CN103419201A - 基于fpga的多指节机器人控制系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于FPGA的多指节机器人控制系统及其控制方法，包括整套运动控制端、指令解析模块以及RAM控制组；整套运动控制端与指令解析模块电通信连接，RAM控制组包括有RAM大动作和RAM轴；RAM大动作接收并储存来自于指令解析模块中相对应的RAM指令，RAM大动作的RAM指令用于控制相对应的大动作运动操作；RAM轴接收并储存来自于指令解析模块中相对应的RAM指令，RAM轴的RAM指令用于控制相对应的轴运动操作；指令解析模块分别与各个RAM大动作、RAM轴电通信连接，各个RAM大动作和RAM轴分别与执行控制模块电通信连接。本发明控制机器人运动的逻辑分析仅为一次，控制变得更加简便、快捷，机器人的整套运动将更为顺畅、有序。

Description

基于FPGA的多指节机器人控制系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及机器人控制技术领域，尤其涉及一种基于FPGA的多指节机器人控制系统及其控制方法。

背景技术

在传统用FPGA控制多指节机器人的系统中，机器人控制系统主要是依靠FPGA的并行性优势，其多指节运动的控制大部分集中在控制芯片中，控制芯片内部存储有整套规划动作的控制命令，然后通过多级的逻辑运算和逻辑分析，逐级地实现各个轴的运动控制，从而实现机器人整套运动的持续进行。如图1所示，控制端发出整套规划动作指令，整套规划动作通过控制芯片逻辑分解成若干个大动作（大动作1～大动作n），并且这些大动作会按照一定的运动顺序开始运动，还能逻辑判定其大动作的循环次数。每个大动作（例如大动作1）会逻辑分解成若干个小动作（小动作1～小动作n），并且这些小动作会按照一定的运动顺序开始运动，还能逻辑判定其小动作的循环次数。每个小动作（例如小动作2）会逻辑分解成若干个轴（轴1～轴n），轴是控制轴运动的控制设备，并且这些轴会按照一定的运动顺序开始运动，还能逻辑判定其轴的循环次数。

这样，整套规划动作的最终运动是轴运动，但是从开始控制到轴运动要经过整套规划动作的控制芯片、大动作、小动作、轴四级的逻辑分析，并且逻辑分析非常复杂，需要判断所有大动作的顺序以及某个大动作的循环次数，还需要判断所有小动作的顺序以及某个小动作的循环次数，也需要判断所有轴的顺序以及某个轴的循环次数。例如执行小动作2时，小动作2会把控制指令传输给轴1、轴2、…轴n，待轴1、轴2、…轴n按照顺序运动完成后，最后一个轴n会将完成指令传输至小动作2进行逻辑分析，如果小动作2需要循环时，小动作2下的所有轴将重复运动一次；如果小动作2不需要循环时，小动作2就会逻辑分析出小动作2工作完毕，并反馈至大动作1，大动作1发出控制指令给小动作3，让小动作3进行运动。轴、小动作、大动作的依次反馈就形成了一个嵌套过程，故每次的运动都需要经过四层判断之后才能得到运动指令信息，特别是循环部分，每次的判断都需要经过三次的嵌套，当动作复杂或者循环逻辑复杂之后，控制方式和逻辑分析会变得非常复杂，影响机器人的运动反应效率。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供一种基于FPGA的多指节机器人控制系统，该系统简化了控制逻辑分析过程，指令解析模块将不同的指令存放于相对应的RAM大动作和RAM轴中，这样就使得后续的控制逻辑变得简单，指令的存储变得清晰有序，执行控制模块在运动过程中在提取相应的指令时就不需要经过复杂的逻辑分析；而且增加机器人指节数目时，只需要为新添的关节开辟一个RAM，RAM的逻辑不会受到指节数目的变化而变得复杂，达到了并行控制的最好效果。

本发明的目的通过下述技术方案实现：

一种基于FPGA的多指节机器人控制系统，包括整套运动控制端，用于接收整套运动控制端的控制指令并能将控制指令解析、分类成若干个RAM指令的指令解析模块，以及RAM控制组；整套运动控制端与指令解析模块电通信连接，RAM控制组包括有至少一个RAM大动作和至少一个RAM轴；RAM大动作接收并储存来自于指令解析模块中相对应的RAM指令，RAM大动作的RAM指令用于控制相对应的大动作运动操作；RAM轴接收并储存来自于指令解析模块中相对应的RAM指令，RAM轴的RAM指令用于控制相对应的轴运动操作；指令解析模块分别与各个RAM大动作、RAM轴电通信连接；各个RAM大动作和RAM轴分别与执行控制模块电通信连接，该执行控制模块按照RAM指令直接执行大动作操作或轴运动操作。

为了更好地实现本发明，所述RAM大动作的RAM指令包括有控制RAM大动作是否运动以及控制其运动逻辑顺序的启动模块，控制RAM大动作运动循环逻辑顺序和运动次数的循环控制模块；所述RAM轴的RAM指令包括有控制RAM轴是否运动以及控制其运动逻辑顺序的启动模块，控制RAM轴运动循环逻辑顺序和运动次数的循环控制模块。指令解析模块会根据整套运动控制端输入的控制指令（这些控制指令即可完成整套的机器人智能运动）逻辑处理分析出该整套动作需要的大动作或轴运动，然后存储到RAM大动作和RAM轴中。

进一步的技术方案是：所述RAM控制组包括有RAM大动作1、RAM大动作2、…RAM大动作n以及RAM轴1、RAM轴2、…RAM轴m，RAM大动作1、RAM大动作2、…RAM大动作n以及RAM轴1、RAM轴2、…RAM轴m分别对应为一个独立的运动控制单元，所有运动控制单元的控制数据集成为RAM控制组，该RAM控制组为集成RAM芯片。

本发明提供一种优选的执行控制模块结构技术方案是：所述执行控制模块包括若干个执行模块，该执行模块分别与RAM大动作、RAM轴一一对应。

一种基于FPGA的多指节机器人控制方法，其逻辑控制方法步骤如下：

A、通过整套运动控制端的交互式控制按键或虚拟控制界面发出运动控制指令，该运动控制指令为控制机器人某项运动或某项连续运动的输入性指令；

B、指令解析模块接收来自于整套运动控制端的运动控制指令，并对运动控制指令进行逻辑分析，把运动控制指令指示的机器人运动分解成若干个大动作和若干个轴动作，然后指令解析模块对各个大动作和各个轴动作分别处理、解析出相对应的控制命令，并将各个动作的控制命令分类存储至对应的RAM大动作和/或RAM轴中，其中RAM大动作包括有RAM大动作1、RAM大动作2、…RAM大动作n，RAM轴包括有RAM轴1、RAM轴2、…RAM轴m；所述RAM大动作内的启动模块控制相应大动作运动的是否启动以及该运动在整套运动中的逻辑顺序，RAM大动作内的循环控制模块控制相应大动作运动的循环逻辑顺序和次数；所述RAM轴内的启动模块控制相应轴运动的是否启动以及该运动在整套运动中的逻辑顺序，RAM轴内的循环控制模块控制相应轴运动的循环逻辑顺序和次数；

C、各个RAM大动作分别对应控制相对应的大动作执行控制模块，并通过大动作执行控制模块实现大动作运动的启动与循环；各个RAM轴分别对应控制相对应的轴执行控制模块，并通过轴执行控制模块实现轴运动的启动与循环；这样，机器人的某项运动或某项连续运动就会通过指令解析模块进行一次的逻辑分析处理、解析，并分类得到各个RAM大动作和RAM轴动作的控制命令，然后存储于RAM大动作1、RAM大动作2、…RAM大动作n以及RAM轴1、RAM轴2、…RAM轴m中，最终实现机器人按照一定的逻辑启动顺序、循环顺序、循环次数完成机器人连贯性的整套运动。

本发明较现有技术相比，具有以下优点及有益效果：

使用时，通过整套运动控制端发出控制指令给指令解析模块，指令解析模块会将该控制指令处理解析出若干大动作运动和若干轴运动，然后指令解析模块会将控制大动作运动的控制命令存储于对应该项大动作运动的RAM大动作中，同时会将控制轴运动的控制命令存储于对应该项轴运动的RAM轴作中，最后各个RAM大动作、RAM轴就直接实现各个大动作运动和轴运动。本发明的逻辑分析至在指令解析模块中出现一次，机器人整套运动的逻辑分析就简单了很多，并且整个系统也变得很简单，于是机器人的反应效率得到了大幅度提高。

附图说明

图1为传统机器人控制方法的流程示意图；

图2为机器人控制系统的原理结构框图；

图3为机器人控制方法的流程示意图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步地详细说明：

实施例

如图2所示，一种基于FPGA的多指节机器人控制系统，包括整套运动控制端、指令解析模块和RAM控制组，指令解析模块用于接收整套运动控制端的控制指令并能将控制指令解析、分类成若干个RAM指令。整套运动控制端与指令解析模块电通信连接，RAM控制组包括有至少一个RAM大动作和至少一个RAM轴，本实施例的RAM控制组由RAM大动作和RAM轴构成，RAM大动作包括有RAM大动作1、RAM大动作2、…RAM大动作n；RAM轴包括有RAM轴1、RAM轴2、…RAM轴m。

RAM大动作接收并储存来自于指令解析模块中相对应的RAM指令，RAM大动作的RAM指令用于控制相对应的大动作运动操作；RAM轴接收并储存来自于指令解析模块中相对应的RAM指令，RAM轴的RAM指令用于控制相对应的轴运动操作。指令解析模块分别与各个RAM大动作（RAM大动作1、RAM大动作2、…RAM大动作n）、RAM轴（RAM轴1、RAM轴2、…RAM轴m）电通信连接；各个RAM大动作和RAM轴分别与执行控制模块电通信连接，该执行控制模块按照RAM指令直接执行大动作操作或轴运动操作。

RAM大动作（RAM大动作1、RAM大动作2、…RAM大动作n）的RAM指令包括有启动模块和循环控制模块。启动模块控制RAM大动作是否运动以及控制其运动的逻辑顺序，逻辑顺序即为RAM大动作1、RAM大动作2、…RAM大动作n运动的先后或者同时运动的逻辑次序，同时启动模块还能控制各个RAM大动作是否控制启动该项大动作。循环控制模块控制RAM大动作的运动循环逻辑顺序和运动次数；循环控制模块能够控制各种大动作是否循环运动以及循环运动的次数。指令解析模块能够处理并解析出RAM大动作1、RAM大动作2、…RAM大动作n。RAM轴的RAM指令包括有控制RAM轴是否运动以及控制其运动逻辑顺序的启动模块，控制RAM轴运动循环逻辑顺序和运动次数的循环控制模块。

RAM控制组包括有RAM大动作1、RAM大动作2、…RAM大动作n以及RAM轴1、RAM轴2、…RAM轴m，RAM大动作1、RAM大动作2、…RAM大动作n以及RAM轴1、RAM轴2、…RAM轴m分别对应为一个独立的运动控制单元，所有运动控制单元的控制数据集成为RAM控制组，该RAM控制组为集成RAM芯片。

执行控制模块包括若干个执行模块，该执行模块分别与RAM大动作、RAM轴一一对应。

如图3所示，一种基于FPGA的多指节机器人控制方法，其逻辑控制方法步骤如下：

A、通过整套运动控制端的交互式控制按键或虚拟控制界面发出运动控制指令，该运动控制指令为控制机器人某项运动或某项连续运动的输入性指令；

B、指令解析模块接收来自于整套运动控制端的运动控制指令，并对运动控制指令进行逻辑分析，把运动控制指令指示的机器人运动分解成若干个大动作和若干个轴动作，然后指令解析模块对各个大动作和各个轴动作分别处理、解析出相对应的控制命令，并将各个动作的控制命令分类存储至对应的RAM大动作和/或RAM轴中，其中RAM大动作包括有RAM大动作1、RAM大动作2、…RAM大动作n，RAM轴包括有RAM轴1、RAM轴2、…RAM轴m；RAM大动作内的启动模块控制相应大动作运动的是否启动以及该运动在整套运动中的逻辑顺序，RAM大动作内的循环控制模块控制相应大动作运动的循环逻辑顺序和次数；RAM轴内的启动模块控制相应轴运动的是否启动以及该运动在整套运动中的逻辑顺序，RAM轴内的循环控制模块控制相应轴运动的循环逻辑顺序和次数；

C、各个RAM大动作分别对应控制相对应的大动作执行控制模块，并通过大动作执行控制模块实现大动作运动的启动与循环；各个RAM轴分别对应控制相对应的轴执行控制模块，并通过轴执行控制模块实现轴运动的启动与循环；这样，机器人的某项运动或某项连续运动就会通过指令解析模块进行一次的逻辑分析处理、解析，并分类得到各个RAM大动作和RAM轴动作的控制命令，然后存储于RAM大动作1、RAM大动作2、…RAM大动作n以及RAM轴1、RAM轴2、…RAM轴m中，最终实现机器人按照一定的逻辑启动顺序、循环顺序、循环次数完成机器人连贯性的整套运动。

使用时，通过整套运动控制端发出控制指令给指令解析模块，指令解析模块会将该控制指令处理解析出若干大动作运动和若干轴运动，然后指令解析模块会将控制大动作运动的控制命令存储于对应该项大动作运动的RAM大动作中，同时会将控制轴运动的控制命令存储于对应该项轴运动的RAM轴作中，最后各个RAM大动作、RAM轴就直接实现各个大动作运动和轴运动。本发明的逻辑分析至在指令解析模块中出现一次，机器人整套运动的逻辑分析就简单了很多，并且整个系统也变得很简单，于是机器人的反应效率得到了大幅度提高。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于FPGA的多指节机器人控制系统，其特征在于：包括整套运动控制端，用于接收整套运动控制端的控制指令并能将控制指令解析、分类成若干个RAM指令的指令解析模块，以及RAM控制组；整套运动控制端与指令解析模块电通信连接，RAM控制组包括有至少一个RAM大动作和至少一个RAM轴；RAM大动作接收并储存来自于指令解析模块中相对应的RAM指令，RAM大动作的RAM指令用于控制相对应的大动作运动操作；RAM轴接收并储存来自于指令解析模块中相对应的RAM指令，RAM轴的RAM指令用于控制相对应的轴运动操作；指令解析模块分别与各个RAM大动作、RAM轴电通信连接；各个RAM大动作和RAM轴分别与执行控制模块电通信连接，该执行控制模块按照RAM指令直接执行大动作操作或轴运动操作。

2.按照权利要求1所述的基于FPGA的多指节机器人控制系统，其特征在于：所述RAM大动作的RAM指令包括有控制RAM大动作是否运动以及控制其运动逻辑顺序的启动模块，控制RAM大动作运动循环逻辑顺序和运动次数的循环控制模块；所述RAM轴的RAM指令包括有控制RAM轴是否运动以及控制其运动逻辑顺序的启动模块，控制RAM轴运动循环逻辑顺序和运动次数的循环控制模块。

3.按照权利要求1所述的基于FPGA的多指节机器人控制系统，其特征在于：所述RAM控制组包括有RAM大动作1、RAM大动作2、…RAM大动作n以及RAM轴1、RAM轴2、…RAM轴m，RAM大动作1、RAM大动作2、…RAM大动作n以及RAM轴1、RAM轴2、…RAM轴m分别对应为一个独立的运动控制单元，所有运动控制单元的控制数据集成为RAM控制组，该RAM控制组为集成RAM芯片。

4.按照权利要求1或2所述的基于FPGA的多指节机器人控制系统，其特征在于：所述执行控制模块包括若干个执行模块，该执行模块分别与RAM大动作、RAM轴一一对应。

5.一种基于FPGA的多指节机器人控制方法，其特征在于：其逻辑控制方法步骤如下：

A、通过整套运动控制端的交互式控制按键或虚拟控制界面发出运动控制指令，该运动控制指令为控制机器人某项运动或某项连续运动的输入性指令；

B、指令解析模块接收来自于整套运动控制端的运动控制指令，并对运动控制指令进行逻辑分析，把运动控制指令指示的机器人运动分解成若干个大动作和若干个轴动作，然后指令解析模块对各个大动作和各个轴动作分别处理、解析出相对应的控制命令，并将各个动作的控制命令分类存储至对应的RAM大动作和/或RAM轴中，其中RAM大动作包括有RAM大动作1、RAM大动作2、…RAM大动作n，RAM轴包括有RAM轴1、RAM轴2、…RAM轴m；所述RAM大动作内的启动模块控制相应大动作运动的是否启动以及该运动在整套运动中的逻辑顺序，RAM大动作内的循环控制模块控制相应大动作运动的循环逻辑顺序和次数；所述RAM轴内的启动模块控制相应轴运动的是否启动以及该运动在整套运动中的逻辑顺序，RAM轴内的循环控制模块控制相应轴运动的循环逻辑顺序和次数；

C、各个RAM大动作分别对应控制相对应的大动作执行控制模块，并通过大动作执行控制模块实现大动作运动的启动与循环；各个RAM轴分别对应控制相对应的轴执行控制模块，并通过轴执行控制模块实现轴运动的启动与循环；这样，机器人的某项运动或某项连续运动就会通过指令解析模块进行一次的逻辑分析处理、解析，并分类得到各个RAM大动作和RAM轴动作的控制命令，然后存储于RAM大动作1、RAM大动作2、…RAM大动作n以及RAM轴1、RAM轴2、…RAM轴m中，最终实现机器人按照一定的逻辑启动顺序、循环顺序、循环次数完成机器人连贯性的整套运动。

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