果通讯较复杂，则所述可重构单元10由所述通讯组件13对第二讯息进行编码、解码，以及路由给相应的组件。在控制模组30内部，可由中央控制组件12进行统一协调、控制。

本申请的控制模组30，从与***设备(如上位机40)通讯获得第一讯息到对第一讯息进行解码、编码得到第二讯息的机器码，通讯协议的升级改造主要发生在通用运算单元20(如ARM)中，因此升级时仅需对通用运算单元20(如ARM)进行；便于进行升级改造。

所述控制模组30支持一种或者多种控制模式。所述控制模组30通过控制逻辑组件11可以实现不同控制模式、控制算法。

控制逻辑组件11可配置为包括控制算法，控制算法可配置为基于神经网络的控制算法、基于计算力矩法的控制算法、基于状态空间法的控制算法、基于观测器的控制算法、或者基于状态机的控制算法等。

在本申请的一个实施例中，所述控制逻辑组件11可受中央控制组件12的控制。由中央控制组件12向相应控制逻辑组件11发出指令，在不同的控制模式间切换。

不同控制模式、控制算法可以由不同控制逻辑组件11实现；切换控制模式、控制算法时，由中央控制组件12使能相应的控制逻辑组件11即可。例如，一个控制逻辑组件11可以提供基于神经网络的控制算法，另一个控制逻辑组件11可以提供基于状态空间法的控制算法。

多种控制模式、控制算法也可以由同一个控制逻辑组件11实现；切换控制模式、控制算法时，由中央控制组件12向控制逻辑组件11发出指令，控制逻辑组件11内部切换至相应控制模式、控制算法。

在本申请的一个实施例中，所述控制模组30能够根据***设备传来的指令在不同的控制模式间切换。

例如，***设备(上位机40)传来第一讯息，经由通用运算单元20(ARM)对第一讯息进行解码、编码，得到第二讯息(机器码)，并传给可重构单元10(FPGA)。可重构单元10(FPGA)接收到第二讯息，该第二讯息包括控制模式指令、目标、参数。如控制模式指令指定一些执行元件(即目标元件)采用下位机开环控制模式，则中央控制组件12对相应控制逻辑组件11去使能。第二讯息可通过通讯组件13的路由，被直接传递给执行管理驱动组件14。在其它实施例中，第二讯息也可通过通讯组件13的路由，被直接传递给传感管理驱动组件15或者控制逻辑组件11。

本申请的控制模组30可支持下位机闭环控制模式，即由***设备(如上位机40)提供目标指令，所述控制模组30作为下位机进行闭环控制。

在下位机闭环控制模式中，根据***设备提供的目标指令，控制逻辑组件11进行解算并将解算后的信息传递给执行管理驱动组件14和/或传感管理驱动组件15。

例如，在下位机闭环控制模式下，目标指令指定任意关节的目标角度，经过控制逻辑组件11的解算，得到相应执行元件应施加的目标电压和/或目标电流，再由执行管理驱动组件14驱动执行管理模组为执行元件提供电压和/或电流。执行元件的电压和/或电流等反馈值信息经执行管理模组上传至控制模组30形成反馈闭环。

下位机闭环控制模式的好处在于：下位机响应快速，并行度好；能减少上位机40的运算压力。

本申请的控制模组30还可以支持下位机开环控制模式，即由***设备(如上位机40)提供目标指令，所述控制模组30作为下位机进行开环控制。

在下位机开环控制模式中：所述执行管理驱动组件14可根据***设备提供的目标指令对所述执行管理驱动组件14进行控制，和/或，所述传感管理驱动组件15可根据***设备提供的目标指令对所述传感管理驱动组件15进行控制。例如，在下位机开环控制模式下，目标指令指定任意执行元件的目标电压和/或目标电流，由执行管理驱动组件14驱动执行管理模组为执行元件提供电压和/或电流。不需要经过控制逻辑组件11形成闭环。

所述下位机开环控制模式的好处在于：

(1)上位机40可以直接控制到执行元件，便于调试；

(2)支持由上位机40进行全方位控制，例如上位机40采用类脑计算的控制方式，类脑神经网络可以在上位机40运行，算力比下位机更强；

(3)在下位机开环控制模式，下位机仍可以进行应急响应。

在本申请的一个实施例中，控制模组30能够根据传感元件和/或执行元件的信息做出判断，并在不同的控制模式间切换。

所述传感管理驱动组件15和/或所述执行管理驱动组件14将信息上传至中央控制组件12。由中央控制组件12根据上传的信息判断采用何种控制模式，并控制(或使能相应的)控制逻辑组件11在不同的控制模式间切换。

例如，某传感器缺失，传感管理驱动组件15判断该传感器缺失并将此信息传给中央控制组件12，中央控制组件12决定在所涉及的控制环路采取状态空间法进行控制，即以预设模型估测缺失传感器的信息，并使能相应的控制逻辑组件11。

再如，如果某执行元件的温度达到预设温度上限，传感管理驱动组件15判断该执行元件温度过高，并将此信息传给中央控制组件12，中央控制组件12决定对该执行元件采取保护措施，降低供电电压/电流，甚至断电，中央控制组件12对执行管理驱动组件14进行控制，由执行管理驱动组件14进一步执行。

作为进一步改善的方案，所述控制模组30可包括信号处理组件。信号处理组件具有至少一种滤波方式。

所述信号处理组件与传感管理驱动组件15相连接，或者，所述信号处理组件设置在传感管理驱动组件15内。

所述控制模组30能够根据***设备传来的指令在不同的滤波方式间切换。

在一种实施例中，不同的滤波方式由不同的传感管理驱动组件15实现。例如，当中央控制组件12接收到第二讯息，该第二讯息包括滤波模式指令、目标、参数，滤波模式指令指定一些传感元件(即目标)采用平均滤波方式，则中央控制组件12为相应传感元件使能相应的传感管理驱动组件15(即采用了平均滤波方式)，并给相应的传感管理驱动组件15赋值(滤波参数)。

或者，同一个传感管理驱动组件15可以支持多种滤波方式，由中央控制组件12根据第二讯息控制传感管理驱动组件15在不同滤波方式中切换，不再赘述。

所述控制模组30还能够根据传感元件和/或执行元件的信息做出判断，在不同的滤波方式间切换。

本申请的控制模组30，能够调整传感管理模组的信号采样模式。

信号采样模式包括：信号采样频率、信号采样波特率、信号采样位数、信号采样通道数量、信号采样通道切换等。

传感管理模组一般包括ADC和辅助电路。ADC的信号采样频率、信号采样波特率、信号采样位数、信号采样通道数量、信号采样通道切换速度等可以调整，由控制模组30与传感管理模组之间的通讯来实现调整。

在本申请的一个实施例中，所述控制模组30能够根据传感元件和/或执行元件的信息调整信号采样模式。

中央控制组件12可包括信号采样控制子组件，信号采样控制子组件根据传感元件和/或执行元件的信息判断信号采样模式，并指令传感管理驱动组件15调整信号采样模式。

例如，某传感元件的输出信号长时间不变化，则控制模组30可以降低对该传感元件的采样频率，或者在信号采样通道切换时暂时跳过对该传感元件的采样。

传感管理驱动组件15对传感元件的输出信号变化率进行监测，并将监测信息传给中央控制组件12；由中央控制组件12决定调整为何种采样模式，并指令传感管理驱动组件15驱动传感管理模组实现。

在本申请的一个实施例中，所述控制模组30能够根据***设备传来的指令调整信号采样模式。***设备将控制信息传递中央控制组件12；中央控制组件12包括信号采样控制子组件，所述信号采样控制子组件根据所述控制信息指令传感管理驱动组件15调整信号采样模式。

例如，当***设备(如上位机40)需要加强对触觉信号的采样频率，则向控制模组30(下位机)发出第一讯息，经由通用运算单元20(ARM)对第一讯息进行解码、编码，得到第二讯息(机器码)，第二讯息(机器码)传递给可重构单元10(FPGA)；经由通讯组件13路由，中央控制组件12接收到第二讯息，该第二讯息包括目标(传感器编号)、指令(调整采样频率)、参数(采样频率)，进一步由中央控制组件12指示传感管理驱动组件15实现调整采样模式。

在本申请的一个实施例中，所述控制模组30能够调整信息上传模式，以节省上传通信带宽。所述控制模组30的信息上传模式包括以下的一种或多种：

常规上传模式，所述控制模组30按照给定频率上传信息；

事件触发上传模式，所述控制模组30(中央控制组件12)根据给定触发条件上传特定的信息；

自适应上传模式，所述控制模组30根据相关信息的变化率，判断是否上传任一信息以及上传频率。

常规上传模式，即连续上传信息；控制模组30按照给定频率上传信息(包括传感器信息、监测信息、执行元件信息、内部状态信息等)。常规上传模式采用持续通讯方式，该方式优点是可以让上位机40持续密集监测下位机乃至整个***的工作是否正常，数据可靠稳定；如果有通讯丢包情况，也能及时发现并纠正。该方式缺点是当传感器数量较多，会占用过多通讯带宽，也会给中央处理模组太多运算压力。

事件触发上传模式，即中央控制组件12根据给定触发条件，采取相应处理过程，上传给定信息。事件触发上传模式采用间歇性通讯，优点是不必实时上传所有信息，可以节省带宽。

自适应上传模式，即控制模组30根据信息的变化率，判断是否上传任一信息、上传频率。自适应上传模式针对信息有变化的情况才进行通讯，进一步节省通讯带宽。例如，如果传感管理驱动组件15判断触觉传感元件信息长时间无变化(低于给定变化率阈值)，或者幅值长时间低于给定幅值阈值，就协调通讯组件13减少上传频率甚至停止上传触觉传感元件信息，反之亦然。

在本申请的一个实施例中，所述控制模组30能够进行应急响应。控制模组30中可包括应急响应控制组件。

在一个实施例中。应急响应控制组件中包括神经网络子组件16。所述神经网络子组件16用于应急处理，并在应急处理时控制执行管理驱动组件14。

本申请的控制模组30，优选由上位机40进行全方位控制，例如上位机40采用类脑计算的控制方式，类脑神经网络可以在上位机40运行，算力比下位机更强。但是在突发情况下，下位机的神经网络子组件16可以进行应急响应；下位机的应急响应速度较快，可以更快进行响应处理。

所述神经网络子组件16可包括循环神经网络(RNN)等神经网络。通过循环神经网络(RNN)模拟脊髓神经环路的算法或程序。脊髓神经环路，可用于应急处理的动作为复杂轨迹的情况，运动轨迹可由神经网络编码。图5所示为一种循环神经网络(RNN)的拓扑结构示意图，包括输入层162、隐藏层163、输出层164。

所述神经网络子组件16可通过神经元间的联接关系和权重来编码运动轨迹。运动轨迹包括一至多个动作序列的组合；每个动作序列由一至多个元动作在时间维度排列组成；每个元动作表示一个对应的执行元件的动作。

如图4所示，所述神经网络子组件16可与执行管理驱动组件14、传感管理驱动组件15相连接。例如，神经网络子组件16与执行管理驱动组件14连接，并根据编码运动轨迹可控制执行管理驱动组件14进而对执行元件进行控制。

例如，当出现压力过载、关节位置超限等情况，为避免损伤机器人，中央控制组件12启动基于神经网络的运动控制算法，使机器人执行编码的运动轨迹，从而实现应急响应。

循环神经网络(RNN)可以嵌入到可重构单元10(如FPGA)中，包括该循环神经网络(RNN)的神经网络子组件16独立于FPGA的其它组件。

所述神经网络子组件16可同时与执行管理驱动组件14、传感管理驱动组件15单向或双向通讯，即接受执行管理驱动组件14和/或传感管理驱动组件15的信息、并向相应的执行管理驱动组件14和/或传感管理驱动组件15发出指令。如图4所示，所述神经网络子组件16可与中央控制组件12连接，接受统一协调控制。

在一种实施例中，中央控制组件12可以实现为状态机，或者逻辑集合，通过固件编程实现。

实施例二

在另一方面，本申请还提供了一种控制装置。所述控制装置包括如实施例一所述的一种控制模组30。

实施例三

本申请还提供了一种机器人。所述机器人包括如实施例一所述的一种控制模组30。机器人包括但不限于仿生机器人、人型机器人、操作型机器人、协作型机器人、具有多个自由度的机械手或者灵巧手***、具有多个自由度的仿生机械足、其它类别的多关节的机器等。

所述机器人包括多个关节，还包括如实施例一所述的传感元件、执行元件、执行管理模组以及传感管理模组。

机器人可进一步包括上位机40。控制模组30可用于控制一个多自由度肢体或者多自由度部分结构，机器人的一个上位机40可通过控制多个控制模组30，进而协调控制机器人全身。

如图3所示，控制模组30与上位机40连接。每个被控关节50与控制模组30的一个控制逻辑组件11连接形成控制环路(驱动电路、采样电路已略去)；其中一控制逻辑组件11与至少另一控制逻辑组件通讯11。各被控关节50间需要交换状态信息，就是通过不同控制逻辑组件11之间的通讯来实现，以进行各关节控制量之间的解耦或者耦合。图3中控制模组30的其他组件未示意出。

本申请所提供的一种控制模组30、控制装置及机器人，有益效果在于：

每个控制模组30可用于控制一个多自由度肢体或者多自由度部分结构，机器人的一个上位机40可通过控制多个控制模组30，进而协调控制机器人全身。控制模组30可包括多个控制逻辑组件11；机器人的每个关节可由一个控制逻辑组件11形成控制环路，当机器人的自由度/关节较多时，控制逻辑组件11可以使得多个关节的各控制环路能并行计算，响应效率高。

任一控制逻辑组件11可以与至少一其它控制逻辑组件11进行单向或双向通讯、交换信息。所述任一控制逻辑组件11根据收到的信息完成控制解算。该设计的有益效果在于，若机器人的自由度/关节数量多，各自由度/关节涉及的控制模型或者控制环路间存在耦合时，控制逻辑组件11之间的信息交换能够使各控制环路完成解算，实现各关节控制量之间的解耦或者耦合。

本申请的控制模组30，各控制环路可并行计算，响应效率高。作为可重构单元10的FPGA或者可重构硬件，其搭载的各个组件可以并行执行，尤其适合解决多传感元件、多执行元件、多控制目标的情况，能够高速实时响应；当机器人的自由度/关节较多时，控制逻辑组件11可以使得多个关节的各控制环路能并行计算，响应效率高。

本申请的控制模组30的通讯效率高。通用运算单元20与***设备(如上位机40)通讯，交换第一讯息；通用运算单元20对第一讯息进行解码、编码，得到第二讯息(机器码)，并以第二讯息与可重构单元10通讯。通用运算单元20配置为ARM或DSP，ARM或DSP编解码比较高效，可以更灵活地实现、升级通讯协议、路由规则，开发便捷。尤其是使用ARM可以搭载嵌入式***，更好的支持WiFi/以太网协议栈。通讯组件13能够与通用运算单元20通讯，对第二讯息进行编码、解码，并根据第二讯息将指令传至对应的组件如中央控制组件12、控制逻辑组件11、传感管理驱动组件15、执行管理驱动组件14中的至少一个。另外，不同控制逻辑组件11之间可进行单向或双向通讯。

本申请的控制模组30，从与***设备(如上位机40)通讯获得第一讯息到对第一讯息进行解码、编码得到第二讯息的机器码，通讯协议的升级改造主要发生在通用运算单元20中，因此升级时仅需对通用运算单元20进行；便于进行升级改造。

本申请的控制模组30，具有多种控制模式：可由***设备(包括上位机40)进行全方位控制，还可由中央控制组件12进行统一协调、控制(下位机自主控制)；在前者中，***设备可以通过通讯组件13直接与传感管理驱动组件15、执行管理驱动组件14、控制逻辑组件11中的至少一个进行通讯，而不必经过中央控制组件12，响应效率高。

本申请的控制模组30支持在不同的控制模式下切换：控制模组30可根据***设备传来的指令在不同的控制模式间切换；控制模组30也可以根据传感元件和/或执行元件的信息在不同的控制模式间切换。

控制模组30可支持下位机闭环控制模式；下位机闭环控制模式的好处在于：下位机响应快速，并行度好；能减少上位机40的运算压力。

所述控制模组30可支持下位机开环控制模式；所述下位机开环控制模式的好处在于：上位机40可以直接控制到执行元件，便于调试；支持由上位机40进行全方位控制，例如上位机40采用类脑计算的控制方式，类脑神经网络可以在上位机40运行，算力比下位机更强；在下位机开环控制模式，下位机仍可以进行应急响应。

所述控制模组30可包括信号处理组件。信号处理组件可具有多种滤波方式，所述控制模组30能够根据***设备传来的指令在不同的滤波方式间切换。

本申请的控制模组30能够调整传感管理模组的信号采样模式。控制模组30能够根据传感元件和/或执行元件的信息调整信号采样模式。或者，控制模组30能够根据***设备传来的指令调整信号采样模式。

本申请的控制模组30具有多种信息上传模式，能够根据需求调整信息上传模式。信息上传模式包括常规上传模式、事件触发上传模式、自适应上传模式。常规上传模式采用持续通讯方式，该方式优点是可以让上位机40持续密集监测下位机乃至整个***的工作是否正常，数据可靠稳定。事件触发上传模式采用间歇性通讯，优点是不必实时上传所有信息，可以节省带宽。在自适应上传模式下，控制模组30根据信息的变化率，判断是否上传任一信息、上传频率，进一步节省带宽。本申请的控制模组30可根据实际需求采用合适的信息上传模式。

在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述或记载的部分，可以参见其它实施例的相关描述。

以上所述仅为本申请的较佳实施例而已，并不用以限制本申请。尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：凡在本申请的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (26)

1.一种控制模组，其特征在于，包括：中央控制组件，至少一个传感管理驱动组件、至少一个执行管理驱动组件、至少一个控制逻辑组件；

所述传感管理驱动组件用于驱动传感管理模组；所述执行管理驱动组件用于驱动执行管理模组；

所述中央控制组件与所述控制逻辑组件连接；

所述控制逻辑组件分别与所述传感管理驱动组件、所述执行管理驱动组件连接。

2.如权利要求1所述的控制模组，其特征在于，所述控制模组还包括至少一个通讯组件，所述通讯组件与***设备通讯；所述通讯组件与所述中央控制组件连接。

3.如权利要求2所述的控制模组，其特征在于，所述通讯组件将接收的讯息传递给中央控制组件；所述控制逻辑组件接收来自中央控制组件的指令。

4.如权利要求1所述的控制模组，其特征在于，所述控制模组包括多个控制逻辑组件，其中一控制逻辑组件可与至少另一控制逻辑组件通讯。

5.如权利要求2所述的控制模组，其特征在于，所述通讯组件与传感管理驱动组件、执行管理驱动组件、控制逻辑组件中的至少一个进行通讯。

6.如权利要求1所述的控制模组，其特征在于，所述中央控制组件与所述传感管理驱动组件、所述执行管理驱动组件中的至少一个连接。

7.如权利要求1所述的控制模组，其特征在于，所述控制模组配置为包括可重构单元和通用运算单元；所述可重构单元和通用运算单元通讯；

所述可重构单元包括如权利要求1所述的至少一个所述传感管理驱动组件、至少一个所述执行管理驱动组件、至少一个所述控制逻辑组件、以及所述中央控制组件；

所述通用运算单元与***设备通讯，交换第一讯息；所述通用运算单元对第一讯息进行解码、编码，得到第二讯息，并以第二讯息与可重构单元通讯；

所述可重构单元对第二讯息进行编码、解码，根据第二讯息将指令传至对应的组件。

8.如权利要求7所述的控制模组，其特征在于，所述可重构单元还包括至少一个通讯组件。

9.如权利要求7所述的控制模组，其特征在于，所述通用运算单元为ARM或DSP，所述可重构单元

为FPGA或者可重构硬件。

10.如权利要求1所述的控制模组，其特征在于，所述控制模组通过控制逻辑组件支持一种或者多种控制模式。

11.如权利要求10所述的控制模组，其特征在于,

所述控制逻辑组件受中央控制组件的控制，由中央控制组件向所述控制逻辑组件发出指令，在不同的控制模式间切换；或者，

所述控制逻辑组件受***设备的控制，根据***设备传来的指令在不同的控制模式间切换。

12.如权利要求5所述的控制模组，其特征在于，所述控制模组支持下位机闭环控制模式；

在下位机闭环控制模式中，由***设备提供目标指令，所述控制模组作为下位机进行闭环控制。

13.如权利要求1所述的控制模组，其特征在于，所述控制模组支持下位机开环控制模式；

在下位机开环控制模式中，由***设备提供目标指令，所述控制模组作为下位机进行开环控制。

14.如权利要求1所述的控制模组，其特征在于，控制模组能够根据传感元件和/或执行元件的信息做出判断，在不同的控制模式间切换。

15.如权利要求1所述的控制模组，其特征在于，所述控制模组包括信号处理组件，所述信号处理组件具有至少一种滤波方式；

所述信号处理组件与传感管理驱动组件相连接，或者，所述信号处理组件设置在传感管理驱动组件内。

16.如权利要求15所述的控制模组，其特征在于，所述控制模组能够根据***设备传来的指令在不同的滤波方式间切换；或者，所述控制模组能够根据传感元件和/或执行元件的信息做出判断，在不同的滤波方式间切换。

17.如权利要求1所述的控制模组，其特征在于，所述控制模组能够调整传感管理模组的信号采样模式。

18.如权利要求17所述的控制模组，其特征在于，所述中央控制组件根据传感元件和/或执行元件的信息判断信号采样模式，并指令传感管理驱动组件调整信号采样模式。

19.如权利要求17所述的控制模组，其特征在于，所述***设备将控制信息传递中央控制组件，所述中央控制组件根据所述控制信息指令传感管理驱动组件调整信号采样模式。

20.如权利要求1所述的控制模组，其特征在于，所述控制模组的信息上传模式包括以下的一种或多种：

常规上传模式，所述控制模组按照给定频率上传信息；

事件触发上传模式，所述控制模组(中央控制组件)根据给定触发条件上传特定的信息；

自适应上传模式，所述控制模组根据信息的变化率，判断是否上传任一信息以及上传频率。

21.如权利要求1所述的控制模组，其特征在于，所述控制模组中还包括应急响应控制组件。

22.如权利要求21所述的控制模组，其特征在于，所述应急响应控制组件中包括神经网络子组件；所述神经网络子组件用于应急处理，并在应急处理时控制执行管理驱动组件；

所述神经网络子组件通过神经元间的联接关系和权重来编码运动轨迹。

23.如权利要求22所述的控制模组，其特征在于，所述神经网络子组件与执行管理驱动组件、传感管理驱动组件相连接；所述神经网络子组件接收执行管理驱动组件和/或传感管理驱动组件的信息，并向相应的执行管理驱动组件和/或传感管理驱动组件发出指令。

24.一种控制装置，包括如权利要求1-23任一项所述的控制模组。

25.一种机器人，包括传感元件、执行元件、多个关节、以及如权利要求1-23任一项所述的控制模组。

26.如权利要求25所述的机器人，其特征在于，所述机器人包括上位机，所述控制模组与上位机连接；每个被控关节与控制模组的一个控制逻辑组件连接形成控制环路；其中一控制逻辑组件与至少另一控制逻辑组件通讯。