CN104339354A - 一种用于6自由度并联机器人的专用运动控制器硬件平台 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于6自由度并联机器人的专用运动控制器硬件平台，一方面采用总线方式实现对多个电机的控制，具体的底层驱动由智能设备完成，有效地保证控制精度，并能够对设备状态、故障等进行实时检测，具有良好的一致性和可扩展性；另一方面，外部传感器的采样功能由辅助功能芯片FPGA来完成，而作为主控芯片的ARM微控制器则只是在需要的时候通过外部接口获取需要的数据，这样的功能分配能有效的降低主控芯片的开销，将更多的资源用于控制系统安全性和精确的控制；另外，在运动控制器中集成了6自由度并联机器人的运动学算法，能使专用运动控制器在各种场合通过简单命令实现对机构的控制并获取必要的数据。

Description

一种用于6自由度并联机器人的专用运动控制器硬件平台

技术领域

本发明涉及机器人学和多轴运动控制器技术领域，具体涉及一种面向6自由度并联机器人的专用运动控制器硬件平台。

背景技术

六自由度并联机器人被广泛地应用于运动模拟、高精度位姿调整和数控加工等系统中。六自由度并联机器人的驱动关节通常采用六个具有滑动自由度的伺服电动缸实现。为了实现六个电动缸的高精度控制并兼顾它们之间的运动协调，从而实现运动平台的精密运动控制，研究六自由度并联机器人的专用运动控制器是非常必要的。

六自由度并联机器人有六条驱动分支，属于多轴运动控制系统，各个轴的协调运行至关重要，通常情况下各轴之间的动态响应特性会有一定的差异，尤其在高速轮廓控制(Contouring Control)时会造成显著的误差，必须设计一个运动控制器以整体考虑的观点来解决这个问题。因此，该六自由度并联机器人运动控制系统采用两层结构：由高阶的运动控制器与低阶的伺服驱动器所组成，运动控制器负责运动控制命令译码、各个位置控制轴彼此间的相对运动、加减速轮廓控制等等，其主要功能在于降低整个系统运动控制的路径误差；伺服驱动器负责伺服电机的位置控制，主要功能在于降低伺服轴的随动误差。上层运动控制器完成位置环和速度环控制，下层伺服驱动器完成力矩环控制。这样结合了分散控制和集中控制的优点，既可以满足各个轴的需要，又可以使多个轴整体协调运行。

目前，在国内外公开的可用于并联机器人的运动控制器有以下四类：

(1)PMAC运动控制器。PMAC(programmable multi-axes controller)是美国Delta Tau公司九十年代推出的开放式多轴运动控制器，它提供运动控制、离散控制、内务处理、同主机的交互等数控的基本功能。其内部使用了一片Motorola数字信号处理芯片，伺服控制包括PID加Notch和速度、加速度前馈控制，其伺服周期单轴可达60微秒，二轴联动为110微秒。产品的种类可从二轴联动到三十二轴联动。并且每轴可以分别配置成不同的伺服类型和多种反馈类型。

(2)XMP-SynqNet-PCI运动控制器。该运动控制器为美国运动工程公司(MEI，Motion Engineering Inc)的产品，其内部使用了一片Motorola数字信号处理芯片，伺服控制包括PID加Notch和速度、加速度前馈控制、PT(位置、时间)模式及PVT(位置、速度、时间)模式，其独特的SynqNet总线可以最多控制32轴，伺服周期4轴可达50微秒、8轴可达100微秒。

(3)固高GT系列多轴运动控制器。基于DSP和FPGA技术，固高公司开发了多个系列的运动控制器，其中GT系列可用于多轴的伺服/步进电机控制。该系列运动控制器适用ISA/PC104总线，最多可以实现8轴电机的运动控制，伺服周期4轴为200微秒。控制算法为PID+速度前馈+加速度前馈。

(4)NI运动控制器。最多可配置8轴的步进/伺服电机，适用于各类运动应用，提供混合运动轨迹控制和完全协同的圆形、线性、点到点、齿轮和空间矢量控制。

上述4类可以用于6自由度并联机器人的运动控制器均存在以下两个弊端：1)价格昂贵；2)开放性弱，不能由用户自行修改控制算法。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明旨在提供一种针对6自由度并联机器人的高效、专用的多轴运动控制器，实现并联机器人的高精度、高协调性的精密运动控制。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种用于6自由度并联机器人的专用运动控制器硬件平台，包括输入输出模块，上位机通讯模块、采样模块、CAN总线模块、ARM微控制器与FPGA信息传输模块、数据存储模块、FPGA逻辑模块、ARM微控制器模块：

所述输入输出模块用于实现对外部器件的开关量控制；

所述上位机通讯模块用于所述ARM微控制器与上位机进行信息交互；

所述采样模块包括限位开关采样单元，所述限位开关采样单元用于获取电动缸上下限位开关器件的开关量信号；

所述CAN总线模块作为ARM微控制器与伺服驱动器连接的接口单元，通过信号线与伺服驱动器连接，用于实现以所述ARM微控制器和6台伺服驱动器组成的CAN总线网络的信息交互；

所述ARM微控制器与FPGA信息传输模块包括数据交互单元，所述数据交互单元采用SPI通讯方式，实现ARM微控制器与FPGA之间的数据交互；

所述数据存储模块用于保存控制系统的部分关键参数，采用I²C通信方式完成数据的交互；

所述FPGA逻辑模块对所述采样模块获得的数据进行处理后，通过所述ARM微控制器与FPGA信息传输模块实现与所述ARM微控制器模块的信息交互；

所述ARM微控制器模块通过所述上位机通讯模块与上位机连接，接收上位机的命令，并通过所述ARM微控制器与FPGA信息传输模块、所述CAN总线模块获取信息，然后通过所述CAN总线模块对伺服驱动器进行控制。

需要说明的是，所述上位机通讯模块采用RS422异步串行通讯方式，实现所述ARM微控制器与上位机的数据信息交互。

需要说明的是，所述采样模块还包括磁致伸缩长度传感器采样单元，其采用同步串行接口SSI进行数据采集，用于获取当前6根电动缸的伸缩量。

需要说明的是，CAN总线模块中，所述ARM微控制器为CAN总线网络中的主站，六台驱动器作为CAN总线网络中独立的六个从站。

需要说明的是，所述CAN总线模块是以CANopen协议作为高级应用层协议，实现整个总线网络信息交互，包括如下功能：

1)所述主站，可分别控制所述从站包括速度、加速度、运动量在内的基本运动参数；根据需要可以对所述从站发送同步信号，以实现同步运动；

2)所述主站，可对所述从站的基本CANopen参数进行设定；

3)所述主站，可以控制所述从站进入各种不同的状态；

4)所述从站，分别发送伺服电机绝对编码器值给所述主站，供主站中各种功能模块及相关算法使用；

5)所述从站，分别发送各台驱动器及电机的状态给所述主站，发送的状态包括电机的电流、力矩、速度、驱动器状态、驱动器错误描述、总线状态。

需要说明的是，所述ARM微控制器与FPGA信息传输模块还包括中断信号单元，用于FPGA对ARM微控制器的中断请求。

需要说明的是，所述FPGA逻辑模块为FPGA最小系统。

需要进一步说明的是，所述采样模块全部功能、所述ARM微控制器与FPGA信息传输模块部分功能包括中断、SPI通讯是由FPGA来完成。

需要说明的是，所述ARM微控制器模块为ARM最小系统。

需要进一步说明的是，所述上位机通讯模块、所述CAN总线模块全部功能、所述ARM微控制器与FPGA信息传输模块部分功能包括中断、SPI通讯，由ARM微控制器来完成。

需要说明的是，所述ARM微控制器模块包括6自由度并联机器人的位置正逆解算法单元，用于实现6自由度并联机器人姿态坐标到支腿长度，支腿长度到姿态坐标的变换。

需要说明的是，所述ARM微控制器模块还包括运动控制单元和安全保护单元，分别用于实现运动控制和用于防止运动过程中意外情况的发生。

本发明的有益效果在于：

1、本发明采用与传统多轴运动控制器不同的控制方法，采用总线方式，实现对多个电机的控制，具体的底层驱动由技术比较成熟的智能设备完成。采用这种控制方式，能有效的保证控制精度，并能够对设备状态、故障等进行实时检测，具有良好的一致性和可扩展性。

2、本发明中外部传感器的采样功能有辅助功能芯片FPGA来完成，而作为主控芯片的ARM微控制器则只是在需要的时候通过外部接口获取需要的数据，这样的功能分配能有效的降低主控芯片的开销，将更多的资源用于控制系统安全性和精确的控制。

3、本发明在运动控制器中集成了6自由度并联机器人的运动学求解算法，能使专用运动控制器在各种场合通过简单命令实现对机构的控制并获取必要的数据。

附图说明

图1是6自由度并联机器人控制系统整体示意图；

图2是专用运动控制器功能模块示意图；

图3是专用运动控制器具体功能实现方案示意图；

图4是专用运动控制器FPGA逻辑模块功能示意图；

图5是专用运动控制器ARM微控制器模块功能示意图；

图6是专用运动控制器硬件构成示意图。

具体实施方式

以下将结合附图对本发明作进一步的描述，需要说明的是，本实施例以本技术方案为前提，给出详细的实施方式和操作过程，但本发明的保护范围并不限于本实施例。

如图1所示，一种用于6自由度并联机器人的专用运动控制器硬件平台(以下简称为专用运动控制器)所在控制系统采用“上位机+专用运动控制器”的控制形式。工业控制计算机IPC作为上位机实现控制界面功能，并通过上位机通讯模块采用RS422异步串行通讯方式下发控制命令给专用运动控制器，由专用运动控制器对命令进行解析；然后，根据当前的系统状态及相关数据经过一定的解算算法和控制算法处理；专用运动控制器与六台伺服驱动器连接成CAN总线网络，实现控制命令、位置反馈、状态反馈等命令和数据的交互；最后，通过相应的硬件端口下发驱动信号，实现对电机的控制，最终驱动并联机器人机构运动。同时，专用运动控制将运动过程中的位置、状态、数据等相关信息通过上位机通讯模块上传给上位机。

本发明的专用运动控制器由多个硬件和控制模块构成，如图2所示，专用运动控制器包括FPGA逻辑模块、采样模块、ARM微控制器与FPGA信息传输模块、ARM微控制器模块、数据存储模块、输入输出模块、CAN总线模块和上位机通讯模块。

如图3为专用运动控制器的具体功能实现示意图，图6为对应的专用运动控制器硬件构成示意图。

所述输入输出模块用于ARM微控制器的I/O口控制，包括指示灯控制、蜂鸣器控制、部分芯片使能控制等。

本发明中，上位机通讯模块用于上位机与ARM微控制器之间的信息交互。上位机通讯模块采用RS422总线方式进行通讯，包括ARM微控制器中的UART通讯单元、422控制芯片及外部接口构成。上位机通讯模块是连接控制系统和用户界面的桥梁，上位机发送控制命令给ARM微控制器，ARM微控制器通过解析及数据处理后，驱动机构运动。ARM微控制器将控制系统的状态及相关必要数据回传给上位机，便于用户的使用。在上位机通讯模块部分采用预定义的通讯及校验协议，能有效保证数据传输的可靠性。

本发明中，数据存储模块用于对控制系统中的关键参数的保存或读取。采用I²C通讯方式，由ARM微控制器按照指定的设置，完成对外扩FLASH存储芯片的读写操作。

本发明中，CAN总线模块是作为ARM微控制器与伺服驱动器连接的接口单元，用于实现以所述ARM微控制器和六台伺服驱动器组成的CAN总线网络的信息交互；通过简单的信号线连接即可构成CAN总线网络，专用运动控制器的具体驱动命令和需要获取的驱动器及电机的数据、状态等都是通过该总线网络实现传输。CAN总线模块主要由ARM微控制器中的CAN总线驱动单元、物理隔离电路及CAN收发器构成。

本发明中，采样模块主要包含磁致伸缩传感器采样单元和限位开关采样单元，用于实现对外部器件信号的采样，并完成硬件电路中的信号转换功能：

磁致伸缩传感器采样单元采用的是SSI通讯方式，用于获取当前6根电动缸的伸缩量，由FPGA逻辑模块发送同步信号，经过SSI差分信号转换电路，将单端信号转换为差分信号供给磁致伸缩传感器，同时磁致伸缩传感器根据时钟信号输出数据信号，再次经过转换电路由FPGA逻辑模块获取。

限位开关采样单元用于获取电动缸两端的电平信号，经过隔离电路的处理，由FPGA获取对应电平信号。

如图4、图5所示，本发明中，ARM微控制器与FPGA信息传输模块用于实现FPGA逻辑模块与ARM微控制器的信息交互，包括SPI通讯单元和外中断信号单元。

SPI通讯单元用于ARM微控制器与FPGA逻辑模块之间的数据传输。以ARM微控制器作为SPI的主机，FPGA作为SPI的从机，ARM微控制器采用主动获取的方式，对FPGA采样并处理得到的传感器值和限位开关量进行读取。

外中断信号单元用于FPGA逻辑模块对ARM微控制器的主动请求，实现在紧急情况下，ARM微控制器的及时响应。

本发明中，FPGA逻辑模块用于实现采样模块和信息传输模块相关的通信时序以及数据处理功能。如图4所示，FPGA作为辅助芯片用于产生采样模块需要的时钟信号，并对收到的信号进行处理。从磁致伸缩传感器中获取的数据为格雷码，需要在FPGA内部将格雷码转换成通用的二进制编码；在采样限位开关量的时候，为了防止恶劣工作环境的影响，需要对收到的限位开关信号进行滤波处理，保证采样值的有效性；FPGA还要实现SPI的从机的功能，产生与SPI主机相匹配的时序信号；外中断信号单元要根据限位开关的情况，产生跳变沿信号通知ARM微控制器进行处理。

本发明中，ARM微控制器模块是指ARM最小系统，由ARM控制芯片、外部时钟电路、复位电路、电源模块等外部电路构成。ARM微控制器模块要实现的功能如图5所示，包括CANopen协议栈、数据处理及解析单元、安全保护单元、控制器命令实现单元、并联机器人正逆解算法单元以及各种外部接口的驱动单元。

ARM微控制器模块包含的驱动单元用于实现上面提到的与ARM微控制器相关联的所有模块的底层驱动，完成最底层的时序匹配。ARM微控制器将获取相关数据供给其他单元使用，并将由其他单元生成发送出去。

ARM微控制器模块包含的CANopen协议栈是作为CAN总线模块的高级应用层协议来使用。CANopen是现在比较成熟且可靠性很高的应用层协议，很适合于传输数据量不是很大的伺服控制系统。ARM微控制器要实现CANopen协议中主站的功能，用于对6台驱动器的控制，通过发送控制命令及控制参数包括速度、位置、加速度及控制字等完成机构的运动，为了保证机构的协调运动还需要按照CANopen协议规定，发送相关控制报文及同步报文。同时，作为从站的6台驱动器按照CANopen协议上传绝对编码器值、驱动器状态、总线状态、驱动器错误描述以及温度、电路等物理状态，由ARM微控制器中的CANopen协议栈进行解析供其它单元使用。

ARM微控制器模块包含的数据处理及解析单元，用于对UART、SPI、I²C收到的多字节数据的解析和处理。对于每种接口，在物理层协议的基础上，为保证数据的正确性定义了应用层协议，需要通过解析程序处理获取实际传输的有用数据。

ARM微控制器模块包含的并联机器人正逆解算法单元是用于完成并联机器人姿态坐标与支腿长度的解算任务，实现上位机控制命令与运动驱动命令的数据转换关系。

ARM微控制器模块包含的安全保护单元用于在运动机构或控制命令不合适的情况下对机构采取的保护措施。

ARM微控制器模块包含的控制器命令实现单元用于根据上位机的命令实现对运动机构的驱动控制。控制器命令实现单元涉及到上述的所有单元的功能或者数据，根据不同的命令调用相关功能单元，以及由外部接口获取的各类数据；通过相关处理，再由CAN总线下发给驱动器，完成控制命令，实现机构的运动。

本发明的专用运动控制器硬件平台具有灵活性好集成度高等特点。传统的运动控制器采用PWM方式对电机进行驱动，容易产生丢步，稳定性不高等问题，而且由于设备厂家的不同，相关参数差距很大，导致了控制器的可移植性很差。本发明的采用总线方式控制，将最底层的电机驱动交给伺服驱动器完成，这样的功能下放，既减小了控制芯片的资源开销，又能保证电机运动的准确性；另外，由于采用的总线协议是国际标准协议，所以在采用不同厂家驱动设备时，只要对驱动器进行简单配置，即可将控制器移植到其他类似控制系统。

本发明的专用运动控制器硬件平台，使用的ARM控制芯片最高可达到120MHZ的工作频率，能极大提高系统的整体速度，为控制器内部的各种算法的快速实现及系统的实时响应提供了基础。

对于本领域的技术人员来说，可以根据以上的技术方案和构思，给出各种相应的改变和变形，而所有的这些改变和变形，都应该包括在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (12)

1.一种用于6自由度并联机器人的专用运动控制器硬件平台，其特征在于，包括输入输出模块、上位机通讯模块、采样模块、CAN总线模块、ARM微控制器与FPGA信息传输模块、数据存储模块、FPGA逻辑模块、ARM微控制器模块：

所述输入输出模块用于实现对外部器件的开关量控制；

所述上位机通讯模块用于所述ARM微控制器与上位机进行信息交互；

所述采样模块包括限位开关采样单元，所述限位开关采样单元用于获取电动缸上下限位开关器件的开关量信号；

所述CAN总线模块作为ARM微控制器与伺服驱动器连接的接口单元，通过信号线与伺服驱动器连接，用于实现以所述ARM微控制器和6台伺服驱动器组成的CAN总线网络的信息交互；

所述ARM微控制器与FPGA信息传输模块包括数据交互单元，所述数据交互单元采用SPI通讯方式，实现ARM微控制器与FPGA之间的数据交互；

所述数据存储模块用于保存控制系统的部分关键参数，采用I²C通信方式完成数据的交互；

所述FPGA逻辑模块对所述采样模块获得的数据进行处理后，通过所述ARM微控制器与FPGA信息传输模块实现与所述ARM微控制器模块的信息交互；

所述ARM微控制器模块通过所述上位机通讯模块与上位机连接，接收上位机的命令，并通过所述ARM微控制器与FPGA信息传输模块、所述CAN总线模块获取信息，然后通过所述CAN总线模块对伺服驱动器进行控制。

2.根据权利要求1所述的一种用于6自由度并联机器人的专用运动控制器硬件平台，其特征在于，所述上位机通讯模块采用RS422异步串行通讯方式，实现所述ARM微控制器与上位机的数据信息交互。

3.根据权利要求1所述的一种用于6自由度并联机器人的专用运动控制器硬件平台，其特征在于，所述采样模块还包括磁致伸缩长度传感器采样单元，其采用同步串行接口SSI进行数据采集，用于获取当前6根电动缸的伸缩量。

4.根据权利要求1所述的一种用于6自由度并联机器人的专用运动控制器硬件平台，其特征在于，CAN总线模块中，所述ARM微控制器为CAN总线网络中的主站，六台伺服驱动器作为CAN总线网络中独立的六个从站。

5.根据权利要求4所述的一种用于6自由度并联机器人的专用运动控制器硬件平台，其特征在于，所述CAN总线模块是以CANopen协议作为高级应用层协议，实现整个总线网络信息交互，包括如下功能：

1)所述主站，可分别控制所述从站的包括速度、加速度、运动量在内基本运动参数；根据需要可以对所述从站发送同步信号，以实现同步运动；

2)所述主站，可对所述从站的基本CANopen参数进行设定；

3)所述主站，可以控制所述从站进入各种不同的状态；

4)所述从站，分别发送伺服电机绝对编码器值给所述主站，供主站中各种功能模块及相关算法使用；

5)所述从站，分别发送各台驱动器及电机的状态给所述主站，发送的状态包括电机的电流、力矩、速度、驱动器状态、驱动器错误描述、总线状态。

6.根据权利要求1所述的一种用于6自由度并联机器人的专用运动控制器硬件平台，其特征在于，所述ARM微控制器与FPGA信息传输模块还包括中断信号单元，用于FPGA对ARM微控制器的中断请求。

7.根据权利要求1所述的一种用于6自由度并联机器人的专用运动控制器硬件平台，其特征在于，所述FPGA逻辑模块为FPGA最小系统。

8.根据权利要求1、3、7任一所述的一种用于6自由度并联机器人的专用运动控制器硬件平台，其特征在于，所述采样模块全部功能、所述ARM微控制器与FPGA信息传输模块的部分功能包括中断、SPI通讯是由FPGA来完成。

9.根据权利要求1所述的一种用于6自由度并联机器人的专用运动控制器硬件平台，其特征在于，所述ARM微控制器模块为ARM最小系统。

10.根据权利要求1、2、4、5、6任一所述的一种用于6自由度并联机器人的专用运动控制器硬件平台，其特征在于，所述上位机通讯模块、所述CAN总线模块全部功能、所述ARM微控制器与FPGA信息传输模块部分功能包括中断、SPI通讯，由ARM微控制器来完成。

11.根据权利要求1所述的一种用于6自由度并联机器人的专用运动控制器硬件平台，其特征在于，所述ARM微控制器模块包括6自由度并联机器人的位置正逆解算法单元，用于实现6自由度并联机器人姿态坐标到支腿长度、支腿长度到姿态坐标的变换。

12.根据权利要求1所述的一种用于6自由度并联机器人的专用运动控制器硬件平台，其特征在于，所述ARM微控制器模块还包括运动控制单元和安全保护单元，分别用于实现运动控制和防止运动过程中意外情况的发生。