一种机器人分布式控制系统及其方法与流程

本发明涉及机器人控制技术领域，具体涉及一种机器人分布式控制系统及其方法。

背景技术：

工业机器人是面向工业领域的多关节机械手或多自由度的机器装置，它能自动执行工作，是靠自身动力和控制能力来实现各种功能的一种机器。它可以接受人类指挥，也可以按照预先编排的程序运行，现代的工业机器人还可以根据人工智能技术制定的原则纲领行动。伴随着计算机、自动控制理论的发展和工业生产的需要及相关技术的进步，工业机器人的发展已经历了3代：可编程的示教再现型机器人；基于传感器控制具有一定自主能力的机器人；智能机器人。作为机器人的核心部分，机器人的控制系统是影响机器人性能的关键部分之一。

机器人控制器系统是根据指令以及传感信息控制机器人完成一定的动作或作业任务的装置，它是机器人的心脏，决定了机器人性能的优劣。机器人自诞生以来，特别是工业机器人所采用的控制器基本上都是开发者基于自己的独立结果进行开发的。

目前的工业机器人控制系统基本都是基于集中式控制，即各关节驱动器和传感器将各自收集的信息汇总到控制器，由控制器统一计算出结果，再把结果分发给各个关节驱动器，从而控制各关节的运动。这在种方式的缺点在于：随着机器人的需要实现功能越来越强多，包括轨迹规划、力控制、碰撞检测、视觉图像处理，甚至语音识别、深度学习等，越来越庞大的计算量和计算速度限制对机器人控制器的硬件也提出了越来越高要求，成本也随之飙升。

因此，现有技术还有待于改进和发展。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提供了一种机器人分布式控制系统及其方法，将一个大处理任务拆分成多个小处理任务分布到子控制器上进行处理，大大的降低整体方案的研发风险和成本，有效的提高了整个控制的保密性，为机器人群体协调控制提供扩展空间。

本发明解决技术问题所采用的技术方案如下：

一种机器人分布式控制系统，包括：

主控制器，分别与所述主控制器通信的若干子控制器、若干驱动器，与所述子控制器电连接的控制模块；

所述主控制器用于将整个机器人的控制任务拆分成若干小任务发送至对应的子控制器，并接收各子控制器反馈的处理结果，根据所述处理结果分别控制对应的驱动器；

若干所述子控制器用于接收主控制器发送的小任务，并将所述小任务生成相应的处理结果发送至主控制器；

若干所述驱动器用于接收主控制器发送的相应的处理结果，并驱动相应的控制模块。

优选地，所述主控制器内设置有通信处理模块，所述主控制器通过通信处理模块分别与子控制器、驱动器通信连接。

优选地，所述主控制器内设置有ethercat主站模块，若干所述子控制器内皆设置有ethercat从站模块，所述ethercat主站模块分别与通信处理模块、ethercat从站模块进行数据交换。

优选地，所述ethercat主站模块与ethercat从站模块之间通过ethercat现场总线进行通信。

优选地，所述主控制器内设置有共享内存模块，所述主控制器通过共享内存模块与通信处理模块进行数据访问。

优选地，若干所述子控制器包括：轨迹规划控制器、力控制器、传感器控制器、图像处理控制器和语音识别控制器；

所述轨迹规划控制器、力控制器、传感器控制器、图像处理控制器和语音识别控制器皆与主控制器通信连接。

优选地，所述轨迹规划控制器、力控制器、传感器控制器、图像处理控制器、语音识别控制器分别对应连接有用户指令或脚本指令模块、零力示教模块、碰撞检测模块、视觉模块、语音识别模块；

所述用户指令或脚本指令模块用于将接收到的用户指令或脚本指令转化成轨迹或运动指令；

所述零力示教模块用于控制机器人保持当前姿态，在通过外力改变当前姿态并在外力撤销时，控制机器人本体保持外力撤销时的姿态；

所述碰撞检测模块用于检测机器人本体在运动过程中是否产生碰撞，当碰撞力量超过预先设置的力量范围时发出预警信息；

所述视觉模块用于将将被检测的目标转换成图像信号，并传送给图像处理控制器，通过所述图像处理控制器将图像信号转变成数字信号；

所述语音识别模块用于将语音转化为相应的机器指令。

优选地，所述图像处理控制器根据像素分布、亮度和颜色，将图像信号转变成数字信号，所述图像信号通过ccd照相机采集。

本发明还提供一种机器人分布式控制方法，包括如下步骤：

主控制器接收用户发送的控制指令；

主控制器将控制指令拆分成若干小任务发送至对应的子控制器；

若干所述子控制器在接收到主控制器发送的小任务后，将所述小任务生成相应的处理结果发送至主控制器；

主控制器在接收到各子控制器反馈的处理结果后，根据所述处理结果分别控制对应的驱动器，所述驱动器驱动相应的控制模块。

与现有技术相比，本申请实施例主要有以下有益效果：

将机器人整个控制系统拆分成多个控制单元，大大的降低整体方案的研发风险和成本，能够根据机器人的不同应用场景，来优化和复制单个控制单元，能够取得优异的效果；

由于将一个大处理任务拆分成多个小处理任务分布到子控制器上进行处理，从而降低了单个控制器的硬件成本和能耗，而且只要接口定好后在开发时不同的单元互不干涉，不会存在超大工程而导致进度不可控的情况，也为整体开发提供很好的进度把控和人员优化；

保密性也是该方案的一大重要特点，有效的降低成体方案的泄密，将单元化的模块进行不同功能的部门设计和维护，保证各个单元的独立，而主控制器的通讯协议确定后，是无法解析个单元控制的程；序参数，大大提高了整个控制的保密性；

此外，该分布式控制系为机器人群体协调控制提供扩展空间。各独立机器人的主控制器，通过相应的应用开发，将各个主控制器结合成一起，也就是单个分布式控制系统的机器人的主控制器再一起组合成。

附图说明

为了更清楚地说明本申请的方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作一个简单介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明一种机器人分布式控制系统较佳实施例的主控制器和自控制器的框图。

图2是本发明一种机器人分布式控制系统较佳实施例中的主控制器与子控制器的数据交换框图。

图3是本发明一种机器人分布式控制系统较佳实施例中的模块框图。

图4是本发明一种机器人分布式控制方法较佳实施例中的流程示意图。

附图标记：

100-主控制器，200-子控制，300-驱动器，400-控制模块，101-通信处理模块，102-ethercat主站模块，201-ethercat从站模块，103-共享内存模块，202-轨迹规划控制器，203-力控制器，204-传感器控制器，205-图像处理控制器，206-语音识别控制器，401-用户指令或脚本指令模块，402-零力示教模块，403-碰撞检测模块，404-视觉模块，405-语音识别模块，10示教器。

具体实施方式

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请技术领域的技术人员通常理解的含义相同；本文中在申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本申请；本申请的说明书和权利要求书及上述附图说明中的术语“包括”和“具有”以及它们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。本申请的说明书和权利要求书或上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别不同对象，而不是用于描述特定顺序。

在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结果或特性可以包含在本申请的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。

请参阅图1，本发明实施例提供了一种机器人分布式控制系统，如图1所示，包括：主控制器100，分别与所述主控制器100通信的五个子控制器200、五个驱动器300，与所述子控制器200电连接的控制模块400；所述主控制器100用于将整个机器人的控制任务拆分成五个小任务发送至对应的子控制器200，并接收五个子控制器200反馈的处理结果，根据所述处理结果分别控制对应的五个驱动器300；五个所述子控制器200用于接收主控制器100发送的小任务，并将所述小任务生成相应的处理结果发送至主控制器100；五个所述驱动器300用于接收主控制器100发送的相应的处理结果，并驱动相应的控制模块400。

本发明的核心思想就是将机器人的整个控制任务划分成若干个子任务，然后将这些子任务发送给不同的子控制器200，经过各个子控制器对相应的子任务进行运行处理得到相应的结果，并将子控制器处理到的结果反馈至整体的主控制器100进行汇总整合，同时，根据子控制器的处理结果来控制相应的驱动器300，从而驱动相应的控制模块400，因此所述子控制器200不仅仅可以设置成五个，也可以按照机器人的具体需求进行相应的增加或减小。

所述主控制器100和子控制器200上皆设置有中央处理器，所述驱动器300可以选择功率密度较大的直流驱动器，该直流驱动器具有io信号接口和模拟量接口。

该主控制器100可以完成机器人的运动控制，这些控制器是基于强大的intelx86skylake架构和实时工业以太网完成的设计。在该平台之上，控制器能处理空间坐标的轴向运动和机器人多轴插补的三维空间运动控制任务。通过标准plc-open运动控制模块和扩展scramp运动控制模块,控制器能轻松地实现机器人运动轨迹规划和控制。

主控制器100集成ethercat主站模块可以轻松地于与工业总线设备进行通讯(如伺服电机和数字输入输出信号)。通过总线管理模块可以实现在codesys环境下对总线通讯信息的处理及功能操控。

此外，主控制器100还包含一个cnc编程环境，通过图像化的界面来示教机器人的位置并将其记录在cnc程序中，然后可以直接重复调用该位置信息。

本发明进一步较佳实施例中，如图2所示，所述主控制器100内设置有通信处理模块101，所述主控制器100通过通信处理模块101分别与子控制器200、驱动器300通信连接。

本发明进一步较佳实施例中，如图2所示，所述主控制器100内设置有ethercat主站模块102，五个所述子控制器200内皆设置有ethercat从站模块201，所述ethercat主站模块102分别与通信处理模块101、ethercat从站模块201进行数据交换。同时，主控制器100与驱动器300也以同样的方式进行数据交换。

本发明进一步较佳实施例中，如图2所示，所述ethercat主站模块102与ethercat从站模块101之间通过ethercat现场总线进行通信。

目前机器人控制系统中的canbus(controllerareanet-workbus控制器局域网)总线或者rs485(485信号通用串口协议)总线，canbus或者rs485总线虽然通信稳定，有较高的抗干扰性能，但其无法满足高档数控装置对实时性和可靠性的要求，同时，目前的机器人控制系统所采用canbus总线或者rs485总线可拓展性较差，硬件接线复杂。

通过ethercat现场总线实现数据的流通，不仅保证了系统的安全性能等级，提高了其安全性能，同时，采用ethercat现场总线进行通信，可减少机器人硬件接线，提高机器人控制的实时性与精度。

所述ethercat(safetyoverethercat)现场总线是开放的实时以太网络通讯协议，为系统的实时性能和拓扑的灵活性树立了新的标准。在当今工业领域，ethercat现场总线作为一种高性能总线，广泛应用于现场的高速数据传输。

所述ethercat主站模块102通过周期性地访问各个ethercat从站模块201，实现ethercat从站模块201i/o数据的输入输出刷新。

利用ethercat技术的优异性能可以实现用传统现场总线系统所无法实现的控制方法。这样通过总线也可以形成超高速控制回路。以前需要本地专用硬件支持的功能现在可在软件中加以映射，巨大的带宽资源使状态数据与任何数据可并行传输。而ethercat技术使得通讯技术与现代高性能的工业pc相匹配，总线系统不再是控制理念的瓶颈。分布式i/o的数据传递超过了只能由本地i/o接口才能实现的性能。

所述主控制器100通过ethercat现场总线向子控制器200发送对应的子任务，各个子控制器200对应接收的子任务进行处理，并将处理结果通过ethercat现场总线反馈至主控制器100进行汇总。

所述主控制器100采用基于pc的实时操作系统，在实时系统下完成对主站协议栈的解析，控制周期能达到1ms，基于ethercat现场总线，主控制器100与子控制器200之间的通讯具有实时性和稳定性，解决了传统工业机器人上总线不够实时、易丢包等缺点。

本发明进一步较佳实施例中，所述主控制器100内设置有共享内存模块103，所述主控制器100通过共享内存模块103与通信处理模块101进行数据访问。

所述共享内存模块103设置在主控制器100与通信处理模块101之间，以及设置在主控制器100与各个驱动器300之间，保证数据在各功能单元之间稳定高效的交互。

具体实施时，所述主控制器100与五个子控制器200之间通过独特设计的共享内存技术与ethercat主站模块102通讯，进行数据交互。主控制器100接收五个子控制器200返回的处理结果后，实时传输相应的路径信息至各个驱动器300中。

该共享内存技术是一种高效的进程间的通信方式，数据共享进程间的数据不用传送，而是直接访问内存。为了在多个进程间中交换信息，内核专门留出一块内存区，需要以待访问的进程将其映射至自己的私有地址空间，此时，进程就可以直接读这一块内存而不需要进行数据的拷贝，从而大大提高效率。

共享内存指在多处理器的处理机系统中，可以被不同中央处理器(cpu)访问的大容量内存。由于多个cpu需要快速访问存储器，这样就要对存储器进行缓存(cache)。任何一个缓存的数据被更新后，由于其他处理器也可能要存取，共享内存就需要立即更新，否则不同的处理器可能用到不同的数据。共享内存是unix下的多进程之间的通信方法,这种方法通常用于一个程序的多进程间通信，实际上多个程序间也可以通过共享内存来传递信息。

本发明进一步较佳实施例中，如图3所示，五个所述子控制器200包括：轨迹规划控制器202、力控制器203、传感器控制器204、图像处理控制器205和语音识别控制器206；所述轨迹规划控制器202、力控制器203、传感器控制器204、图像处理控制器205和语音识别控制器206皆与主控制器100通信连接。

本发明进一步较佳实施例中，如图3所示，所述轨迹规划控制器202、力控制器203、传感器控制器204、图像处理控制器205、语音识别控制器206分别对应连接有用户指令或脚本指令模块401、零力示教模块402、碰撞检测模块403、视觉模块404、语音识别模块405；所述用户指令或脚本指令模块401用于将接收到的用户指令或脚本指令转化成轨迹或运动指令；所述零力示教模块402用于控制机器人保持当前姿态，在通过外力改变当前姿态并在外力撤销时，控制机器人本体保持外力撤销时的姿态；所述碰撞检测模块403用于检测机器人本体在运动过程中是否产生碰撞，当碰撞力量超过预先设置的力量范围时发出预警信息；所述视觉模块404用于将将被检测的目标转换成图像信号，并传送给图像处理控制器，通过所述图像处理控制器将图像信号转变成数字信号；所述语音识别模块405用于将语音转化为相应的机器指令。

如图3所示，该机器人分布式控制系统还设置有一示教器10，该示教器10接收控制机器人的控制参数及控制方式，并发送控制参数给所述主控制器100，所述主控制器100在接收控制参数，将这些控制参数拆分成多个小任务，并将这些小任务发送至子控制器200，子控制器200接收到这些任务后进行处理，并将处理结果反馈至主控制器100，主控制器在接收到这些处理结果后，将其发送给相应的驱动器300，由驱动器300来驱动控制模块。

所述用户指令或脚本指令模块401将接收到的用户指令或脚本指令转化成轨迹或运动指令，然后返回给主控制器100。

所述零力示教模块402提升了机器人的易用性，有效的降低了调试时间以及学习成本，实现了产品快速、稳定、高效的现场应用。

所述碰撞检测模块403的功能是可以设置力量预设范围，该碰撞检测模块403检测到机器人本体在运动过程中产生碰撞时，且碰撞的力量超过力量预设范围时，发出预警信息。

所述传感器控制器204可以控制气压传感器，温湿度传感器，空速传感器和光强度传感器等。

本发明进一步较佳实施例中，所述机器人本体的姿态不能被机器人本体自身的重力所改变。

本发明进一步较佳实施例中，所述图像处理控制器205根据像素分布、亮度和颜色，将图像信号转变成数字信号，所述图像信号通过ccd照相机采集。

所述图像处理控制器205对采集到的图像信号进行各种运行来抽取目标特征，如面积、数量、位置、长度，再根据预设的允许度和其他条件输出相应的结果，以实现自动识别功能。所述图像处理控制器205的处理过程主要体现在图像识别应用、图像检测应用、视觉定位应用、物体测量应用、物体分拣应用等。

ccd(chargecoupleddevice)即为电荷耦合元件，可以称为ccd图像传感器。ccd是一种半导体器件，能够把光学影像转化为数字信号。ccd上植入的微小光敏物质称作像素(pixel)，一块ccd上包含的像素数越多，其提供的画面分辨率也就越高。ccd的作用就像胶片一样，但它是把图像像素转换成数字信号，ccd上有许多排列整齐的电容，能感应光线，并将影像转变成数字信号，经由外部电路的控制，每个小电容能将其所带的电荷转给它相邻的电容，作为一种光数转化元件，ccd相机已被广泛应用。

ccd照相机通过所述cameralink接口将其采集到的图像数据传送给现场可编程门阵列，所述现场可编程门阵列能够接收该图像数据，并协同数字信号处理器及图像样本模型一起对该图像数据进行处理、比较、处理，得到位置坐标及角度信息。

本发明还提供一种机器人分布式控制方法，如图3所示，包括如下步骤：

s100、主控制器接收用户发送的控制指令；

s200、主控制器将控制指令拆分成若干小任务发送至对应的子控制器；

s300、若干所述子控制器在接收到主控制器发送的小任务后，将所述小任务生成相应的处理结果发送至主控制器；

s400、主控制器在接收到各子控制器反馈的处理结果后，根据所述处理结果分别控制对应的驱动器，所述驱动器驱动相应的控制模块。

该机器人控制方法能够有效的降低机器人控制系统开发的开发难度和成本，且在控制的过程中防止控制参数被解析，大大提高了整个控制的保密性。

综上所述，本发明公开了一种机器人分布式控制系统及其方法，该分布式控制系统包括：主控制器，分别与所述主控制器通信的若干子控制器、若干驱动器，与所述子控制器电连接的控制模块；所述主控制器用于将整个机器人的控制任务拆分成若干小任务发送至对应的子控制器，并接收各子控制器反馈的处理结果，根据所述处理结果分别控制对应的驱动器；将机器人整个控制系统拆分成多个控制单元，大大的降低整体方案的研发风险和成本，能够根据机器人的不同应用场景，来优化和复制单个控制单元，能够取得优异的效果；且有效的降低了单个控制器的硬件成本和能耗，大大提高了整个控制的保密性，同时，该分布式控制系为机器人群体协调控制提供扩展空间。

显然，以上所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例，附图中给出了本申请的较佳实施例，但并不限制本申请的专利范围。本申请可以以许多不同的形式来实现，相反地，提供这些实施例的目的是使对本申请的公开内容的理解更加透彻全面。尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来而言，其依然可以对前述各具体实施方式所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等效替换。凡是利用本申请说明书及附图内容所做的等效结果，直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理在本申请专利保护范围之内。