[发明专利]一种仿人机器人实时控制系统和方法

说明书

技术领域

本发明属于机器人领域，涉及一种仿人机器人控制系统和方法，确切地说，涉及一种基于实时以太网的仿人机器人控制网络结构和控制方法。

技术背景

仿人机器人是一种模仿人体骨骼结构的机器人，它与其他机器人的最大区别在于其仿人的双足运动方式。从仿生的角度分析表明，仿人机器人具有适应环境能力强、动作灵活等优点，因此，具有更加广阔的应用和发展前景。

仿人机器人要实现高度的运动灵活性和运动平滑性，并且需要实时的控制近三十个电机来实现多种运动。这都需要机器人具有强壮、可靠、实时和高带宽的控制网络，以对外界环境做出精确和及时的运动响应。

目前已有的仿人机器人从控制方式上主要分为两类，集中式控制方式和分布式控制方式。日本HONDA公司早期的仿人机器人P2采用VME(Versa Module  Eurocard)总线的集中式控制系统，后来研发的仿人机器人ASIMO则采用基于PCI-E(PCI Express)总线设计的分布式控制系统。日本SONY公司的SDR-3X/4X则是基于开放式串行总线OPEN-R技术开发的。

仿人机器人由于对环境信息要求复杂，一般要求搭载多种类型的传感器采集环境和自身状态信息作为机器人控制算法的输入和评估机器人状态的依据。目前市面上的各类传感器往往使用不同的通讯接口，如CAN总线、485总线、串行接口等。不同的设备占用了不同的接口，造成硬件系统复杂，不易进行统一的调试和控制。

实时以太网指建立在IEEE802.3标准的基础上，通过对其和相关标准的实时扩展提高实时性，并且做到与标准以太网无缝连接的以太网络标准。2003年5月，IEC/SC65C专门成立了WG11实时以太网工作组，负责制定IEC 61784-2“基于ISO/IEC 8802-3的实时应用系统中工业通信网络行规”国际标准。该标准包括Communication Profile Family 2 Ethernet/IP、CPF3 PROFINET、CPF4 P-NET、CPF6 Interbus、CPF10 VNET/IP、CPF11 TCNET、CPF12 EtherCAT、 CPF13 Ethernet Powerlink、CPF14 EPA、CPF15 Modbus/TCP以及CPF16 SERCOS等11种实时以太网行规集。

“用于工业测量与控制系统的EPA（Ethernet for Plant Automation）系统结构和通信标准”是一种基于以太网、无线局域网、蓝牙等信息网络通信技术，适用于工业自动化控制系统装置和仪器仪表间相互通信的工业控制网络通信标准。EPA标准是我国提出的一种工业以太网实时通信系统规范, 采用先进的交换技术、VLAN技术、优先级处理技术，并在应用层制定实时通信协议以提高以太网实时性能，既不改变以太网原有结构，保留了以太网简单、价廉的优势，同时达到的实时性的要求，成为目前改善工业以太网实时性能的主要手段。

中国专利公开号CN101293350A发明了一种仿人机器人分布式双总线运动控制系统，采用基于CAN总线的分布式系统，系统由协调运动控制器、CAN总线、局部总线以及若干关节控制器构成。协调控制器通过CAN总线与所有关节控制器相连，全部或部分关节控制器之间通过局部总线实现互联，共享关节状态信息和传感器信息。但是随着机器人关节数量的增加和运动数据更新周期的提高，运动控制器与关节控制器间的CAN总线最高仅1mbps的带宽将无法满足数据流量的需求。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术在仿人机器人应用场合存在的不足，提供一种仿人机器人实时控制系统和方法，在满足仿人机器人实时性和可靠性要求的基础上提供更高的带宽和传输速度，同时兼容现有的各种末端设备。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种仿人机器人实时控制系统，它包括一上位运动控制器、若干个网络控制器和若干个末端节点；采用双层网络结构，若干个网络控制器分别通过实时以太网与上位运动控制器相连，组成一个上层网络进行通讯；每个网络控制器分别与若干个末端节点相连；组成一个下层网络进行通讯。

进一步地，所述实时以太网络是工业以太网EPA。

进一步地，所述网络控制器通过CAN总线、485总线或串行接口分别与若干个末端节点相连。

进一步地，所述末端节点为电机驱动器、电位计、足底压力传感器、力和力矩传感器或姿态传感器。

一种应用上述系统的仿人机器人实时控制方法，该方法包括以下两个过程：