一種仿蛇型軟體機器人控制系統和控制方法
【專利摘要】本發明公開了一種仿蛇型軟體機器人控制系統，該控制系統包括整機控制器以及至少一個單體裝置，整機控制器通過無線通訊裝置與單體裝置通訊連接；單體裝置包括順次連接的無線通訊電路、單體控制器、運動控制電路以及電機，單體裝置內部還安裝有供電電池以及用于實時監控供電電池使用狀態的電池管理電路。一種仿蛇形軟體機器人控制方法，包括建立單體裝置的運動學和動力學模型步驟和建立整體的仿蛇形軟體機器人的運動學和動力學模型步驟。本發明的有益效果為：通過應用該仿蛇型軟體機器人控制系統和控制方法可以靈活控制仿蛇型軟體機器人運動，使得仿蛇型軟體機器人可以廣泛應用于醫療器械、救災等多個【技術領域】。
【專利說明】一種仿蛇型軟體機器人控制系統和控制方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及機器人【技術領域】，具體涉及一種仿蛇型軟體機器人控制系統和控制方法。
【背景技術】
[0002]軟體機器人技術是一項前瞻性的研究技術，在國內外都已經引起了相當廣泛的關注，而傳統的機器人主要是應用在工業的范圍內，其本身的技術含量和成本比較高，不適用于日益增長的民用機器人領域的需求。
[0003]仿蛇型軟體機器人主要是通過模仿蛇的結構和型狀，采用軟體材料或者多個模塊制成，它們具有很高的自由度和幾乎連續型變的能力，此類機器人構成的末端執行器，能夠到達空間中的任意一點，并且對壓力具有低阻抗，因此，它具有傳統機器人無法比擬的環境適應性等特點，甚至可以通過主動變型和被動變型相結合，可以進入狹小的空間，適應多變的環境。例如，可以作為新型的醫療器械，進入口腔、肛門、胃等身體部位，以減少傳統器械給病人帶來的痛苦；可以進入地震、核輻射場所等危險系數高的環境和非常復雜的地方進行搜救工作；可以制造為人類服務的機器人，使得機器人在與人類溝通的時候減少危險性。
[0004] 申請人:曾經于歐盟軟體機器人項目研究組工作多年，深入地了解了世界前沿課題的先進性，目前國內外各大科研機構都展開了相關的課題，然而，此類機器人的產品卻寥寥無幾，究其原因，廣大的科學工作者只是集中在一種極高端的理論研究。隨著電子產品的精密化、集成化和成本低廉化，其中很多的基礎問題已經被解決，因此我們可以做到部分成果的產業化，希望在未來的軟體機器人甚至服務機器人的產業化方向上起到一個先遣的作用，為新型的信息化產業在產業化方向做一個鋪墊。
[0005]這個方向的市場前景非常廣闊，理由有三:
[0006]1、信息和機器人技術的應用必將是下一次工業革命的核心力量；
[0007]2、真正推動機器人大面積應用和流行的先導力量必將是基礎的機器人和電子信息的模塊的集成；
[0008]3、新型柔性化，智能化的能夠與人類共享工作空間，提供更好的服務質量的機器人產品已經是現階段產品的迫切需求。
[0009]中國現在正處于機器人發展的青壯年期，機器人已經涉足了各個行業，從削面機器人，到掃地機器人，從醫療機器人到，救災機器人，這些元素已經深入人心，然而我們采用基于仿蛇型軟體機器人和其控制方法作為新的思考切入點，希望能夠衍生出各類相關產品并且引導行業的動態發展，具有劃時代的新穎性和強烈的現實需求。
【發明內容】
[0010]為解決現有機器人控制系統復雜的技術缺陷，本發明設計出一種仿蛇型軟體機器人控制系統和控制方法，實現了簡化機器人控制系統的目的，同時也避免了普通機器人運動不夠靈活，不易控制的缺陷。[0011]為實現上述目的，本發明采用的技術方案為:
[0012]一種仿蛇型軟體機器人控制系統，該控制系統包括整機控制器以及至少一個單體裝置，整機控制器通過無線通訊裝置與單體裝置通訊連接；單體裝置包括順次連接的無線通訊電路、單體控制器、運動控制電路以及電機，單體裝置內部還安裝有供電電池以及用于實時監控供電電池使用狀態的電池管理電路。上述整機控制器，是整個仿蛇型軟體機器人的核心控制部件，對整個機器人實現監控。單體裝置和整體機器人的運動學和動力學模型以及機器人的運動控制都通過整機控制器來實現，通過整機控制器計算出每個單體裝置的運動軌跡和距離并通過無線通訊裝置傳遞給各個單體裝置的運動控制電路，從而達到控制效果。同時整機控制器還監視各個單體裝置的運行狀態、外部環境、控制指令等，確保蛇型機器人在可控可靠狀態下運行。供電電池是整個仿蛇型軟體機器人的能量來源，根據機器人的尺寸和設計要求選擇電池容量。電池管理電路是對電池進行監控的電路，如電池剩余電量監視、充電電流和電壓控制、電池環境監視等。
[0013]優選的，無線通訊裝置為W1-Fi通訊裝置。上述W1-Fi通訊裝置是仿蛇型軟體機器人的神經，傳遞內部各單體裝置運動的控制信號、運動狀態數據、外部的控制指令等信號。
[0014]優選的，無線通訊電路為W1-Fi電路。W1-Fi電路用于接收整機控制器的控制信號。
[0015]優選的，運動控 制電路為采用無傳感器的矢量控制技術的伺服驅動器，該伺服驅動器包括依次連接的整流器、濾波器、制動器、IPM逆變器、信號采集單元、模擬運算器以及DSP控制器；整流器的輸出端通過輔助電源與DSP控制器的輸入端相連接；DSP控制器的輸出端與IPM逆變器的控制端相連接。伺服驅動器還包括連接在DSP控制器的輸入端的保護電路。伺服驅動器還包括連接在DSP控制器的輸出端的顯示器和遠程通訊裝置；其中，遠程通訊裝置包括分別接入智能儀表和CAN網絡的聯網通訊單元和CAN通訊單元。運動控制電路采用參數自獲得技術自動計算永磁同步電機的參數，如定子電阻Rs、d軸電感量Lc^Pq軸電感量Lq，并能通過單體控制器計算電機的轉速和位置，實現仿蛇型軟體機器人的精確控制。
[0016]優選的，電機為正弦反電勢的永磁同步電機。電機是仿蛇型軟體機器人的動力來源，其高功率密度的優點能有效的減小機器人的體積和自身重量，使機器人更加靈活。
[0017]一種仿蛇形軟體機器人控制方法，包括以下步驟:(I)建立單體裝置的運動學和動力學模型步驟，整機控制器計算出每個單體裝置的運動學和動力學參數并通過無線通訊裝置傳遞給各個單體裝置的運動控制電路；(2)建立整體的仿蛇形軟體機器人的運動學和動力學模型，在步驟(1)基礎上，整機控制器對不同單體裝置的運動學和動力學參數進行空間坐標變換，并轉換到全局坐標系下，使各個單體裝置的運動學和動力學參數可以轉換到全局坐標，利用全局坐標統一實現仿蛇形軟體機器人的不同構型和運動。
[0018]進一步的，單體裝置內部的運動學和動力學模型均采用并聯模型；相鄰單體裝置間的運動學和動力學模型均采用串聯模型。
[0019]進一步的，建立單體裝置的運動學和動力學模型步驟中，采用的運動學算法如下式:
[0020]
【權利要求】
1.一種仿蛇型軟體機器人控制系統，其特征在于，該控制系統包括整機控制器以及至少一個單體裝置，整機控制器通過無線通訊裝置與單體裝置通訊連接；單體裝置包括順次連接的無線通訊電路、單體控制器、運動控制電路以及電機，單體裝置內部還安裝有供電電池以及用于實時監控供電電池使用狀態的電池管理電路。
2.根據權利要求1所述的仿蛇型軟體機器人控制系統，其特征在于，無線通訊裝置為W1-Fi通訊裝置；無線通訊電路為W1-Fi電路。
3.根據權利要求1所述的仿蛇型軟體機器人控制系統，其特征在于，運動控制電路為采用無傳感器的矢量控制技術的伺服驅動器，該伺服驅動器包括依次連接的整流器、濾波器、制動器、IPM逆變器、信號采集單元、模擬運算器以及DSP控制器；整流器的輸出端通過輔助電源與DSP控制器的輸入端相連接；DSP控制器的輸出端與IPM逆變器的控制端相連接；伺服驅動器還包括連接在DSP控制器的輸入端的保護電路；伺服驅動器還包括連接在DSP控制器的輸出端的顯示器和遠程通訊裝置；其中，遠程通訊裝置包括分別接入智能儀表和CAN網絡的聯網通訊單元和CAN通訊單元。
4.根據權利要求1所述的仿蛇型軟體機器人控制系統，其特征在于，電機為正弦反電勢的永磁同步電機。
5.一種仿蛇形軟體機器人控制方法，其特征在于，包括以下步驟: (1)建立單體裝置的運動學和動力學模型步驟，整機控制器計算出每個單體裝置的運動學和動力學參數并通過無線通訊裝置傳遞給各個單體裝置的運動控制電路； (2)建立整體的仿蛇形軟體機器人的運動學和動力學模型，在步驟(1)基礎上，整機控制器對不同單體裝置的運動學和動力學參數進行空間坐標變換，并轉換到全局坐標系下，使各個單體裝置的運動學和動力學參數可以轉換到全局坐標，利用全局坐標統一實現仿蛇形軟體機器人的不同構型和運動。
6.根據權利要求5所述的仿蛇形軟體機器人控制方法，其特征在于，單體裝置內部的運動學和動力學模型均采用并聯模型；相鄰單體裝置間的運動學和動力學模型均采用串聯模型。
7.根據權利要求6所述的仿蛇形軟體機器人控制方法，其特征在于，建立單體裝置的運動學和動力學模型步驟中，采用的運動學算法如下式:
8.根據權利要求7所述的仿蛇形軟體機器人控制方法，其特征在于，建立單體裝置的運動學和動力學模型步驟中，在動力學建模方面，采用牛頓歐拉迭代法，建立多節串聯軟體機器人的模型，采用牛頓歐拉公式來描述第i個關節的力的關系，采用的動力學算法如下式:
9.根據權利要求8所述的仿蛇形軟體機器人控制方法，其特征在于，建立整體的仿蛇形軟體機器人的運動學和動力學模型步驟中，其中一個單體裝置針對全局的運動學方程式如下:
10.根據權利要求9所述的仿蛇形軟體機器人控制方法，其特征在于，建立整體的仿蛇形軟體機器人的運動學和動力學模型步驟中，其中一個單體裝置針對全局的動力學方程式如下:
【文檔編號】B25J9/18GK103978485SQ201410204549
【公開日】2014年8月13日 申請日期:2014年5月15日 優先權日:2014年5月15日
【發明者】鄭天江, 余國民, 余學渭, 陳雷, 葉朋偉, 黃官仲, 黃繼超 申請人:鄭天江