一種機器人內部模塊無線組網的系統和方法與流程
2023-05-10 14:06:02
本發明涉及機器人內部通訊
技術領域：
，具體是一種機器人內部模塊無線組網的系統和方法。
背景技術：
：機器人一般由多個模塊組成，為了完成相應的動作，模塊之間需要進行信息交換。目前機器人內部各個模塊之間主要通過電纜連接，利用電纜進行內部通訊。由於機器人存在大量、長時間的關節運動，因此電纜的耐磨性和抗折彎性顯得的尤為重要，長期使用後，電纜一定會有所損傷。而電纜一旦損壞，必然會影響信號傳輸，從而使得機器人無法正常使用，同時也會產生安全隱患，並且電纜不容易維護，替換起來非常麻煩。機器人內部設置的電纜也佔用了大量空間，使得本身就很狹小的內部空間更加緊張。技術實現要素：本發明要解決的問題是提供一種機器人內部模塊無線組網的系統和方法，該方法能夠實現機器人內部模塊間的無線通訊，節約了機器人的內部空間，減少了零部件的損耗，降低了維修成本，提高了機器人的穩定性。為實現上述發明目的，本發明的機器人內部模塊無線組網的系統，包括主控單元、伺服控制子系統、電源管理子系統、運動控制子系統和無線通訊單元，所述運動控制子系統中包括表情控制子系統。無線通訊單元包括第一至第五子單元，所述第一至第五無線通訊子單元分別與所述主控單元、伺服控制子系統、表情控制子系統、電源管理子系統、運動控制子系統組合；所述第一無線通訊子單元用於主控單元向各子系統發出控制指令，以及接收各子系統上報的工作狀態；所述第二至五無線通訊子單元用於接收主控單元的下發的控制指令，以及上報與該無線通訊子單元組合的子系統的工作狀態。進一步的，所述主控單元包括機器人人工智慧行為智能模塊，自然語言理解模塊，視覺智能模塊，運動智能模塊，表情、LCD觸摸顯示模塊，肢體語言模塊，環境感知模塊，網絡知識模塊。另一種改進，所述伺服控制子系統用於執行電機控制算法，定時獲取多路有刷或無刷伺服電機的角度工作電流與工作溫度採樣，根據傳感器反饋數據，完成多路有刷或無刷伺服電機的驅動與控制，定時對伺服控制的情況進行檢測，產生異常事件，並對電機堵轉，過流，過溫等異常情況進行保護。另一種改進，所述表情控制子系統用於對機器人的表情進行控制，讀取傳感器的信息，並進行回傳。另一種改進，所述運動控制子系統用於接收主控中心的指令，獲取傳感器信息，控制伺服控制器、表情控制器等，完成對機器人的控制。完成運控DSP的初始化、傳感器的初始化及規劃系統狀態變化時的處理動作。獲取到基本控制指令，結合傳感器反饋的情況，進行綜合判斷，完成指令的執行。綜合到軌跡控制指令，完成動作分解，結合傳感器反饋的情況，進行綜合判斷，下達基礎控制指令。獲取到任務指令，完成軌跡規劃和路徑規劃，結合傳感器反饋的情況，進行綜合判斷，完成指令的執行。一種機器人內部模塊無線組網的方法，包括以下步驟：節點的加入與退出：所述主控單元進入正常工作狀態，周期性檢測有無新的待加入子系統節點加入網絡或者有無原來的子系統節點退出網絡，如果有原來的子系統節點退出網絡，就調用加入/退出網絡子程序。所述待加入子系統節點首先進入接收狀態，並判斷現在信道是否被佔用，如果信道被佔用，則進行一個隨機延時，再檢測信道是否被佔用，如此直到信道為空時才能與所述主控單元通信，從而加入網絡。如果所述待加入子系統節點連續N次檢測到信道被佔用，則所述待加入子系統節點就退出加入網絡狀態，等待下一個加入網絡時段再加入網絡，所述N次為預先根據需要人為設定的次數。所述主控單元定時發送網絡維護信號，檢測網絡中的子模塊是否因斷電或者模塊損壞退出網絡。當新的待加入子系統節點加入到網絡系統中，所述網絡系統會及時反映新加入節點。當網絡系統檢測到子系統節點由於電源電壓低於工作電壓，或人為破壞引起失效時，會從網絡中刪除該節點的拓撲結構及相關信息，檢測方法有手動刷新和定時採樣兩種。節點級別分配：網絡系統包含一個主控單元節點和若干子系統節點；所述子系統節點上電初始化後，首先向所述主控單元節點發出請求分配級別的命令，然後進入低功耗狀態並打開定時器。所述子系統節點在設定時間內收到所述主控單元節點分配的級別，所述子系統節點就會向主控單元節點發送自組織信息的數據包。如果所述子系統節點在設定時間內沒有收到所述主控單元節點分配的級別，該節點會從低功耗狀態喚醒，再次發送請求分配級別的命令，如此循環。當所述子系統節點發出請求所述主控單元分配級別的命令達到設定上限後，仍然沒有確定自己在網絡系統中的級別。所述子系統節點就會向全網絡系統發出廣播命令，然後進入低功耗狀態並打開定時器。定時時間到，所述子系統節點重新回到發射廣播命令狀態。當所述子系統節點發射廣播的次數達到設定值，所述子系統節點就會將接收到的應答信息進行整理，確定自己在網絡中的級別，並確定上級、同級和下級節點的相關信息。所述子系統節點再向上級節點發送包含這些信息的數據包，直到數據包傳送到所述主控單元節點，這樣可確定整個網絡的拓撲結構。進一步的，所述網絡系統採用的無線通訊協議中，通過定義數據包的格式和關鍵字來實現節點的自組織，數據包中包含一個關鍵字和多個字節的數據，其中包括了節點自身信息、數據包長度、數據路由，數據校驗和標誌位信息；關鍵字表示不同性質的包，區分各種情況的數據，提升網絡的通訊能力。只需要改變數據包中的標誌位，就可以對信息進行加密。進一步的，為了防止串口通信過程中丟失數據，所述組網方法還包括握手協議。當所述主控單元節點每發送一個數據包給子系統時，所述子系統節點都會向所述主控單元節點發送應答信號，直到數據包發送給所述所述主控單元節點。所述主控單元節點接收到數據包後，節點會從低功耗模式中喚醒，根據接收到的數據中標誌位的不同字符分別進入不同的處理單元。進一步的，多個子系統節點同時與主控單元節點通信時，存在掙搶信道的現象。為了避免多個子系統節點同時與主控單元節點通信造成數據丟失，所述組網方法採用一定的退避機制，級別高的節點優先於級別低的節點。本發明的一種機器人內部模塊無線組網的系統和方法，利用短距離、低功耗的無線通信技術，對機器人內部模塊進行組網，用來取代有限電纜的通訊方式，消除了由於電纜長時間的磨損和折彎導致的電氣故障，提高機器人的安全和可靠性。且無線網絡中的任意節點之間都可進行數據通訊，在有模塊加入和撤出時，無線網絡具有自動修復功能，網絡時延短，響應速度較快，功耗低，通訊速度高，可靠性好，安全性高。附圖說明圖1為本發明網絡系統拓撲結構圖；圖2為無線通訊子單元電路原理圖；圖3為子系統節點的自組織流程圖。具體實施方式下面結合附圖，對本發明提出的一種機器人內部模塊無線組網的系統和方法進行詳細說明。如圖1所示，本發明的機器人內部模塊無線組網的系統，包括主控單元、伺服控制子系統、電源管理子系統、運動控制子系統和無線通訊單元，所述運動控制子系統中包括表情控制子系統。無線通訊單元包括第一至第五子單元，所述第一至第五無線通訊子單元分別與所述主控單元、伺服控制子系統、表情控制子系統、電源管理子系統、運動控制子系統組合；所述第一無線通訊子單元用於主控單元向各子系統發出控制指令，以及接收各子系統上報的工作狀態；所述第二至五無線通訊子單元用於接收主控單元的下發的控制指令，以及上報與該無線通訊子單元組合的子系統的工作狀態。每個無線通訊子單元電路如圖2所示。具體來講，網絡系統的結構如下：主控單元+第一無線通訊子單元：主要由機器人人工智慧行為智能模塊，自然語言理解模塊，視覺智能模塊，運動智能模塊，表情，LCD觸摸顯示，肢體語言模塊，環境感知模塊，網絡知識模塊構成，無線通訊部分主要用於下發主控單元的控制指令，以及接收各子系統上報的工作狀態。伺服控制子系統+第二無線通訊子單元：執行電機控制算法，定時獲取多路有刷或無刷伺服電機的角度工作電流與工作溫度採樣，根據傳感器反饋數據，完成多路有刷或無刷伺服電機的驅動與控制，定時對伺服控制的情況進行檢測，產生異常事件，並對電機堵轉，過流，過溫等異常情況進行保護，無線通訊部分主要用於接收主控單元的下發的控制指令，以及上報本系統的工作狀態。表情控制子系統+第三無線通訊子單元：存在於運動控制中心之下，用於對機器人的表情(點陣)進行控制，讀取傳感器的信息，並進行回傳，無線通訊部分主要用於接收主控單元的下發的控制指令，以及上報本系統的工作狀態。電源管理子系統+第四無線通訊子單元：根據充電器輸出的最大充電電壓，充電電流，以及電池組的當前電壓，溫度，實時調整充電電流，對電池組進行充電管理，並根據電池組的當前電壓，溫度，以及子系統的供電的情況對電池組進行放電管理，實時監測電池組的溫度，總電壓，單節電壓，電池組電量，充電電流，放電電流，以供其他模塊調用，決策，無線通訊部分主要用於接收主控單元的下發的控制指令，以及上報本系統的工作狀態。運動控制子系統+第五無線通訊子單元：存在於主控中心之下，用於接收主控中心的指令，獲取傳感器信息，控制伺服控制器、表情控制器等，完成對機器人的控制。完成運控DSP的初始化、傳感器的初始化及規劃系統狀態變化時的處理動作。獲取到基本控制指令，結合傳感器反饋的情況，進行綜合判斷，完成指令的執行。綜合到軌跡控制指令，完成動作分解，結合傳感器反饋的情況，進行綜合判斷，下達基礎控制指令。獲取到任務指令，完成軌跡規劃和路徑規劃，結合傳感器反饋的情況，進行綜合判斷，完成指令的執行，無線通訊部分主要用於接收主控單元的下發的控制指令，以及上報本系統的工作狀態。一種機器人內部模塊無線組網的方法，包括以下步驟：節點的加入與退出：如圖1所示，本無線網絡系統為星型網絡，硬體組網成功之後，網絡所述主控單元就進入正常的工作狀態，一直處於循環檢測的狀態，周期性檢測有無新的待加入子系統節點加入網絡或者有無原來的節點退出網絡，如果有，就調用加入/退出網絡子程序。待加入子系統節點首先進入接收狀態，是否被佔用，如果信道被佔用，不能與所述主控單元通信，只能再進行一個隨機延時，再檢測信道是否被佔用，如此直到信道為空時才能與主控單元通信，從而加入網絡。如果所述待加入子系統節點連續N次檢測到信道被佔用，節點就退出加入網絡狀態，等下一個加入網絡時段再加入網絡。，本實施例設定N為3。節點發送加入網絡信號後，如果收到主控單元的特定的應答信號，就表明加入網絡成功，退出網絡也是如此。人機主控單元定時發送網絡維護信號，檢測網絡中的終端節點是否因斷電或者模塊損壞退出網絡。當新的子系統節點加入到網絡中，系統會及時反映新加入節點。當系統檢測到子系統節點由於電源電壓低於工作電壓，或人為破壞引起失效時，會從網絡中刪除該節點的拓撲結構及相關信息，檢測方法有手動刷新和定時採樣兩種。節點級別分配：網絡系統包含一個主控單元節點和若干子系統節點，主控單元節點上電初始化後就進入低功耗模式。子系統節點上電初始化後，首先會向主控單元節點發出請求分配級別的命令，然後進入低功耗狀態並打開定時器。在設定時間內收到主控單元節點分配的級別，該子系統節點就會向主控單元節點發送自組織信息的數據包。如果在設定時間內沒有收到主控單元節點分配的級別，該節點會從低功耗狀態喚醒，再次發送請求分配級別的命令，如此循環。當子系統節點發出請求主控單元分配級別的命令達到設定上限後，仍然沒有確定自己在網絡中的級別。該節點就會向全網發出廣播命令，然後進入低功耗狀態並打開定時器。定時時間到，節點重新回到發射廣播命令狀態。當子系統節點發射廣播的次數達到設定值，該節點就會將接收到的應答信息進行整理，確定自己在網絡中的級別，並確定上級、同級和下級節點的相關信息。該節點再向上級節點發送包含這些信息的數據包，直到數據包傳送到主控單元節點，這樣可確定整個網絡的拓撲結構，子系統節點初始化後，首先發送請求主控單元節點分配級別的命令，同時打開一個定時喚醒的定時器；然後進入低功耗模式，等待外部事件的喚醒。若子系統發送請求主控單元節點分配級別的次數達到設定上限，仍未確定節點在網絡中的級別，則該節點就會向周圍子系統節點廣播信息。當廣播次數達到設定值時，子系統節點就根據收到的信息確定自己的級別以及與該節點有直接聯繫的節點的信息，並把這些信息發送給主控單元。節點的自組織流程如圖3所示。數據包格式：在無線通訊協議中，通過定義數據包的格式和關鍵字來實現節點的自組織，數據包中包含一個關鍵字和多個字節的數據，其中包括了節點自身信息、數據包長度、數據路由，數據校驗和標誌位信息，關鍵字表示不同性質的包，區分各種情況的數據，提升網絡的通訊能力。只需要改變數據包中的標誌位，就可以對信息進行加密，自組織協議格式如下表示。PreKeyFromFinalLengthDataCheckFlag其中Pre表示前導碼，通過測試和試驗發現，噪聲中不容易產生像0xAA和0x55非常有規律的信號，這些字符雜波不容易產生；Key表示關鍵字，來區分不同性質的數據包，接收節點會根據這些關鍵字分別進入不同的數據處理單元；From表示源地址，是發送數據的節點自身信息；Final表示數據的目標地址；Data表示有效數據，這些數據隨著字符Key的不同採用不同的格式，可攜帶不同的信息；Check表示檢驗位，可避免接收錯誤的數據包；Flag表示數據包的結束標誌位。根據協議格式中的Key可以將節點通訊時捎帶的數據包分為自組網信息、環境突變信息、主控單元的控制命令、子系統的狀態上報數據、廣播信息，系統故障信息等。例如下給出了主控單元在發送控制命令時的數據包格式：0x550x550x200x010x070x010x0D0x110x010x100x060x080xAA其中0x55和0x55為數據前導碼，0x20為主控單元直接向伺服子系統發送的關節電機驅動控制指令，0x01表示主控單元發送節點的源地址，0x07為數據包要到達的伺服子系統目標地址，0x01表示節點在當前網絡中的級別，0x0C表示本數據包的字節數，0x11表示要驅動的關節電機的序號，0x01表示關節電機轉動的方向，0x10表示關節電機轉動的絕對角度，0x06表示關節電機轉動的速度，0x5B為前面數據和的低8位，作為數據包的檢驗碼，0xAA為數據包的結束標誌。接收節點子系統需要向發送節點主控單元做出應答，下表為應答狀態突變時的數據包格式。0x550x550x210x070x010x040x0A0x010xE20xAA其中0x21就表示子系統對主系統的應答指令，後面分別是發送節點和接收節點的地址，0x04表示本節點在當前網絡中的級別，0x0A表示本數據包的字節數，0x01表示要子系統指令執行成功。為了防止串口通信過程中丟失數據，軟體設計上加了握手協議。當主控單元節點每發送一個數據包給子系統時，子系統都會向主控節點發送應答信號，直到數據包發送給主控單元。接收到數據包後，節點會從低功耗模式中喚醒，根據接收到的數據中標誌位的不同字符分別進入不同的處理單元。多個子系統節點同時與主控單元節點通信時，存在掙搶信道的現象。為了避免多個子系統節點同時與主控單元節點通信造成數據丟失，軟體上採用一定的退避機制，級別高的節點優先於級別低的節點。以上實施例僅用以說明本發明的技術方案，並非用於限定本發明的保護範圍。凡在本發明的精神和原則之內，所做的任何修改、等同替換、改進等，其均應涵蓋在本發明的權利要求範圍當中。當前第1頁1 2 3