CN104460675A - 一种码垛搬运机器人的控制系统 - Google Patents

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姜树海
朱亚荣
张楠
李蕾
黄天乐
李俊
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Abstract

本发明公开了一种码垛搬运机器人的控制系统，包括ARM上位机、CPLD运动控制电路、DSP数据处理电路、伺服电机驱动器和伺服电机，与现有技术相比，本发明采用具有三核控制器的控制系统，分模块化工作，结合三个微处理器各自特性，发挥其优势，分工处理整个控制过程，与传统的PLC和单片机控制的码垛搬运机器人相比，动作响应速度快，位置控制更为精确，系统稳定性高，码垛效率大大提升。同时采用多关节的机器人操作，运作灵活，工作范围也进一步扩大，具有推广应用的价值。

Description

一种码垛搬运机器人的控制系统
技术领域
本发明涉及一种机械设备电子控制系统，尤其涉及一种码垛搬运机器人的控制系统。
背景技术
码垛搬运机器人是将输送装置输送来的物件，按一定排列方式码放在托盘、栈板(木质、塑胶)或移动平台等可便于运输的设备上，按照客户工艺要求的工作方式自动堆叠成垛的高技术自动化装备。当前市场上的码垛机器人多采用PLC或单片机进行控制，灵活性差，精度不高，运作速度较慢，工作范围局限，因此需要一种新的控制系统诞生。
发明内容
本发明的目的就在于为了解决上述问题而提供一种码垛搬运机器人的控制系统。
本发明通过以下技术方案来实现上述目的：
本发明包括ARM上位机、CPLD运动控制电路、DSP数据处理电路、伺服电机驱动器和伺服电机，所述ARM上位机的信号传输端与所述DSP数据处理电路的信号传输端连接，所述DSP数据处理电路与所述CPLD运动控制电路之间通过双口RAM连接，所述CPLD运动控制电路的控制信号传输端与所述伺服电机驱动器的控制信号传输端连接，所述伺服电机驱动器的控制信号输出端与所述伺服电机的控制信号输入端连接，所述伺服电机的反馈信号输出端与所述伺服电机驱动器的反馈信号输入端连接，所述伺服电机的编码器信号输出端与所述CPLD运动控制电路的编码器信号输入端连接。
进一步，所述伺服电机驱动器和所述伺服电机均为多个，一个所述伺服电机和一个所述伺服电机驱动器组成一组驱动装置，每组所述驱动装置之间并联连接。
具体地，所述ARM上位机和所述DSP数据处理电路之间通过RS485总线连接；所述ARM上位机为ARM系列处理器。
本发明的有益效果在于：具有多任务处理功能、二次开发性能、人机界面交互性能和通用性。
本发明是一种码垛搬运机器人的控制系统，与现有技术相比，本发明采用具有三核控制器的控制系统，分模块化工作，结合三个微处理器各自特性，发挥其优势，分工处理整个控制过程，与传统的PLC和单片机控制的码垛搬运机器人相比，动作响应速度快，位置控制更为精确，系统稳定性高，码垛效率大大提升。同时采用多关节的机器人操作，运作灵活，工作范围也进一步扩大，具有推广应用的价值。
附图说明
图1是本发明的总体框架图；
图2是本发明的系统编辑指令构架图；
图3是本发明的系统处理方式流程图；
图4是本发明系统中DSP运动规划流程图；
图5是本发明系统中CPLD构架流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明：
如图1所示：本发明包括ARM上位机、CPLD运动控制电路、DSP数据处理电路、伺服电机驱动器和伺服电机，所述ARM上位机的信号传输端与所述DSP数据处理电路的信号传输端连接，所述DSP数据处理电路与所述CPLD运动控制电路之间通过双口RAM连接，所述CPLD运动控制电路的控制信号传输端与所述伺服电机驱动器的控制信号传输端连接，所述伺服电机驱动器的控制信号输出端与所述伺服电机的控制信号输入端连接，所述伺服电机的反馈信号输出端与所述伺服电机驱动器的反馈信号输入端连接，所述伺服电机的编码器信号输出端与所述CPLD运动控制电路的编码器信号输入端连接。
进一步，所述伺服电机驱动器和所述伺服电机均为多个，一个所述伺服电机和一个所述伺服电机驱动器组成一组驱动装置，每组所述驱动装置之间并联连接。从而实现对每个运动关节的控制。
具体地，所述ARM上位机和所述DSP数据处理电路之间通过RS485总线连接；所述ARM上位机为ARM系列处理器。
本发明的工作原理如下：
PC机编写G代码形式的指令，最终生成一串二进制文件下发到ARM上位机中去，ARM上位机通过对二进制代码的解析，得到结构体数据包并发送给CPLD运动控制电路，DSP数据处理电路进行插补和速度控制，处理完成将返回给ARM上位机完成指令，DSP数据处理电路将数据放在双口RAM中，CPLD运动控制电路读取双口RAM数据进行相应的脉冲输出和I/O口的控制，伺服驱动器根据输入的差分信号脉冲驱动电机旋转，伺服电机上的正交编码器反馈信号给CPLD运动控制电路，CPLD运动控制电路会送回给DSP数据处理电路。
如图2所示，为了使得码垛机器人具有通用性和用户能够进行二次开发，做了一些特殊的指令，类似于CNC系统中的G代码，PC上位机编程好以后通过TCP/IP、USB/U盘以及串口把程序文件下载在ARM9中，ARM9主要取得用户的编写的文件后进行解析，然后将解析好的数据打包成结构体数据通过串口/RS485下载到DSP芯片中，DSP数据处理电路读取各种命令字和G代码解析后运行BLOCK来进行运动规划调用各种算法，运行各种算法的同时，将算法输出的结果发给CPLD运动控制电路，CPLD运动控制电路最终发送脉冲给各个伺服电机进行工作。
本发明手动操作时，用户的各种输入都会组织成相应的命令数据包发送给DSP数据处理电路，然后DSP数据处理电路会自动识别这些命令，根据使用者的动作以及命令程序语句的要求进行坐标变换、轨迹规划及插补运算然后计算出各轴电机的相对于绝对坐标或者相对坐标的位置，随后把与设定点相应的下一级各关节位置向伺服控制电机发出，然后直接发送给CPLD运动控制电路运行，实现对每个关节运动的控制和协调作用。
如图3和图4所示，DSP数据处理电路要不断的去查询是否有控制脉冲的任务，如果没有什么也不做，如果接收到ARM9发送过来的任务结构体，则通过结构体中的命令，进行相应的解释和参数检查和运动规划，确定是梯形速度控制还是S曲线速度控制。然后进行运动和速度规划，规划完成后启动插补周期，每个周期发送任务结构体数据给CPLD运动控制电路，CPLD运动控制电路必须在相应的插补周期内运行完成相应的脉冲输出任务。
在DSP数据处理电路上建立六个任务结构体缓冲队列，这六个缓存队列分别对应六个轴的运动输出的任务，通过双口RAM的最高两个地址来控制将要进行哪些轴的任务的运行。CPLD运动控制电路端读取双口RAM中的最高两位的地址，可以知道哪些任务结构体更新过了需要运行。CPLD运动控制电路运行结束的时候同样需要对双口RAM的最高地址进行写操作，DSP数据处理电路会周期性的读取双口RAM的最高地址数据，来确认那些轴的任务运行已经完成将任务队列里面的数据写入到双口RAM中去，同时更新双口RAM最高地址的数据。
如图5所示，CPLD运动控制电路部分的程序设计主要是根据DSP和双口RAM的特点，设计了当DSP数据处理电路插补算法和速度控制算法算出对各个轴的操作任务数据结构体，然后把DSP数据处理电路对应轴的任务弹出到双口RAM对应轴的缓存区域中去。写入需要运动轴数据任务结构体以后就会写最高两个半字的数据，写完以后双口RAM的中断引脚就会对CPLD运动控制电路产生一个中断，CPLD接收到中断就会到双口RAM去中取任务缓存，六个轴的任务全部查询完以后一起对对应轴发脉冲。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征及本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (4)

1.一种码垛搬运机器人的控制系统，其特征在于：包括ARM上位机、CPLD运动控制电路、DSP数据处理电路、伺服电机驱动器和伺服电机，所述ARM上位机的信号传输端与所述DSP数据处理电路的信号传输端连接，所述DSP数据处理电路与所述CPLD运动控制电路之间通过双口RAM连接，所述CPLD运动控制电路的控制信号传输端与所述伺服电机驱动器的控制信号传输端连接，所述伺服电机驱动器的控制信号输出端与所述伺服电机的控制信号输入端连接，所述伺服电机的反馈信号输出端与所述伺服电机驱动器的反馈信号输入端连接，所述伺服电机的编码器信号输出端与所述CPLD运动控制电路的编码器信号输入端连接。
2.根据权利要求1所述的码垛搬运机器人的控制系统，其特征在于：所述伺服电机驱动器和所述伺服电机均为多个，一个所述伺服电机和一个所述伺服电机驱动器组成一组驱动装置，每组所述驱动装置之间并联连接。
3.根据权利要求1所述的码垛搬运机器人的控制系统，其特征在于：所述ARM上位机和所述DSP数据处理电路之间通过RS485总线连接。
4.根据权利要求1所述的码垛搬运机器人的控制系统，其特征在于：所述ARM上位机为ARM系列处理器。
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