-种基于双层CPG的多工业机械臂控制器
技术领域
[0001] 本
发明属于自动控制技术领域，具体地说，涉及一种基于双层CPG的多工业机械 臂控制器。
背景技术
[0002] 中枢模式发生器（Central Pattern Generator, CPG)是一类存在于无
脊椎动物和 脊椎动物的中枢神经系统中的神经元网路，它能在没有节律性控制或者反馈输入情况下产 生有节律的行为，如行走，游泳等。无脊椎动物运动由神经节控制，脊椎动物运动由中枢神 经系统控制，最新研究表明，动物神经节和中枢神经系统具有分层特性，可分为节律发生层 和运动模式发生层。
[0003] 在工业生产中，面对日益繁重的工作任务，用一个结构复杂、价格昂贵的
单体工业 机械臂执行，可能难以胜任或效率低下，需要由多个工业机械臂一起工作才能完成给定任 务。多个工业机械臂系统主要是将能
力有限的单个工业机械臂通过交互、协调和控制体现 出
群体智能，以合作完成相对复杂的给定任务。
[0004] 多工业机械臂研究的兴起源于仿
生物学的启发，是通常意义上的多
机器人系统被 赋予群体智能属性后的新兴研究领域，多机器人并非仅是单元数量的标识，多机器人相互 协作的背后隐藏的有限
感知以及局部交互原则才是最基本的。与多个机器人对应的控制结 构规模是可变的，机器人的数量根据工作任务的要求，单元数量可以从数个到成百上千或 者更多。多个机器人要实现群体之间的协调，就必须保证群体之间的交流和协商的有效性， 以及信息的有效共享。
[0005] 在发明
专利CN1857877A中公开了一种机器人多臂控制系统，包括为了协调生产 过程，通过网络进行通信，将同步信息从
主控制器传输到一个或更多从属控制器的机器人 控制器。该系统在用于过程和运动同步的事件时序同步时考虑网络通信的延迟。但采用将 一个机械臂作为家庭首领机器人，其余机械臂作为家庭成员机器人的方式，作为家庭成员 的机械臂之间无信息交流。
[0006] 发明专利CN102707675A中公开了一种群机器人控制器，包括协调层、管理层和执 行层，采用预测加权分层信息技术，通过无线通信模
块进行Mesh组网，把群机器人的控制 系统与机器人单体的特点有机结合并控制单体机器人终端进行协作的方法，实现了在无人 干预情况下群机器人进行交互与协作的有益效果，提高了群机器人集体协作的工作效率和 特殊环境下工作的准确性、
稳定性。但各单体机器人之间进行信息交流是单体机器人的终 端接收其它单体机器人终端和协调层发送的操作命令及协作信息，接收的信息只对终端作 用。
[0007] 目前，多工业机械臂的应用越来越多，但各机械臂之间集体协作和信息交互能力 不足，另外，大多数工业机械臂都具有多节臂架或者折弯结构，要对工业机械臂进行满足作 业要求的精确控制，连接各臂架的关节起着至关重要的作用，目前采用的关节均为刚性关 节，其抗冲击性能差，稳定性不足。
发明内容
[0008] 为了避免
现有技术存在的不足，克服机械臂之间集体协作和信息交互能力较弱， 及其抗冲击性能差，稳定性不足的问题，本发明提出一种基于双层CPG的多工业机械臂控 制器。控制器采用与控制无脊椎动物运动的神经节和脊椎动物运动的中枢神经系统所具有 分层神经元网络相似的结构，其目的在于控制多工业机械臂进行集体协作和信息交互，实 现对多工业机械臂各关节的有效控制，在保证工业机械臂具有足够动力性能和
自由度的同 时，使工业机械臂具有一定的自主运
动能力。
[0009] 本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：机械臂控制器由
相位协调层和运 动模式发生层组成，相位协调层实现对各工业机械臂的相序
锁定，运动模式层对各工业机 械臂进行轨迹规划和
姿态调整；
[0010] 所述相位协调层包括各工业机械臂对应的节律发生器，各节律发生器接收来自对 应工业机械臂的触觉
传感器的
信号，且各节律发生器之间可进行信息交流，各节律发生器 产生相对应工业机械臂的相位信号并发送至相对应的控制器；
[0011] 所述运动模式发生层包括各工业机械臂的运动模式发生器，各工业机械臂的运动 模式发生器由对应的控制器、底座、依次连接的臂架、
末端执行器、柔性关节、触觉传感器， 力、位移、
扭矩传感器组成；所述各工业机械臂的控制器，接收来自相应节律发生器的相位 信号和由力、位移、扭矩传感器测量的工业机械臂各柔性关节的反馈信号，对各柔性关节进 行控制，同时各工业机械臂的末端执行器的轨迹规划，由相应的控制器完成；所述各工业机 械臂的末端执行器，根据控制器的路径规划进行运作，对工作对象进行作业，并将
接触信号 发送至触觉传感器，同时，末端执行器将与工业对象接触产生的信息传送至工业机械臂各 柔性关节；所述各工业机械臂的柔性关节，产生的拉压和扭转形变信息通过力、位移、扭矩 传感器反馈给相应的控制器，相应控制器发出的
控制信号进行姿态调整；所述各工业机械 臂的力、位移、扭矩传感器，用于测量各工业机械臂柔性关节的力、位移和速度形变信息，并 发送至相应的控制器，每个柔性关节有其对应的一组力、位移、扭矩传感器；所述各工业机 械臂的触觉传感器，用于测量各工业机械臂末端执行器与工作对象的接触信号，并将接触 信号发送至相对应的节律发生器。
[0012] 有益效果
[0013] 本发明提出的
一种基于双层CPG的多工业机械臂控制器，通过采用与控制无脊椎 动物运动的神经节和脊椎动物运动的中枢神经系统所具有分层神经元网络相似的结构，把 多工业机械臂控制系统与单个工业机械臂的特点有机结合在一起，使多工业机械臂集体协 作和信息交互具有高效协同性；采用柔性关节和丰富的
传感器系统，在提高多工业机械臂 信息利用率的同时，实现对多工业机械臂各关节的有效控制，使系统具有高可靠性和稳定 性。在保证工业机械臂具有足够动力性能和自由度的同时，使工业机械臂具有一定的自主 运动能力。机械臂控制器由相位协调层和运动模式发生层组成，相位协调层实现对各工业 机械臂的相序锁定，运动模式层对各工业机械臂进行轨迹规划和姿态调整。
附图说明
[0014] 下面结合附图和实施方式对本发明一种基于双层CPG的多工业机械臂控制器作 进一步详细说明。
[0015] 图1为本发明基于双层CPG的多工业机械臂控制器结构示意图。
[0016] 图中：
[0017] Rn表示第η个
工业机器人臂的节律发生器；
[0018] Jnm表示第η个工业机器人臂上的第m个柔性关节；
[0019] Snm表示测量第η个工业机器人臂上第m个柔性关节形变的力、位移、扭矩传感 器；
[0020] Kn表示测量第η个工业机器人臂末端执行器接触信息的触觉传感器；
具体实施方式
[0021] 本
实施例是一种基于双层CPG的多工业机械臂控制器。
[0022] 如图1所示，为本实施例基于双层CPG的多工业机械臂控制器结构示意图。按照 仿生物学依据，本实施例提供的多工业机械臂控制器分为相位协调层和运动模式发生；层 相位协调层由各工业机械臂对应的节律发生器组成，各节律发生器Rn接收自对应工业机 械臂的触觉传感器Kn的信号，且各节律发生器Rn之间可进行信息交流，各节律发生器产生 相对应工业机械臂的相位信号并将其发送至相对应的控制器，相位协调层实现对各工业机 械臂的相序锁定；运动模式发生层由各工业机械臂的运动模式发生器组成，各工业机械臂 的运动模式发生器由对应的控制器，底座，依次连接的臂架，末端执行器，柔性关节Jnm，力、 位移、扭矩传感器Snm，触觉传感器Kn组成，运动模式层对各工业机械臂进行运动规划和姿 态调整。
[0023] 实施例1
[0024] 在本实施例中，采用基于双层CPG的多工业机械臂控制器进行重物体搬运操作。 在工业生产中，某些大型重物体，依靠单个工业机械臂难以完成搬运作业，需要多个工业机 械臂协调作业才能完成搬运。初始时，各工业机械臂根据初始化设定，向重物体靠近。当多 个工业机械臂中有一个机械臂的末端执行器与重物接触时，通过与接触重物体的工业机械 臂的触觉传感器将接触信号传递给该机械臂对应的节律发生器。多工业机械臂控制器的相 位协调层根据与接触重物的工业机械臂的节律发生器的信号输入做出决定，使接触重物体 的工业机械臂运动速度减缓，尚未与重物体接触的其余工业机械臂运动速度加快，尽快与 重物体接触。同时，与重物体接触的工业机械臂通过末端执行器将力与其它信息传送至该 工业机械臂各柔性关节，相应的控制器根据该工业机械臂的节律发生器的
输入信号和各柔 性关节的反馈信号进行姿态调整。当所有参与作业的工业机械臂均与重物体接触时，则给 各工业机械臂加力，完成对重物体的抓取工作，各工业机械臂按照各自设定的运动规划，进 行重物体的搬运作业。
[0025] 实施例2
[0026] 在本实施例中，采用基于双层CPG的多工业机械臂控制器进行多工业机械臂的同 步操作。工业生产中，某些时候需要多个工业机械臂同步操作，多工业机械臂控制器可对控 制的多个工业机械臂从相位协调层和运动模式发生层同时进行调整，保证各工业机械臂保 持高度一致的同步操作。对于相位协调层，初始时，相位协调层中各工业机械臂的节律发生 器完成相序锁定，使得各工业机械臂保持同步运动。当发生不同步运动现象时，相位协调层 根据初始时的相序锁定进行调整，使各工业机械臂重新保持同步运动，同时相位协调层将 对应的节律发生器产生的相位信号发送至对应的工业机械臂控制器。对于运动模式发生 层，初始时，各工业机械臂根据初始化设定，按照各自的运动规划动作进行运动。当各工业 机械臂中有一个机械臂的运动与其余工业机械臂的运动不同步时，工业机械臂所处的
位置 与其它工业机械臂不一致，使得工业机械臂的各柔性关节受到的力、位置、速度也与其它工 业机械臂不一致；工业机械臂各柔性关节的力、位移、扭矩传感器将力、位置、速度信号传递 至相应工业机械臂的控制器，相应的控制器根据工业机械臂的节律发生器输入的相位信号 和各柔性关节的反馈信号进行姿态调整，使得各工业机械臂运动重新保持一致。
[0027] 实施例3
[0028] 在本实施例中，采用基于双层CPG的多工业机械臂控制器进行多个工业机械臂的 先后顺序操作控制。工业生产中，某些时候需要多个工业机械臂按照一定的先后顺序进行 作业，如进行机器的装配，
工件的流
水生产作业。初始时，各工业机械臂根据初始化设定，根 据实际要求，某一个或者多个工业机械臂进行作业，当进行作业的工业机械臂完成设定的 操作时，工业机械臂末端执行器的触觉传感器将信号传递至相对应的节律发生器，多工业 机械臂的相位协调层根据进行作业工业机械臂的末端执行器的信号输入做出决定，使得完 成设定操作的工业机械臂复位，同时触发下一时间段的工业机械臂进行作业，直至完成所 有操作。在此过程中，相位协调层中各工业机械臂的节律发生器保持相序锁定，运动模式发 生层的各工业机械臂的控制器、柔性关节、力、位移、扭矩传感器完成对该工业机械臂的运 动规划，姿态调整，相位协调层和运动模式发生层共同保证各工业机械臂按照设定的先后 顺序操作控制。
