基於現場總線的分布式機器人控制系統的製作方法
2023-10-31 02:42:22
基於現場總線的分布式機器人控制系統的製作方法
【專利摘要】本發明公開了一種基於現場總線的分布式機器人控制系統，包括主控制器、伺服驅動控制器、輸入輸出模塊、安全模塊、示教器，主控制和伺服驅動控制器之間通過現場總線1連接，伺服驅動控制器和輸入輸出模塊之間通過現場總線2連接，輸入輸出模塊和安全模塊之間通過現場總線3連接，示教器和主控制之間通過現場總線4連接。本發明機器人控制系統基於開放的現場總線協議，分布式的功能模塊，使得整個系統具有開放、結構簡單等特點，基於該架構，用戶可以圍繞主控制器並根據自身需求選擇基於CAN或EtherCAT等總線的伺服驅動器，輸入輸出模塊以及安全模塊，從而充分掌握裁剪成本和性能自由。
【專利說明】基於現場總線的分布式機器人控制系統
【技術領域】
[0001]本發明涉及機器人控制【技術領域】，具體地說，是一種基於現場總線的分布式機器人控制系統。
【背景技術】
[0002]機器人系統是由機器人和周邊設備與工具組成的自動化作業系統，機器人特別是工業機器人一般是多軸機械臂，其軸主要由齒輪箱和伺服電機組成，機器人控制系統主要由主控制器和伺服驅動控制器組成。機器人系統是一種複雜的機電一體式系統，是靠自身動力和控制能力來實現各種功能的一種機器，可以接受人類指揮，也可以按照預先編排的程序運行。
[0003]目前國內外領先的機器人控制系統，特別是工業機器人控制系統正朝向控制精度進一步提高，安全性更好、輸入輸出更方便等方向發展，結構封閉、複雜的機器人控制系統已成為阻礙。
【發明內容】
[0004]本發明目的在於提供一種基於現場總線的分布式機器人控制系統，利用模塊化的結構並藉助現場總線組成分布式的機器人控制系統，以解決現有機器人控制系統存在的結構相對封閉、複雜等缺陷。
[0005]本發明是通過以下技術方案實現的:
[0006]基於現場總線的分布式機器人控制系統，包括主控制器、伺服驅動控制器、輸入輸出模塊、安全模塊、示教器，主控制和伺服驅動控制器之間通過現場總線I連接，伺服驅動控制器和輸入輸出模塊之間通過現場總線2連接，輸入輸出模塊和安全模塊之間通過現場總線3連接，示教器和主控制之間通過現場總線4連接。
[0007]進一步，所述主控制器的主要功能是根據用戶輸入的動作指令生成機器人各個軸對應電機運動所需的位置、速度和力矩參考值，根據機器人各個軸對應電機的實際位置和速度動態生成機器人末端在特定坐標系下的位置和速度信息，根據用戶輸入的指令生成數字或模擬信號量的輸出參考值。
[0008]進一步，所述伺服驅動控制器的主要功能是根據主控制器計算的位置、速度和力矩參考值控制其所連接的機器人各個軸對應電機以特定的力矩和速度到達指定位置，同時將伺服驅動控制器和電機的狀態以及其對應電機的實際位置、速度和力矩反饋給主控制器。
[0009]進一步，所述輸入輸出模塊的主要功能是根據主控制器計算的數字或模擬信號量的輸出參考值控制對應的數字或模擬信號量達到期望的設定值，同時將各個通道的實際信號輸入值反饋給主控制器。
[0010]進一步，所述安全模塊的主要功能是提供安全的輸入通道來檢測機器人系統安全相關的信號量:急停輸入、電機剎車狀態、伺服驅動控制器的使能狀態、機器人各個軸對應電機的實際位置和速度信息，提供安全的輸出通道來控制電機的剎車、伺服驅動控制使能以及伺服驅動控制母線電壓的通斷，提供可定製的安全邏輯，該安全邏輯根據輸入的安全信號量來控制安全輸出信號從而使整個機器人控制系統滿足機器安全的相關標準。
[0011]進一步，所述示教器是一種人機交換接口，其提供接口供用戶進行動作、數字或模擬輸入、輸出以及兩者的混合編程，提供接口供用戶在手動安全模式下慢速移動機器人，通過接口供用戶通過示教方式獲取機器人當前位置信息並生成期望的路徑，提供接口供用戶獲取並監測機器人控制系統及其各個子模塊的詳細狀態和報警信息。
[0012]進一步，所述現場總線1、現場總線2、現場總線3、現場總線4均採用相同機制，其連接介質為乙太網線，參照ISO標準通信模型，其物理層、鏈入層、網絡層和傳輸層採用CAN協議或EtherCAT等現場總線協議定義的標準，會話層及其之上採用CAN OPEN協議定義的標準。
[0013]進一步，該控制系統的主控制器包括路徑規劃模塊、通信模塊1、通信模塊2、指令隊列、參考值緩存區一和反饋值緩存區一，路徑規劃模塊以特定周期從指令隊列中提取指令，從參考值緩存區一提取當前機器人各個軸對應電機的實際位置、速度和力矩信息，根據動作指令實時生成機器人各個軸對應電機的位置、速度和力矩參考值並存入參考值緩存區一，根據輸入輸出指令實時生成各個數字或模擬信號量對應的輸出值並存入參考值緩存區一，實時生成用戶所關注的機器人末端在特定坐標系下的位置速度信息並存入反饋值緩存區一中，通信模塊I以特定周期從參考值緩存區一中提取參考值發送給伺服驅動控制器和輸入輸出模塊同時收取伺服驅動控制器和輸入輸出模塊的反饋值並存入反饋值緩存區一，通信模塊2以特定周期接收示教器發送過來的指令並從反饋值緩存區一中提取反饋值發送給示教器。
[0014]進一步，該控制系統的伺服驅動控制器包括參考值緩存區二、位置速度力矩控制模塊、反饋值緩存區二和通信模塊，位置速度力矩控制模塊以特定周期從參考值緩存區二中提取其對應電機的位置、速度和力矩參考值，從反饋值緩存區二中提取其對應電機的實際位置、速度和力矩反饋值，並應用PID (比例、積分和微分)控制算法控制其對應電機以參考的速度和力矩到達參考的位置，通信模塊以特定周期接收主控制器發送過來的位置、速度和力矩參考值並存入參考值緩存區二，以特定周期從反饋值緩存區二中提取實際的電機位置、速度和力矩反饋值並發送給主控制器。
[0015]進一步，該控制系統的安全模塊包括安全輸入單元、安全輸出單元和安全邏輯單元，安全邏輯單元以特定周期從安全輸入單元獲取機器人系統安全相關的輸入信號量:如急停輸入、電機剎車狀態、伺服驅動控制器的使能狀態、機器人各個軸對應電機的實際位置和速度信息，並按用戶定製的安全邏輯將機器人系統安全相關的輸出信號量:電機的剎車、伺服驅動控制使能以及伺服驅動控制母線電壓的通斷輸出到安全輸出單元。
[0016]本發明的工作原理為:用戶通過示教器生成程序，該程序包括期望的路徑及其對應的輸入輸出，用戶通過示教器控制整個控制系統進入運行狀態。當整個控制系統進入運行狀態時，各個模塊動作如下:
[0017](I)示教器以特定周期解析用戶程序並提取其中的動作或輸入、輸出指令並通過現場總線4將指令實時發送給主控制器；
[0018](2)主控制器以特定周期解析接收的動作或輸入、輸出指令，實時生成機器人各個軸對應電機的位置、速度和力矩參考值以及各個數字或模擬信號量對應的輸出值，實時接收伺服驅動控制器、輸入輸出模塊的反饋值和狀態信息，實時生成並發送給示教器用戶所關注的機器人末端在特定坐標系下的位置速度信息及整個系統的狀態和報警信息；
[0019](3)伺服驅動控制器以特定周期解析接收其連接的機器人各個軸對應電機的位置、速度和力矩參考值，實時控制電機以期望的速度和力矩到達指定位置，實時採集並發送給主控制器其連接的機器人各個軸對應電機的位置、速度和力矩；
[0020](4)輸入輸出模塊以特定周期解析接收的各個信號對應輸出值並輸出到該輸入輸出模塊對應的通道，實時採集並發送給主控制器各個輸入信號量的輸入值；
[0021](5)安全模塊以特定周期監測其安全輸入信號量並按預先設定好的安全邏輯實時控制其安全輸出信號量；
[0022](6)現場總線1、現場總線2、現場總線3、現場總線4分別為上述模塊提供實時通信保障，其中基於CAN的現場總線可以提供最高IM的帶寬，基於EtherCAT的現場總線可以提供最高1000M的帶寬，總線吞吐量約為帶寬的20%。
[0023]有益效果:本發明機器人控制系統基於開放的現場總線協議，分布式的功能模塊，使得整個系統具有開放、結構簡單等特點，基於該架構，用戶可以圍繞主控制器並根據自身需求選擇基於CAN或EtherCAT等總線的伺服驅動器，輸入輸出模塊以及安全模塊，從而充分掌握裁剪成本和性能自由。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0024]下面結合附圖和實施例對本發明進一步說明。
[0025]圖1為本發明一個實施例的系統結構示意圖。
[0026]圖2為本發明一個實施例的主控制器結構示意圖。
[0027]圖3為本發明一個實施例的伺服驅動控制器結構示意圖。
[0028]圖4為本發明一個實施例的安全模塊示意圖。
[0029]圖5為本發明一個實施例的現場總線模型示意圖。
【具體實施方式】
[0030]下面結合附圖對本發明的實施例作詳細說明:本實施例在以本發明技術方案為前提下進行實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發明的保護範圍不限於下述的實施例。
[0031]實施例:
[0032]如圖1所示，機器人控制系統包括主控制器、伺服驅動控制器、輸入輸出模塊、安全模塊和示教器，主控制和伺服驅動控制器之間通過現場總線I連接，伺服驅動控制器和輸入輸出模塊之間通過現場總線2連接，輸入輸出模塊和安全模塊之間通過現場總線3連接，示教器和主控制之間通過現場總線4連接。
[0033]如圖2所示，該控制系統的主控制器包括路徑規劃模塊、通信模塊1、通信模塊2、指令隊列、參考值緩存區一和反饋值緩存區一，路徑規劃模塊以特定周期從指令隊列中提取指令，從參考值緩存區一提取當前機器人各個軸對應電機的實際位置、速度和力矩信息，根據動作指令實時生成機器人各個軸對應電機的位置、速度和力矩參考值並存入參考值緩存區一，根據輸入輸出指令實時生成各個數字或模擬信號量對應的輸出值並存入參考值緩存區一，實時生成用戶所關注的機器人末端在特定坐標系下的位置速度信息並存入反饋值緩存區一中，通信模塊I以特定周期從參考值緩存區一中提取參考值發送給伺服驅動控制器和輸入輸出模塊同時收取伺服驅動控制器和輸入輸出模塊的反饋值並存入反饋值緩存區一，通信模塊2以特定周期接收示教器發送過來的指令並從反饋值緩存區一中提取反饋值發送給不教器。
[0034]如圖3所示，該控制系統的伺服驅動控制器包括參考值緩存區二、位置速度力矩控制模塊、反饋值緩存區二和通信模塊，位置速度力矩控制模塊以特定周期從參考值緩存區二中提取其對應電機的位置、速度和力矩參考值，從反饋值緩存區二中提取其對應電機的實際位置、速度和力矩反饋值，並應用PID (比例、積分和微分)控制算法控制其對應電機以參考的速度和力矩到達參考的位置，通信模塊以特定周期接收主控制器發送過來的位置、速度和力矩參考值並存入參考值緩存區二，以特定周期從反饋值緩存區二中提取實際的電機位置、速度和力矩反饋值並發送給主控制器。
[0035]如圖4所示，該控制系統的安全模塊包括安全輸入單元、安全輸出單元和安全邏輯單元，安全邏輯單元以特定周期從安全輸入單元獲取機器人系統安全相關的輸入信號量:如急停輸入、電機剎車狀態、伺服驅動控制器的使能狀態、機器人各個軸對應電機的實際位置和速度信息，並按用戶定製的安全邏輯將機器人系統安全相關的輸出信號量:電機的剎車、伺服驅動控制使能以及伺服驅動控制母線電壓的通斷輸出到安全輸出單元。
[0036]如圖5所示，該控制系統的現場總線1、現場總線2、現場總線3、現場總線4、主控制器的通信模塊1、主控制器的通信模塊2和伺服驅動控制器的通信模塊的物理層、數據鏈入層、網絡層、傳輸層均採用CAN協議或EtherCAT現場總線協議定義的標準，會話層、表示層、應用層均採用CAN OPEN協議標準，其中OSI模型，即開放式通信系統互聯參考模型(Open System Interconnection Reference Model),是國際標準化組織提出的一個試圖使各種計算機在世界範圍內互連為網絡的標準框架，簡稱0SI。
[0037]基於現場總線的實時性和開放性、職責分明的功能模塊，用戶可以根據自身需求搭建分布式的控制系統，本實施例中顯示了一個完整的機器人控制系統，針對某些特殊應用場合，用戶還可以選擇性的將安全模塊、示教器、輸入輸出模塊從控制系統中剝離，從而組成低成本的最小機器人控制系統。
[0038]以上顯示和描述了本發明的基本原理和主要特徵和本發明的優點。本行業的技術人員應該了解，本發明不受上述實施例的限制，上述實施例和說明書中描述的只是說明本發明的原理，在不脫離本發明精神和範圍的前提下，本發明還會有各種變化和改進，這些變化和改進都落入要求保護的本發明範圍內。本發明要求保護範圍由所附的權利要求書及其等效物界定。
【權利要求】
1.基於現場總線的分布式機器人控制系統，包括主控制器、伺服驅動控制器、輸入輸出模塊、安全模塊，主控制和伺服驅動控制器之間通過現場總線I連接，伺服驅動控制器和輸入輸出模塊之間通過現場總線2連接，輸入輸出模塊和安全模塊之間通過現場總線3連接。
2.根據權利要求1所述的基於現場總線的分布式機器人控制系統，其特徵在於，所述現場總線1、現場總線2、現場總線3的物理層、數據鏈入層、網絡層、傳輸層均採用CAN協議或EtherCAT現場總線協議定義的標準，會話層及會話層之上均採用CAN OPEN協議標準。
3.根據權利要求1所述的基於現場總線的分布式機器人控制系統，其特徵在於，所述現場總線1、現場總線2、現場總線3的會話層、表示層、應用層均採用CAN OPEN協議標準。
4.根據權利要求2或3所述的基於現場總線的分布式機器人控制系統，其特徵在於，所述主控制器包括通信模塊1、通信模塊2、路徑規劃模塊，路徑規劃模塊根據通信模塊2接收並放入指令隊列的動作指令生成機器人各個軸對應電機運動所需的位置、速度和力矩參考值。
5.根據權利要求4所述的基於現場總線的分布式機器人控制系統，其特徵在於，所述伺服驅動控制器包括通信模塊、位置速度力矩控制模塊，位置速度力矩控制模塊根據通信模塊接收主控制器發送的機器人各個軸對應電機的位置、速度和力矩參考值控制對應電機以參考的力矩和速度到達參考的位置。
6.根據權利要求5所述的基於現場總線的分布式機器人控制系統，其特徵在於，所述輸入輸出模塊根據主控制器計算的數字或模擬信號量的輸出參考值控制對應的數字或模擬信號量達到期望的設定值。
7.根據權利要求6所述的基於現場總線的分布式機器人控制系統，其特徵在於，所述安全模塊包括安全輸入單元、安全輸出單元和安全邏輯單元，其中安全邏輯單元以特定周期從安全輸入單元獲取機器人系統安全相關的輸入信號量並按用戶定製的安全邏輯將機器人系統安全相關的輸出信號量輸出到安全輸出單元。
【文檔編號】B25J9/16GK103522290SQ201310479647
【公開日】2014年1月22日 申請日期:2013年10月14日 優先權日:2013年10月14日
【發明者】陶力, 許士芳 申請人:上海胖熊信息技術有限公司