专利名称：基于分布式控制的即插即用机械臂系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种通用机械臂系统，特别是一种基于分布式控制的即插即用机械臂系统。用于机器人技术领域。
背景技术：
如今机器人技术已形成具有广阔发展前景的新兴产业，尤其小型化、智能化的机器人已成为最新的机器人研究方向之一。其中，机器人操作手(机械臂)发展迅速，它的应用范围已由原来的工业环境逐渐向社会各行各业渗透，可以设想将来在普通用户家里像拥有其他电器一样拥有一个小型智能化的机械臂，帮助人类完成一些特定任务。然而，虽然在过去的几十年中，机械臂技术取得了很多进步，但它离日常生活还很远，主要原因有机械臂机构复杂、价格昂贵、接口方式复杂和控制精度很难保证等。
随着机械臂外围传感器的增加，机械臂与其控制器(典型的是个人计算机)的传输数据将大大增加(如视频传输，声纳，红外等)，传统的计算机接口无法满足这类需求。目前，USB接口已逐渐成为标准配置而被广大计算机制造厂商所接受，而且它以最高传输速率480Mbits/sec.的特点逐步成为主机外设接口的首要选择。同时，分布式控制技术已是高精度机械臂运动控制的主流技术，他可以使具有相同功能的多个模块同时工作，互不影响，提高控制精度。然而到目前为止，几乎所有的机械臂应用系统均采用RS23或专用控制线与控制台相连，数据传输速度有所限制；而关节的控制部分是开环控制的无法满足精确控制，是闭环控制则大多需要配置专用控制箱，不适合系统的家用化与小型化。
经文献检索发现，中国专利申请号03115472，名称基于通用串行总线接口的个人机械臂系统，该专利系统能够实现主机通过USB接口对机械臂的控制，支持热插拔。但该系统的USB接口采用1.1规范，传输速度不能满足传输速度较高的场合(如实时视频传输等)；而且，该机械臂几个关节的控制采用简单的开环控制(驱动为舵机)，所有它只能应用于技术要求比较底的场合，无法实现机械臂的精确控制。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种基于分布式控制的即插即用机械臂系统，使其具有较大灵活性和较高控制性能，机械臂接口满足机械臂控制过程中大量传感和控制数据传输的要求，并且可应用于绝大多数个人计算机，使机械臂成为一个通用的计算机外部设备，可应用于家庭，移动机器人等多重领域。此发明可以采用较简单的方式，使机械臂达到一定的控制精度，能够完成日常任务(夹持物体等)，进而达到普及机械臂的目标。
本发明是通过以下技术方案实现的。本发明包括主机、USB接口模块、中央控制器、内部分布式控制系统和机械臂本体。主机通过一条USB连接线与USB接口模块连接，中央控制器位于USB接口模块与内部分布式控制系统中间，这两部分都是通过并行总线与中央控制器连接，内部分布式控制系统由多个具有相同功能的子系统并联构成，其中，每个子系统都包括一个PID控制器，一个直流电机驱动器和一个带反馈的直流电机，内部分布式控制系统直接通过控制线与机械臂本体连接。
内部分布式控制系统中，所有子系统的PID控制器的输入接口并联在一起，通过同一条并行总线连接到中央控制器，而各PID控制器的输出为直流电机转向控制信号和控制电流转速的PWM(脉宽调制)波，这两个输出(两路控制线)直接发送到直流电机驱动器上，这样，直流电机驱动器就可以驱动直流电机做相应的运动。每个直流电机末端都有一个增量式编码盘，即时发送电机运动的反馈信号到PID控制器，这样就构成了一个完整的闭环系统，可实现电机的位置、速度的PID精确控制。分布式控制系统中各子系统除了PID控制器的输入都通过同一条并行总线连接到中央控制器外，它们各自都是独立运行，之间没有任何其他互相干扰或干涉的部分。本发明中的直流电机驱动器采用专用直流电机驱动芯片，实现直流电机的双极性控制，这种控制方式可以得到较短的控制响应时间和较高的安全性。
机械臂本体采用轻质铝合金设计，由5个直流电机进行驱动。肩关节、肘关节、腕关节和手爪等主传动均采用高精度齿轮传动，以保证运动的精确性。另外，配备一个底座，方便机械臂在平面内做360度旋转。底座通过一个平面轴承与机械臂的上部连接，电机安装在机械臂上部，而直流电机输出轴与底座通过一个销子固定。
本发明通过一根USB线与主机相连，用户可在PC终端对机械臂相关参数进行设置。在主机端，安装一个外部网络摄像头，可以实时监控机械臂系统运行情况。工作时，用户首先在主机设置本发明各关节的运动参数(包括PID参数，期望运动位置、速度等)。这对于各个直流电机而言，相当于不同的任务。之后，用户将按照自己的协议通过USB接口把这些任务发送给机械臂的USB接口模块，USB接口模块在接收到数据的同时，会通知中央控制器自己收到用户数据。中央控制器将从USB模块中读取这些数据并进行分析处理。中央控制器会按照先前用户在PC端定义的协议把这些数据分离成对应于各个关节的具体任务。最后，中央控制器依次把各个任务分配到内部分布式控制系统中相应的PID控制器，这样，PID控制器会自行控制电机运动，而脱离中央控制器的控制。电机运行过程中，PID控制器会把自身状态信息按照上述逆过程最终反馈到主机，完成整个机械臂控制。USB最初是作为一个工业标准对主机现有的体系结构的进行扩充，主要应用于消费和商业领域。与其他计算机外围接口相比，USB接口有众多的优点。本发明使用USB接口模块与主机相连，主机在设备接入系统后可以很容易安装和配置新设备，还可以动态改变设备参数。这种特性能满足个人机械臂所需要的灵活性，可以方便地、动态地脱离或是连接上主机，主机会自动判断机械臂是否连接，并将此信息显示给机械臂的使用者。这样，主机和机械臂一起实现了机械臂的即插即用功能，采用最新的USB2.0标准，还可以获得更快的传输速度、具有向下兼容的特点。
本发明中嵌入了内部分布式控制系统，将整个控制系统按照功能分为若干独立的子系统。如上所述，每个子系统由一个PID控制器、一个直流电机驱动器和和一个带反馈的直流电机组成。每个子系统称其为节点。所有节点通过并行总线与本发明的中央控制器相连。因为每个节点内的电机控制任务由其PID控制器独立完成，所以，中央控制器的负载将较低，只负责数据的传输控制与任务的分配。这种工作机制将显著降低系统的控制复杂度，以较小代价提高整个系统的可靠性和控制性能。同时，它将上层规划与底层运动控制紧密结合，为实现实时控制提供了条件。本发明通过使用分布式控制技术对机械臂控制体系进行建模，建立了易用的、健壮的、通用的机械臂分布式控制体系，并且使原有控制体系中的主机的集中式任务处理转化为底层机械臂的分步式处理，减少了个对象间的耦合，为整个系统的有效实现提供了方便。
本发明通过高速USB2.0接口与分布式控制实现了通用机械臂的即插即用功能与精确控制，最终实现了适用机械臂小型化和通用化。与背景技术相比，利用内部分布式控制体系的模块化、具有可靠性高等特点，最终实现了机械臂的精确控制。本发明给出了通用机械臂的即插即用和分布式控制解决方案，为未来家用机器人、分布式机器人研发提供了体系结构和技术实现上的规范和参考，使各机器人研发机构可以参照这一规范独立研制出类似于普通计算机外设的机械臂，从而提高研究效率，促进机器人技术发展。
图1本发明结构示意2本发明功能框3本发明PID控制模块控制框4本发明单片机的硬件接口连接5本发明单片机端主程序流程图具体实施方式
如图1所示，本发明包括主机1、USB接口模块2、中央控制器3、内部分布式控制系统4和机械臂本体5。主机1通过一条USB连接线与USB接口模块2连接，中央控制器3位于USB接口模块2与内部分布式控制系统4中间，这两部分都是通过并行总线与中央控制器3连接，内部分布式控制系统4由多个具有相同功能的子系统并联构成，其中，每个子系统都包括一个PID控制器6，一个直流电机驱动器7和一个带反馈的直流电机8，内部分布式控制系统4直接通过控制线与机械臂本体5连接。
内部分布式控制系统4中，所有子系统的PID控制器6的输入接口并联在一起，通过同一条并行总线连接到中央控制器3，而各PID控制器6的输出为直流电机8转向控制信号和控制电流转速的脉宽调制波，这两路控制线直接连接到直流电机驱动器上。
每个直流电机8末端都有一个增量式编码盘。在主机1端，还可以设置一个外部网络摄像头9。
以下结合附图提供实施例本实施例为一个5DOF(自由度)的小型机械臂，该通用机械臂本体5采用硬质铝合金制作，高15cm，宽45cm，质量为1.8公斤，各关节由五个直流电机8直接驱动，两外配有一块镍氢电池和控制板。本系统中直流电机8的速度控制采用PWM(脉宽调制)方式。图1表示了通用机械臂的硬件结构图，其中USB接口模块2实现了通用机械臂与主机1的互连，它的相关配置由中央控制器3(一个8位单片机)通过一个8位并行总线完成。另外，中央控制器3并行连接5个PID控制子系统实现直流电机8的闭环控制。主机端连接的外部摄像头9可以实时将观察到的机械臂运动图像采集到控制软件中。
本实施例中，采用USB2.0高速接口芯片ISP1581实现通用机械臂与主机1的连接。这个芯片同时支持USB2.0规范和USB1.1规范，它通过一个内部8位总线与MCU进行通信。中央控制器3是增强型51单片机PC89C61，除具备普通51单片机所有的功能外，此单片机具有256Byte的RAM，16Kbyte的ROM，基本可以满足本实例程序变量较多，代码较长的需求。图4表示了它与外围设备的具体连接方式。
PID控制器6是电机专用控制芯片，支持位置控制和速度控制，它支持的位置范围为-1,073,741,823线到+1,073,741,823线，速度范围为0到11,073,741,823/216线/采样。在电机运动前，只需中央控制器3对LM629的参数进行设置，包括Kp、Ki、Kd、期望位置及期望速度等，然后启动。之后，LM629内部运算后会发送相应的PWM(脉宽调制)波给直流电机驱动器7-LM298。LM298是一个后者会按照PWM指定速度驱动直流电机8，并在适当位置停止。单片机在配置完该PID控制器6后，就可以继续执行其他任务，整个PID运算过程无需它的干预。
图2表示了系统的总体功能图。主机用来作为用户控制通用机械臂的平台，系统运行过程中，主机上需运行一个用户界面来接收用户对机械臂的设置及任务的分配，同时可以实现实时显示通用机械臂的运行状态的功能。相关设置与任务通过USB接口发送到中央控制器后，央控制器将根据接收到的数据做相应处理，如PID控制器参数设置，直流电机运动参数设置，停止电机，启动电机等等。同时，它需要实时把各PID控制器的状态信息反馈给主机，以供后者向用户显示。反馈信号包括PID控制器的连接状态，电机运行的位置、速度、加速度等。单片机将任务分解后，会对相关的PID控制器发送配置指令，PID控制器会根据指令对电机驱动器采取控制，如果是运行指令，它会发送相应PWM波到电机驱动器，如果是停止指令，它会将电机驱动器截止。电机运行过程中需要将自身的状态通过编码器发送到PID控制器中，以实现电机的闭环控制，PID控制框图如图3所示。图4表示了单片机的硬件接口连接图，两个8位的并口分别被用来连接ISP1581和PID控制器。中央控制器的主程序流程图如图5表示。系统启动后，首先将初始化USB接口器件相关参数，包括设备描述符，数据传输标准及其他接口参数。然后，中央控制器会逐个初始化PID控制器件LM629设置零点，设置Kp，Ki，Kd参数等。这样，整个初始化过程到此结束，程序将进入一个循环，等待PC端发送的指令，接收到指令后会中断循环，根据指令做下一步处理。当机械臂接入主机后，主机会按照USB规范USB通过接口器件ISP1581向中央控制器发送相关请求，接收到应答后，主机将该设备相关信息通知操作系统，建立与通用机械臂的通信通道。在USB通行通道的建立过程中，中央控制器负责对ISP1581的参数配置及对USB请求的应答，所有数据都经由ISP1581双向传输。中央控制器在循环过程中，除USB请求指令外，它可能会接收到主机发来的另外两种指令运动指令和查询指令。运动指令包括了用户期望电机运动的所有数据(运动方式，位置，速度，加速度等)，中央控制器需要按照指令配置相应的PID控制器并启动，之后，它还需要将目标电机的状态通知PC，以供用户做下一步的处理。查询指令允许用户在任何时刻得到机械臂各关节的状态信息，这个功能保证了通用机械臂对使用者的透明，为实现机械臂的精确运动控制提供了保证。通用机械臂运动过程中如果系统发生异常情况，将停止运动，并向主机实时报告此错误，等待用户的相应处理。
本发明通用机械臂实例建立了易用的、健壮的、通用的机械臂控制体系，实现了机械臂的即插即用及精确控制。整个系统在硬件和软件结构上都充分体现了USB接口的灵活性和分布式控制体系在机械臂控制中的优势，也给出了未来通用机械臂按照本发明开发的具体实施方法。
权利要求
1.一种基于分布式控制的即插即用机械臂系统，包括主机(1)、中央控制器(3)、内部分布式控制系统(4)和机械臂本体(5)，其特征在于，还包括USB接口模块(2)，主机(1)通过一条USB连接线与USB接口模块(2)连接，中央控制器(3)位于USB接口模块(2)与内部分布式控制系统(4)中间，这两部分都是通过并行总线与中央控制器(3)连接，内部分布式控制系统(4)由多个具有相同功能的子系统并联构成，其中，每个子系统都包括一个PID控制器(6)，一个直流电机驱动器(7)和一个带反馈的直流电机(8)，内部分布式控制系统(4)直接通过控制线与机械臂本体(5)连接。
2.根据权利1所述的基于分布式控制的即插即用机械臂系统，其特征是，内部分布式控制系统(4)中，所有子系统的PID控制器(6)的输入接口并联在一起，通过同一条并行总线连接到中央控制器(3)，而各PID控制器(6)的输出为直流电机(8)转向控制信号和控制电流转速的脉宽调制波，这两路控制线直接连接到直流电机驱动器(7)上。
3.根据权利2所述的基于分布式控制的即插即用机械臂系统，其特征是，每个直流电机(8)末端都有一个增量式编码盘。
4.根据权利1所述的基于分布式控制的即插即用机械臂系统，其特征是，在主机(1)端，设置一个外部网络摄像头(9)。
全文摘要
一种基于分布式控制的即插即用机械臂系统，用于机器人技术领域。本发明包括主机、USB接口模块、中央控制器、内部分布式控制系统和机械臂本体。主机通过一条USB连接线与USB接口模块连接，中央控制器位于USB接口模块与内部分布式控制系统中间，这两部分都是通过并行总线与中央控制器连接，内部分布式控制系统由多个具有相同功能的子系统并联构成，其中，每个子系统都包括一个PID控制器，一个直流电机驱动器和一个带反馈的直流电机，内部分布式控制系统直接通过控制线与机械臂本体连接。本发明为未来机器人大众化的发展中遇到的接口问题和控制问题提供了完整的解决方案。
文档编号B25J13/00GK1586829SQ200410053259
公开日2005年3月2日 申请日期2004年7月29日 优先权日2004年7月29日
发明者苏剑波, 张彦俊 申请人:上海交通大学