CN112936276B

CN112936276B - 基于ros系统的类人机器人关节多级控制装置及方法

Info

Publication number: CN112936276B
Application number: CN202110162384.7A
Authority: CN
Inventors: 张智军; 林俊杰
Original assignee: South China University of Technology SCUT
Current assignee: South China University of Technology SCUT
Priority date: 2021-02-05
Filing date: 2021-02-05
Publication date: 2023-07-18
Anticipated expiration: 2041-02-05
Also published as: CN112936276A

Abstract

本发明提供的基于ROS系统的类人机器人关节多级控制装置，主控芯片接收从工控机端发出的控制指令，工控机搭载ROS，直流电机驱动器接收主控芯片发出的信号并转化成电机驱动信号，控制直流电机转动，配合角度传感器，完成直流电机控制关节角度控制任务；关节电机接口驱动舵机电机完成关节任务；角度传感器接口采集电机当前角度作为控制反馈量控制直流电机的角度，工控机与主控芯片通信连接；集成电路板用于连接主控芯片及各个接口；人机交互上位机平板用作跟用户进行交互。还提供了控制方法。本发明把一个类人机器人的所有关节接入到同一个控制器中，可以在ROS下接收其他的功能节点发出的控制指令后迅速控制对应的机器人关节做出关节动作。

Description

基于ROS系统的类人机器人关节多级控制装置及方法

技术领域

本发明属于类人机器人技术领域，具体涉及基于ROS系统的类人机器人关节多级控制装置及方法。

背景技术

在机器人领域中,类人机器人是当前比较火热的研究方向。类人机器人的一个明显特征是具有大量的可活动关节，这些可活动关节是类人机器人能够模仿人类运动的关键。正因为类人机器人具有大量的可活动关节，想要灵活控制这些运动关节是一件困难的事情。

中国专利申请“一种基于ROS话题通信的机器人无线控制系统及方法(CN111185905A)”提供了机器人无线控制系统，通过WIFI与ROS上位机客户端进行通信，ROS上位机客户端可以控制机器人关节转动的角度、速度，进而控制整体的运动。但仍存在以下问题：(1)该系统没有多级，只是用到arduino和树莓派两级，而没有平板的交互；(2)该系统只能接入舵机一种电机，适用性差；(3)该系统采用wifi连接树莓派和电机驱动下位机来进行通信，存在通信不稳定的问题。

发明内容

本发明的目的是针对具有多自由度的类人机器人关节控制的问题，提供了一种基于ROS系统的类人机器人关节多级控制装置，该装置能够把一个类人机器人系统中所有的关节都接入到同一个控制器中，同时把该控制器接入ROS框架。集成好的控制系统能够更方便接入类人机器人的功能系统中，可以在ROS系统框架下接收其他的功能节点发出的控制指令后迅速控制对应的机器人关节做出关节动作。

为了实现以上目的，本发明提出了基于ROS系统的类人机器人关节多级控制装置，包括工控机、主控芯片、直流电机驱动器、关节电机接口、角度传感器接口、集成电路板和人机交互上位机，

工控机用于搭载ROS系统，并且运行编写在ROS系统中的功能节点，各个功能节点发出不同的关节控制信号，并可将控制信号发送至工控机；

主控芯片和工控机通信连接，主控芯片用于接收从工控机端发出的控制信号，并用于发送驱动信号给直流电机驱动器以驱动直流电机或直接发送驱动信号至舵机电机；

直流电机驱动器与主控芯片连接，用于接收主控芯片发出的电机正反转信号和调速信号，并且转化成电机驱动信号以控制直流电机转动，配合与主控芯片连接的角度传感器，完成直流电机控制关节角度控制任务；

关节电机接口与主控芯片、舵机电机均连接，提供PWM信号及电源，驱动舵机完成关节任务；

角度传感器接口与直流电机编码器连接，采集直流电机当前角度作为控制反馈量控制直流电机的角度；

集成电路板用于连接主控芯片及各个接口；

人机交互上位机用于与用户进行交互，与工控机连接。

本发明的进一步优选方案中，所述工控机为搭载Ubuntu系统的工业控制电脑。

本发明的进一步优选方案中，所述直流电机驱动器为L298N电机驱动芯片模块。

本发明的进一步优选方案中，所述关节电机接口采用多路3针接插端子，用于和舵机连接，3针分别对应舵机的电源正极端、电源负极端以及PWM信号端。

本发明的进一步优选方案中，所述角度传感器接口为多路4针接插端子，其用于和直流电机编码器连接，4针分别对应编码器电源正极端、电源负极端以及两针SSI信号接口。

本发明的进一步优选方案中，主控芯片和工控机通过USB转TTL串口协议线连接，所述USB转TTL串口协议线为CH340芯片USB转TTL串口协议线，其一端为USB接口，另外一端为4针TTL串口协议接口，分别对应着电源正极、电源负极、串口发送端和串口接收端。

本发明的进一步优选方案中，所述集成电路板为PCB工艺生产的电路板。

本发明的进一步优选方案中，所述人机交互上位机为搭载安卓系统的平板电脑。

本发明还提供基于ROS系统的类人机器人关节多级控制装置的控制方法，包括三级控制，包括以下步骤：

第一级控制在主控芯片中运行，包括：

设置定时器中断溢出，在中断溢出函数中运行PID算法得到直流电机的角度控制值，并转化为PWM信号，将PWM信号发送至直流电机驱动器以控制直流电机；

设置串口接收中断，接收工控机发送的控制指令，并得到关节控制关键字或关节数据关键字，当收到的关节控制关键字是舵机控制信号，则把关节数据关键字转化成PWM信号，通过关节电机接口发送至舵机电机，控制舵机电机的角度，当收到的关节控制关键字对应的关节采用的是直流电机驱动，则把关节数据关键字通过所述PID算法得到直流电机的角度控制值，进行PID角度控制；

第二级控制在工控机中运行，包括：

运行功能节点，功能节点发布数据格式分别为关节控制关键字、关节数据关键字的通信主题；

运行电机控制节点，订阅与所述数据格式分别为关节控制关键字、关节数据关键字的主题，当收到有关节数据关键字通信主题时，把对应的关节控制关键字、关节数据关键字转换成串口数据，并传送到主控芯片；

运行上位机通信节点，该节点负责接收用户从人机交互上位机的控制信号，同时发布与所述数据格式分别为关节控制关键字、关节数据关键字的主题；

第三级控制在人机交互上位机中运行，包括：

通过人机交互上位机中调节关节的角度值，并把该角度值传送到工控机。

本发明的进一步优选方案中，第一级控制中所述运行PID算法得到直流电机的角度控制值，包括：

将所计算得到差值和比例参数相乘，得到比例项；

把所计算得到差值在时序上不断累加，把累加值和积分参数相乘，得到积分项；

把所计算得到差值减去上一个时序的角度差值，再乘以微分参数，得到微分项；

把比例项、积分项、微分项相加，得到控制值。

与现有技术相比，本发明能够实现的有益效果至少如下：

(1)本发明采用的基于ROS系统的多级关节控制系统，第一级使用单片机控制主控芯片进行电机的驱动控制，有低成本并且快速的发送特定的电机控制信号的优点。第二级使用的是基于ROS系统的工控机去运行所有功能节点并且将得到的关节控制角度传到主控芯片去控制，工控机的使用能够使机器人的功能节点能够快速运行，保障了机器人控制系统整体的实时性，其次，采用ROS系统的框架，可以做到把所有功能都模块化，方便开发，同时也可以降低了系统的耦合性。第三级是上位机，用于人机交互，接收用户的指令，能够方便用户进行无线控制。

(2)本发明可以同时控制直流电机和舵机电机，适用性更强。通过直流电机驱动器驱动直流电机，能够提供给需要大功率电机的机器人关节使用。

(3)本发明的工控机和主控芯片之间通过实物串口线连接，使得两者之间的通信更加稳定。

(4)本发明采用的工控机和主控芯片对信息的处理速度快，可以对机器人实现更加有效的控制。

附图说明

图1是本实施例提出的基于ROS系统的类人机器人关节多级控制装置的示意图。

图中：①-工控机，②-主控芯片，③-直流电机驱动器，④-关节电机接口，⑤-角度传感器接口，⑥-USB转TTL串口协议线，⑦-集成电路板，⑧-人机交互上位机。

图2是本实施例提出的基于ROS系统的类人机器人关节多级控制装置的控制方法的第一级系统流程图。

图3是本实施例提出的基于ROS系统的类人机器人关节多级控制装置的控制方法的整个系统的三级控制器的结构。

具体实施方式

为了便于本领域技术人员理解，下面将结合附图以及实施例对本发明进行进一步描述。

请参阅图1，本实施例提供的基于ROS系统的类人机器人关节多级控制装置，包括主控芯片2、工控机1、直流电机驱动器3、关节电机接口4、角度传感器接口5、USB转TTL串口协议线6、集成电路板7和人机交互上位机平板8。

工控机1与主控芯片2通过USB转TTL串口连接线6进行连接通信。关节电机接口4、角度传感器接口5均通过集成电路板7电路连线与主控芯片2的IO口进行连接完成相应功能。直流电机驱动器3使用实物连接线与集成电路板7上的接口相连接，接口再通过集成电路板7上的连线与所控芯片上的IO口连接并完成相应功能。人机交互上位机平板8与工控机1通过wifi无线网络连接。

主控芯片为单片微型计算机，负责接收从工控机端发出的控制指令，并且发送具体的驱动信号给不同类型的关节直流电机驱动器或直接驱动电机。本实施例采用的主控芯片为意法半导体工农公司开发的高性能单片机STM32系列，具体信号为STM32F103RCT6。

工控机，负责搭载ROS系统，并且运行编写在ROS程序框架下的功能节点，各个功能节点发出不同的关节控制信号，通过数据传输线给主控芯片进行具体控制。本实施例的工控机为搭载Ubuntu系统的工业控制电脑，其配置和大小可根据实际要求进行改变,处理器为Intel Core i5，主频为2.5GHz。

直流电机驱动器，负责接收主控芯片发出的电机正反转信号，调速信号，并且通过放大电路转化成电机驱动信号，控制直流电机转动，配合角度传感器，完成直流电机控制关节角度控制任务。本实施例的直流电机驱动器为L298N电机驱动芯片模块，该模块具有两路电机控制功能，能够控制直流电机进行正转反转以及调速。本实施例中，类人机器人上有两个关节均分别由直流电机驱动，且这两个直流电机均通过为L298N电机驱动芯片模块控制驱动。

关节电机接口，负责与舵机连接，提供PWM信号及电源，直接驱动舵机电机完成关节任务。本实施例的关节电机接口采用多路3针接插端子，3针分别对应舵机的电源正极端、电源负极端以及PWM信号端(Pulse width modulatio多种脉冲宽度调制)。本实施例中，类人机器人有若干个分别由舵机驱动的关节，每个舵机均与关节电机接口连接，以接收主控芯片发出的驱动信号。关节电机接口采用了多路3针接插端子，因此可以根据不同机器人系统接入多个舵机。

角度传感器接口，负责连接直流电机编码器，采集直流电机的当前角度作为控制反馈量以控制直流电机的角度。本实施例中，直流电机编码器为绝对式编码器，角度传感器接口为多路4针接插端子，其用于和直流电机编码器连接，4针分别对应编码器的电源正极端、电源负极端以及两针SSI(Synchronous Serial interface同步串行接口)信号接口。

USB转TTL串口，用于连接工控机与主控芯片，建立工控机与主控芯片的通信。本实施例的USB转TTL串口协议线为CH340芯片USB转TTL串口协议线，其一端为USB接口，另外一端为4针TTL串口协议接口，分别对应着电源正极，电源负极，串口发送端，串口接收端。

集成电路板为PCB工艺生产的电路板，用于搭载主控芯片、各个接口、电路连线。

人机交互上位机平板用作跟用户进行交互，方便用户从上位机上操作机器人具体关节及实现其他功能。本实施例的人机交互上位机平板为搭载安卓系统的平板电脑。

可以理解的是，以上对各组成部分的型号的限定只是一个具体的举例，并不构成对保护范围的限制，其他可以实现相应功能的型号也可用于本发明。

本发明还提供前述基于ROS系统的类人机器人关节多级控制装置的控制方法。

本实施例中提出的基于ROS系统的类人机器人关节多级控制方法，该控制方法采用三级控制，包括以下步骤：

步骤1、如图2所示，第一级控制，在主控芯片运行。

步骤1.1、STM32处理器初始化；

步骤1.2、STM32串口通信初始化，与工控机建立连接；

步骤1.3、设置定时器中断溢出，在中断溢出函数中运行PID算法控制直流电机的角度，本实施例的定时器溢出时间设置为0.05秒，在其他实施例中可以根据需要设置成其他时间。具体包括：

步骤1.3.1、定时器到达设定时间后产生溢出标记，进入中断函数；

步骤1.3.2、利用SSI协议读取从角度传感器接口连接的绝对式角度编码器中读取电机当前的角度数据；

步骤1.3.3、计算电机的设定值和所读取到的角度数据中的差值；

步骤1.3.4、把步骤1.3.3中所计算得到差值和比例参数相乘，得到比例项；

步骤1.3.5、把步骤1.3.3中所计算得到差值时序上不断累加(即每次产生中断时都累加)，把累加值和积分参数相乘，得到积分项；

步骤1.3.6、把步骤1.3.3中所计算得到差值减去上一个时序的角度差值，再乘以微分参数，得到微分项；

步骤1.3.7、把得到的比例项、积分项、微分项相加，得到控制值；

步骤1.3.8、对步骤1.3.7所得到的控制值进行限幅处理，然后STM32处理器把控制值转化成电机对应的PWM信号，发送至直流电机驱动器，直流电机驱动器再去实际控制相应关节的直流电机；

步骤1.3.9、PID控制完毕。

步骤1.4、设置串口接收中断，把收到的数据解释成具体的控制信号。具体包括：

步骤1.4.1、收到从工控机端通过USB转TTL串口协议线发送来的指令信号。

步骤1.4.2、分析得出关节控制关键字、关节数据关键字。关节控制关键字对应的是要控制哪一个关节，关节数据关键字所对应的是具体控制的角度。

步骤1.4.3、若收到的关节控制关键字对应的关节采用的是舵机控制信号，则直接把关节数据关键字转化成PWM信号，通过关节电机接口发送至舵机电机，控制具体的角度。若收到的关节控制关键字对应的关节采用的是直流电机驱动，则把关节数据关键字转化成步骤1.3.3中的差值，进行PID角度控制。

步骤1.4.4、串口中断结束。

步骤2、如图3所示，第二级控制，在工控机运行。

步骤2.1、ROS系统初始化.

步骤2.2、运行功能节点，功能节点发布数据格式分别为关节控制关键字、关节数据关键字的通信主题。

步骤2.3、运行电机控制节点。本步骤具体包括：

步骤2.3.1、串口初始化。

步骤2.3.2、订阅与b中数据格式分别为关节控制关键字、关节数据关键字的主题。

步骤2.3.3、当收到有数据关键字主题时，把对应的关节控制关键字、关节数据关键字转换成串口数据，通过USB转TTL串口连接线传送到主控芯片。

步骤2.4、运行上位机通信节点，该节点负责接收用户从上述人机交互上位机平板的控制信号，同时发布与b中的数据格式分别为关节控制关键字、关节数据关键字的主题。

步骤3、如图3所示，第三级控制，在人机交互上位机运行。

步骤3.1、绘制控制界面并初始化，控制界面包括各个关节的关节角度拖动条，用户可拖动不同关节的拖动条来调节该关节的角度。

步骤3.2、当用户改变了某一个关节的拖动条数值后，把该数值通过wifi传送到工控机上。

以上各步骤前的序号仅是为了表述方便，不构成对步骤的先后顺序的限定。

以上所述实施例仅表达了本发明的其中一种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims

1.基于ROS系统的类人机器人关节多级控制装置，其特征在于，包括工控机、主控芯片、直流电机驱动器、关节电机接口、角度传感器接口、集成电路板和人机交互上位机，

集成电路板用于连接主控芯片及各个接口；

人机交互上位机用于与用户进行交互，与工控机连接；

其中，所述多级控制装置的控制方法包括三级控制，包括以下步骤：

第一级控制在主控芯片中运行，包括：

第二级控制在工控机中运行，包括：

第三级控制在人机交互上位机中运行，包括：

通过人机交互上位机中调节关节的角度值，并把该角度值传送到工控机；

其中，第一级控制中所述运行PID算法得到直流电机的角度控制值，包括：

将所计算得到差值和比例参数相乘，得到比例项；

把比例项、积分项、微分项相加，得到控制值。

2.根据权利要求1所述的基于ROS系统的类人机器人关节多级控制装置，其特征在于：所述工控机为搭载Ubuntu系统的工业控制电脑。

3.根据权利要求1所述的基于ROS系统的类人机器人关节多级控制装置，其特征在于：所述直流电机驱动器为L298N电机驱动芯片模块。

4.根据权利要求1所述的基于ROS系统的类人机器人关节多级控制装置，其特征在于：所述关节电机接口采用多路3针接插端子，用于和舵机连接，3针分别对应舵机的电源正极端、电源负极端以及PWM信号端。

5.根据权利要求1所述的基于ROS系统的类人机器人关节多级控制装置，其特征在于：所述角度传感器接口为多路4针接插端子，其用于和直流电机编码器连接，4针分别对应编码器电源正极端、电源负极端以及两针SSI信号接口。

6.根据权利要求1所述的基于ROS系统的类人机器人关节多级控制装置，其特征在于：主控芯片和工控机通过USB转TTL串口协议线连接，所述USB转TTL串口协议线为CH340芯片USB转TTL串口协议线，其一端为USB接口，另外一端为4针TTL串口协议接口，分别对应着电源正极、电源负极、串口发送端和串口接收端。

7.根据权利要求1所述的基于ROS系统的类人机器人关节多级控制装置，其特征在于：所述集成电路板为PCB工艺生产的电路板。

8.根据权利要求1-7任一所述的基于ROS系统的类人机器人关节多级控制装置，其特征在于：所述人机交互上位机为搭载安卓系统的平板电脑。