一種基于雙層cpg的多工業機械臂控制器的制造方法
【專利摘要】本發明公開了一種基于雙層CPG的多工業機械臂控制器，通過采用與控制無脊椎動物運動的神經節和脊椎動物運動的中樞神經系統所具有分層神經元網絡相似的結構，將多工業機械臂控制系統與單個工業機械臂的特點相結合，使多工業機械臂集體協作和信息交互具有高效協同性。采用柔性關節和豐富的傳感器系統，在提高多工業機械臂信息利用率的同時，實現對多工業機械臂各關節的有效控制，使系統具有高可靠性和穩定性。在保證工業機械臂具有足夠動力性能和自由度的同時，也具有自主運動能力。機械臂控制器由相位協調層和運動模式發生層組成，相位協調層實現對各工業機械臂的相序鎖定，運動模式層對各工業機械臂進行軌跡規劃和姿態調整。
【專利說明】-種基于雙層CPG的多工業機械臂控制器
【技術領域】
[0001] 本發明屬于自動控制【技術領域】，具體地說，涉及一種基于雙層CPG的多工業機械 臂控制器。
【背景技術】
[0002] 中樞模式發生器（Central Pattern Generator, CPG)是一類存在于無脊椎動物和 脊椎動物的中樞神經系統中的神經元網路，它能在沒有節律性控制或者反饋輸入情況下產 生有節律的行為，如行走，游泳等。無脊椎動物運動由神經節控制，脊椎動物運動由中樞神 經系統控制，最新研究表明，動物神經節和中樞神經系統具有分層特性，可分為節律發生層 和運動模式發生層。
[0003] 在工業生產中，面對日益繁重的工作任務，用一個結構復雜、價格昂貴的單體工業 機械臂執行，可能難以勝任或效率低下，需要由多個工業機械臂一起工作才能完成給定任 務。多個工業機械臂系統主要是將能力有限的單個工業機械臂通過交互、協調和控制體現 出群體智能，以合作完成相對復雜的給定任務。
[0004] 多工業機械臂研究的興起源于仿生物學的啟發，是通常意義上的多機器人系統被 賦予群體智能屬性后的新興研究領域，多機器人并非僅是單元數量的標識，多機器人相互 協作的背后隱藏的有限感知以及局部交互原則才是最基本的。與多個機器人對應的控制結 構規模是可變的，機器人的數量根據工作任務的要求，單元數量可以從數個到成百上千或 者更多。多個機器人要實現群體之間的協調，就必須保證群體之間的交流和協商的有效性， 以及信息的有效共享。
[0005] 在發明專利CN1857877A中公開了一種機器人多臂控制系統，包括為了協調生產 過程，通過網絡進行通信，將同步信息從主控制器傳輸到一個或更多從屬控制器的機器人 控制器。該系統在用于過程和運動同步的事件時序同步時考慮網絡通信的延遲。但采用將 一個機械臂作為家庭首領機器人，其余機械臂作為家庭成員機器人的方式，作為家庭成員 的機械臂之間無信息交流。
[0006] 發明專利CN102707675A中公開了一種群機器人控制器，包括協調層、管理層和執 行層，采用預測加權分層信息技術，通過無線通信模塊進行Mesh組網，把群機器人的控制 系統與機器人單體的特點有機結合并控制單體機器人終端進行協作的方法，實現了在無人 干預情況下群機器人進行交互與協作的有益效果，提高了群機器人集體協作的工作效率和 特殊環境下工作的準確性、穩定性。但各單體機器人之間進行信息交流是單體機器人的終 端接收其它單體機器人終端和協調層發送的操作命令及協作信息，接收的信息只對終端作 用。
[0007] 目前，多工業機械臂的應用越來越多，但各機械臂之間集體協作和信息交互能力 不足，另外，大多數工業機械臂都具有多節臂架或者折彎結構，要對工業機械臂進行滿足作 業要求的精確控制，連接各臂架的關節起著至關重要的作用，目前采用的關節均為剛性關 節，其抗沖擊性能差，穩定性不足。
【發明內容】
[0008] 為了避免現有技術存在的不足，克服機械臂之間集體協作和信息交互能力較弱， 及其抗沖擊性能差，穩定性不足的問題，本發明提出一種基于雙層CPG的多工業機械臂控 制器。控制器采用與控制無脊椎動物運動的神經節和脊椎動物運動的中樞神經系統所具有 分層神經元網絡相似的結構，其目的在于控制多工業機械臂進行集體協作和信息交互，實 現對多工業機械臂各關節的有效控制，在保證工業機械臂具有足夠動力性能和自由度的同 時，使工業機械臂具有一定的自主運動能力。
[0009] 本發明解決其技術問題所采用的技術方案是：機械臂控制器由相位協調層和運 動模式發生層組成，相位協調層實現對各工業機械臂的相序鎖定，運動模式層對各工業機 械臂進行軌跡規劃和姿態調整；
[0010] 所述相位協調層包括各工業機械臂對應的節律發生器，各節律發生器接收來自對 應工業機械臂的觸覺傳感器的信號，且各節律發生器之間可進行信息交流，各節律發生器 產生相對應工業機械臂的相位信號并發送至相對應的控制器；
[0011] 所述運動模式發生層包括各工業機械臂的運動模式發生器，各工業機械臂的運動 模式發生器由對應的控制器、底座、依次連接的臂架、末端執行器、柔性關節、觸覺傳感器， 力、位移、扭矩傳感器組成；所述各工業機械臂的控制器，接收來自相應節律發生器的相位 信號和由力、位移、扭矩傳感器測量的工業機械臂各柔性關節的反饋信號，對各柔性關節進 行控制，同時各工業機械臂的末端執行器的軌跡規劃，由相應的控制器完成；所述各工業機 械臂的末端執行器，根據控制器的路徑規劃進行運作，對工作對象進行作業，并將接觸信號 發送至觸覺傳感器，同時，末端執行器將與工業對象接觸產生的信息傳送至工業機械臂各 柔性關節；所述各工業機械臂的柔性關節，產生的拉壓和扭轉形變信息通過力、位移、扭矩 傳感器反饋給相應的控制器，相應控制器發出的控制信號進行姿態調整；所述各工業機械 臂的力、位移、扭矩傳感器，用于測量各工業機械臂柔性關節的力、位移和速度形變信息，并 發送至相應的控制器，每個柔性關節有其對應的一組力、位移、扭矩傳感器；所述各工業機 械臂的觸覺傳感器，用于測量各工業機械臂末端執行器與工作對象的接觸信號，并將接觸 信號發送至相對應的節律發生器。
[0012] 有益效果
[0013] 本發明提出的一種基于雙層CPG的多工業機械臂控制器，通過采用與控制無脊椎 動物運動的神經節和脊椎動物運動的中樞神經系統所具有分層神經元網絡相似的結構，把 多工業機械臂控制系統與單個工業機械臂的特點有機結合在一起，使多工業機械臂集體協 作和信息交互具有高效協同性；采用柔性關節和豐富的傳感器系統，在提高多工業機械臂 信息利用率的同時，實現對多工業機械臂各關節的有效控制，使系統具有高可靠性和穩定 性。在保證工業機械臂具有足夠動力性能和自由度的同時，使工業機械臂具有一定的自主 運動能力。機械臂控制器由相位協調層和運動模式發生層組成，相位協調層實現對各工業 機械臂的相序鎖定，運動模式層對各工業機械臂進行軌跡規劃和姿態調整。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0014] 下面結合附圖和實施方式對本發明一種基于雙層CPG的多工業機械臂控制器作 進一步詳細說明。
[0015] 圖1為本發明基于雙層CPG的多工業機械臂控制器結構示意圖。
[0016] 圖中：
[0017] Rn表示第η個工業機器人臂的節律發生器；
[0018] Jnm表示第η個工業機器人臂上的第m個柔性關節；
[0019] Snm表示測量第η個工業機器人臂上第m個柔性關節形變的力、位移、扭矩傳感 器；
[0020] Kn表示測量第η個工業機器人臂末端執行器接觸信息的觸覺傳感器；
【具體實施方式】
[0021] 本實施例是一種基于雙層CPG的多工業機械臂控制器。
[0022] 如圖1所示，為本實施例基于雙層CPG的多工業機械臂控制器結構示意圖。按照 仿生物學依據，本實施例提供的多工業機械臂控制器分為相位協調層和運動模式發生；層 相位協調層由各工業機械臂對應的節律發生器組成，各節律發生器Rn接收自對應工業機 械臂的觸覺傳感器Kn的信號，且各節律發生器Rn之間可進行信息交流，各節律發生器產生 相對應工業機械臂的相位信號并將其發送至相對應的控制器，相位協調層實現對各工業機 械臂的相序鎖定；運動模式發生層由各工業機械臂的運動模式發生器組成，各工業機械臂 的運動模式發生器由對應的控制器，底座，依次連接的臂架，末端執行器，柔性關節Jnm，力、 位移、扭矩傳感器Snm，觸覺傳感器Kn組成，運動模式層對各工業機械臂進行運動規劃和姿 態調整。
[0023] 實施例1
[0024] 在本實施例中，采用基于雙層CPG的多工業機械臂控制器進行重物體搬運操作。 在工業生產中，某些大型重物體，依靠單個工業機械臂難以完成搬運作業，需要多個工業機 械臂協調作業才能完成搬運。初始時，各工業機械臂根據初始化設定，向重物體靠近。當多 個工業機械臂中有一個機械臂的末端執行器與重物接觸時，通過與接觸重物體的工業機械 臂的觸覺傳感器將接觸信號傳遞給該機械臂對應的節律發生器。多工業機械臂控制器的相 位協調層根據與接觸重物的工業機械臂的節律發生器的信號輸入做出決定，使接觸重物體 的工業機械臂運動速度減緩，尚未與重物體接觸的其余工業機械臂運動速度加快，盡快與 重物體接觸。同時，與重物體接觸的工業機械臂通過末端執行器將力與其它信息傳送至該 工業機械臂各柔性關節，相應的控制器根據該工業機械臂的節律發生器的輸入信號和各柔 性關節的反饋信號進行姿態調整。當所有參與作業的工業機械臂均與重物體接觸時，則給 各工業機械臂加力，完成對重物體的抓取工作，各工業機械臂按照各自設定的運動規劃，進 行重物體的搬運作業。
[0025] 實施例2
[0026] 在本實施例中，采用基于雙層CPG的多工業機械臂控制器進行多工業機械臂的同 步操作。工業生產中，某些時候需要多個工業機械臂同步操作，多工業機械臂控制器可對控 制的多個工業機械臂從相位協調層和運動模式發生層同時進行調整，保證各工業機械臂保 持高度一致的同步操作。對于相位協調層，初始時，相位協調層中各工業機械臂的節律發生 器完成相序鎖定，使得各工業機械臂保持同步運動。當發生不同步運動現象時，相位協調層 根據初始時的相序鎖定進行調整，使各工業機械臂重新保持同步運動，同時相位協調層將 對應的節律發生器產生的相位信號發送至對應的工業機械臂控制器。對于運動模式發生 層，初始時，各工業機械臂根據初始化設定，按照各自的運動規劃動作進行運動。當各工業 機械臂中有一個機械臂的運動與其余工業機械臂的運動不同步時，工業機械臂所處的位置 與其它工業機械臂不一致，使得工業機械臂的各柔性關節受到的力、位置、速度也與其它工 業機械臂不一致；工業機械臂各柔性關節的力、位移、扭矩傳感器將力、位置、速度信號傳遞 至相應工業機械臂的控制器，相應的控制器根據工業機械臂的節律發生器輸入的相位信號 和各柔性關節的反饋信號進行姿態調整，使得各工業機械臂運動重新保持一致。
[0027] 實施例3
[0028] 在本實施例中，采用基于雙層CPG的多工業機械臂控制器進行多個工業機械臂的 先后順序操作控制。工業生產中，某些時候需要多個工業機械臂按照一定的先后順序進行 作業，如進行機器的裝配，工件的流水生產作業。初始時，各工業機械臂根據初始化設定，根 據實際要求，某一個或者多個工業機械臂進行作業，當進行作業的工業機械臂完成設定的 操作時，工業機械臂末端執行器的觸覺傳感器將信號傳遞至相對應的節律發生器，多工業 機械臂的相位協調層根據進行作業工業機械臂的末端執行器的信號輸入做出決定，使得完 成設定操作的工業機械臂復位，同時觸發下一時間段的工業機械臂進行作業，直至完成所 有操作。在此過程中，相位協調層中各工業機械臂的節律發生器保持相序鎖定，運動模式發 生層的各工業機械臂的控制器、柔性關節、力、位移、扭矩傳感器完成對該工業機械臂的運 動規劃，姿態調整，相位協調層和運動模式發生層共同保證各工業機械臂按照設定的先后 順序操作控制。
【權利要求】
1. 一種基于雙層CPG的多工業機械臂控制器，其特征在于：機械臂控制器由相位協調 層和運動模式發生層組成，相位協調層實現對各工業機械臂的相序鎖定，運動模式層對各 工業機械臂進行軌跡規劃和姿態調整； 所述相位協調層包括各工業機械臂對應的節律發生器，各節律發生器接收來自對應工 業機械臂的觸覺傳感器的信號，且各節律發生器之間可進行信息交流，各節律發生器產生 相對應工業機械臂的相位信號并發送至相對應的控制器； 所述運動模式發生層包括各工業機械臂的運動模式發生器，各工業機械臂的運動模式 發生器由對應的控制器、底座、依次連接的臂架、末端執行器、柔性關節、觸覺傳感器，力、位 移、扭矩傳感器組成；所述各工業機械臂的控制器，接收來自相應節律發生器的相位信號 和由力、位移、扭矩傳感器測量的工業機械臂各柔性關節的反饋信號，對各柔性關節進行控 制，同時各工業機械臂的末端執行器的軌跡規劃，由相應的控制器完成；所述各工業機械臂 的末端執行器，根據控制器的路徑規劃進行運作，對工作對象進行作業，并將接觸信號發送 至觸覺傳感器，同時，末端執行器將與工業對象接觸產生的信息傳送至工業機械臂各柔性 關節；所述各工業機械臂的柔性關節，產生的拉壓和扭轉形變信息通過力、位移、扭矩傳感 器反饋給相應的控制器，相應控制器發出的控制信號進行姿態調整；所述各工業機械臂的 力、位移、扭矩傳感器，用于測量各工業機械臂柔性關節的力、位移和速度形變信息，并發送 至相應的控制器，每個柔性關節有其對應的一組力、位移、扭矩傳感器；所述各工業機械臂 的觸覺傳感器，用于測量各工業機械臂末端執行器與工作對象的接觸信號，并將接觸信號 發送至相對應的節律發生器。
【文檔編號】B25J13/00GK104097208SQ201410319909
【公開日】2014年10月15日 申請日期:2014年7月7日 優先權日:2014年7月7日
【發明者】王科平, 馮華山, 王潤孝, 秦現生, 譚小群, 董文豪, 李勇政 申請人:西北工業大學