CN104552311B - 基于EtherCAT的智能工业机器人总线模块及其操作方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种总线模块，尤其涉及一种基于EtherCAT的智能工业机器人总线模块及其操作方法。EtherCAT总线与嵌入式微处理器相连接，嵌入式微处理器的两端分别与DSP运算部件和示教盒相互连；机器人运动模块、I/O模块、力觉模块、视觉模块、EtherCAT总线组成拓扑结构。按以下步骤进行：软件与硬件的选择→嵌入式微处理器为EtherCAT主站→采用ESC实现EtherCAT从站控制→机器人运动模块控制→I/O模块控制→视觉模块控制→力觉模块控制→增添模块。基于EtherCAT的智能工业机器人总线模块及其操作方法，使工业机器人更加智能化。

Description

基于EtherCAT的智能工业机器人总线模块及其操作方法

技术领域

本发明涉及一种总线模块，尤其涉及一种基于EtherCAT的智能工业机器人总线模块及其操作方法，用于智能工业机器人。

背景技术

随着技术发展，工业机器人的运用在现代工厂中越来越广泛。机器人的发展正朝向控制精度高，运动速度快，安全性更好等方向前进。

传统的控制总线方式将无法支撑这一技术转变，必须采用新的总线方式，实现信息的高速化传输。

发明内容

本发明主要是解决现有技术中存在的不足，提供一种EtherCAT是在传统以太网基础上改进，具有网络拓扑结构灵活，配置方便，实时性好，有效数据率高的基于EtherCAT的智能工业机器人总线模块及其操作方法。

本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：

一种基于EtherCAT的智能工业机器人总线模块，包括EtherCAT总线，EtherCAT总线与嵌入式微处理器相连接，嵌入式微处理器中设有以太网控制器，嵌入式微处理器的两端分别与DSP运算部件和示教盒相互连；EtherCAT总线分别与机器人运动模块、I/O模块、力觉模块、视觉模块相互连；机器人运动模块、I/O模块、力觉模块、视觉模块、EtherCAT总线组成拓扑结构；

机器人运动模块包括至少一个ESC运动模块、至少一个伺服驱动器和至少一个交流伺服电机，ESC运动模块与伺服驱动器相互连，伺服驱动器与交流伺服电机相互连；

I/O模块包括ESC控制模块，ESC控制模块至多与32路信号相连；

力觉模块包括ESC力觉模块、力觉控制器和力觉传感器，ESC力觉模块分别与力觉控制器和力觉传感器相互连；

视觉模块包括ESC视觉模块、视觉控制器和视觉传感器，ESC视觉模块分别与视觉控制器和视觉传感器相互连。

基于EtherCAT的智能工业机器人总线模块的操作方法，按以下步骤进行：

（1）、软件与硬件的选择：

一种在嵌入式微处理器ARM和嵌入式实时操作系统RT-Linux基础之上的应用实时工业以太网EtherCAT的机器人控制器，控制器采用嵌入式微处理器ARM作为硬件核心，在保证系统的可靠性和实用性的同时，降低了成本，方便使用；强实时性内核RT-Linux提供实时操作系统支持，能实现多任务的优先级调用；

（2）、嵌入式微处理器为EtherCAT主站：

嵌入式微处理器ARM作为EtherCAT主站，实现任务分配和运动控制，DSP运算部件实现轨迹插补运算，示教盒起离线路径规划及示教作用；

（3）、采用ESC实现EtherCAT从站控制：

EtherCAT从站由从站控制器ESC实现；

在ESC中共有3种PDI接口：SPI接口，I/O接口，微处理器接口；

ESC采用ASIC或FPGA实现的；

机器人运动模块、I/O模块、力觉模块、视觉模块分别为EtherCAT从站；

（4）、机器人运动模块控制：

机器人运动模块的伺服驱动器是具备EtherCAT通信从站功能的，能快速实现信息的交换、传输；机器人运动模块通过ESC运动模块控制；

对每个伺服驱动器配置一个ESC运动模块控制；

（5）、I/O模块控制：

直接由ESC控制模块自身的I/O资源实现输入输出控制，一个I/O从站最多支持32路I/O信号；

（6）、视觉模块控制：

视觉模块智能相机识别物体信息，视觉模块采用智能相机，一部智能相机能实现平面图像的处理，两部智能相机则可以实现三维图像的处理；

智能相机的图像信息可通过EtherCAT从站传送到主站中进行算法处理，实现空间三维物体的识别；

（7）、力觉模块控制：

力觉模块力传感器感知末端受力，力觉模块采用多维力传感器，可感知各方向的力和力矩，通过EtherCAT总线及时将信息反馈到主控制器中，工业机器人及时作出反应；

能实现可控碰撞力的末端运动；

（8）、增添模块：

EtherCAT网络具有灵活的网络拓扑结构，可根据实际需求添加其他感知模块，实现工业机器人的更智能化。

智能传感器的运用，将大力推进机器人智能化的发展，比如智能相机，更快速高效的检测环境；多维度力传感器，感知各方向力和力矩；距离传感器等等。随之而来的问题是，如何快速的将传感信息传输至机器人控制柜，实现机器人实时变化。使用EtherCAT的技术，这些将不再是难题。因此EtherCAT技术在现代机器人领域有相当开阔的应用前景。

整个机器人控制系统采用EtherCAT协议实现控制器与各模块间的通讯。系统可以根据需求任意增减硬件模块，可拓展多个控制器实现多机器人作业系统，添加更智能的传感器，以及机器人外部轴等。

运动模块包括两种方式，其中一种是伺服驱动器集成了EtherCAT从站功能，另一种是从站由ESC+微处理器组成，实现与一般伺服驱动器数据交换。所述的交流伺服驱动器通过相对应的从站接口与控制器连接通信。

力觉模块和视觉模块，感知机器人自身及周围状态的变化，通过EtherCAT及时将信息传送至控制器中，控制器通过优化算法实时控制各运动关节变化。

有益效果：

1、主站控制器采用实时操作系统RT-Linux，极大的提高了系统响应能力。

2、采用EtherCAT工业以太网技术，具备Processing on the fly、分布时钟同步等技术，各关节同步性高，响应速度快，实现工业机器人高速、准确运动。

3、EtherCAT现场总线传输速度高，拓扑结构灵活，使得感知模块的添加更加容易，同时不担心传输效率问题，从而使得机器人更智能，运用领域更广泛。

通过EtherCAT总线，能将外部感知信息及时传送至主站中，控制器能快速对这些反馈数据进行处理，作出相应的调整，机器人各关节能在第一时间对控制器发出的调整进行运动。总的来说，工业机器人能对外界的变化有更快的响应，即更智能化，同时多种感知模块的运用拓宽了其工作领域。

本发明提供基于EtherCAT的智能工业机器人总线模块及其操作方法，使工业机器人更加智能化，同时具备多种感知模块的运用。

附图说明

图1是本发明的系统结构示意图。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。

实施例1：如图1所示，一种基于EtherCAT的智能工业机器人总线模块，包括EtherCAT总线1，EtherCAT总线1与嵌入式微处理器2相连接，嵌入式微处理器2中设有以太网控制器3，嵌入式微处理器2的两端分别与DSP运算部件4和示教盒5相互连；EtherCAT总线1分别与机器人运动模块6、I/O模块7、力觉模块8、视觉模块9相互连；机器人运动模块6、I/O模块7、力觉模块8、视觉模块9、EtherCAT总线1组成拓扑结构；

机器人运动模块包括至少一个ESC运动模块10、至少一个伺服驱动器11和至少一个交流伺服电机12，ESC运动模块10与伺服驱动器11相互连，伺服驱动器11与交流伺服电机12相互连；

I/O模块包括ESC控制模块13，ESC控制模块13至多与32路信号相连；

力觉模块包括ESC力觉模块14、力觉控制器15和力觉传感器16，ESC力觉模块14分别与力觉控制器15和力觉传感器16相互连；

视觉模块包括ESC视觉模块17、视觉控制器18和视觉传感器19，ESC视觉模块17分别与视觉控制器18和视觉传感器19相互连。

基于EtherCAT的智能工业机器人总线模块的操作方法，按以下步骤进行：

（1）、软件与硬件的选择：

一种在嵌入式微处理器ARM和嵌入式实时操作系统RT-Linux基础之上的应用实时工业以太网EtherCAT的机器人控制器，控制器采用嵌入式微处理器ARM作为硬件核心，在保证系统的可靠性和实用性的同时，降低了成本，方便使用；强实时性内核RT-Linux提供实时操作系统支持，能实现多任务的优先级调用；

（2）、嵌入式微处理器为EtherCAT主站：

嵌入式微处理器ARM作为EtherCAT主站，实现任务分配和运动控制，DSP运算部件实现轨迹插补运算，示教盒起离线路径规划及示教作用；

（3）、采用ESC实现EtherCAT从站控制：

EtherCAT从站由从站控制器ESC实现；

在ESC中共有3种PDI接口：SPI接口，I/O接口，微处理器接口；

ESC采用ASIC或FPGA实现的；

机器人运动模块、I/O模块、力觉模块、视觉模块分别为EtherCAT从站；

（4）、机器人运动模块控制：

机器人运动模块的伺服驱动器是具备EtherCAT通信从站功能的，能快速实现信息的交换、传输；机器人运动模块通过ESC运动模块控制；

对每个伺服驱动器配置一个ESC运动模块控制；

（5）、I/O模块控制：

直接由ESC控制模块自身的I/O资源实现输入输出控制，一个I/O从站最多支持32路I/O信号；

（6）、视觉模块控制：

视觉模块智能相机识别物体信息，视觉模块采用智能相机，一部智能相机能实现平面图像的处理，两部智能相机则可以实现三维图像的处理；

智能相机的图像信息可通过EtherCAT从站传送到主站中进行算法处理，实现空间三维物体的识别；

（7）、力觉模块控制：

力觉模块力传感器感知末端受力，力觉模块采用多维力传感器，可感知各方向的力和力矩，通过EtherCAT总线及时将信息反馈到主控制器中，工业机器人及时作出反应；

能实现可控碰撞力的末端运动；

（8）、增添模块：

EtherCAT网络具有灵活的网络拓扑结构，可根据实际需求添加其他感知模块，实现工业机器人的更智能化。

Claims (2)

1.一种基于EtherCAT的智能工业机器人总线模块，其特征在于：包括EtherCAT总线（1），EtherCAT总线（1）与嵌入式微处理器（2）相连接，嵌入式微处理器（2）中设有以太网控制器（3），嵌入式微处理器（2）的两端分别与DSP运算部件（4）和示教盒（5）相互连；EtherCAT总线（1）分别与机器人运动模块（6）、I/O模块（7）、力觉模块（8）、视觉模块（9）相互连；机器人运动模块（6）、I/O模块（7）、力觉模块（8）、视觉模块（9）、EtherCAT总线（1）组成拓扑结构；

机器人运动模块包括至少一个ESC运动模块（10）、至少一个伺服驱动器（11）和至少一个交流伺服电机（12），ESC运动模块（10）与伺服驱动器（11）相互连，伺服驱动器（11）与交流伺服电机（12）相互连；

I/O模块包括ESC控制模块（13），ESC控制模块（13）至多与32路信号相连；

力觉模块包括ESC力觉模块（14）、力觉控制器（15）和力觉传感器（16），ESC力觉模块（14）分别与力觉控制器（15）和力觉传感器（16）相互连；

视觉模块包括ESC视觉模块（17）、视觉控制器（18）和视觉传感器（19），ESC视觉模块（17）分别与视觉控制器（18）和视觉传感器（19）相互连；

视觉模块控制：视觉模块采用智能相机，智能相机识别物体信息，智能相机的图像信息通过EtherCAT从站传送到主站中进行算法处理，实现空间三维物体的识别；

力觉模块控制：力觉模块采用多维力传感器，传感器感知末端受力，可感知各方向的力和力矩，实现可控碰撞力的末端运动。

2.根据权利要求1所述的基于EtherCAT的智能工业机器人总线模块的操作方法，其特征在于按以下步骤进行：

（1）、软件与硬件的选择：

一种在嵌入式微处理器ARM和嵌入式实时操作系统RT-Linux基础之上的应用实时工业以太网EtherCAT的机器人控制器，控制器采用嵌入式微处理器ARM作为硬件核心，在保证系统的可靠性和实用性的同时，降低了成本，方便使用；强实时性内核RT-Linux提供实时操作系统支持，能实现多任务的优先级调用；

（2）、嵌入式微处理器为EtherCAT主站：

嵌入式微处理器ARM作为EtherCAT主站，实现任务分配和运动控制，DSP运算部件实现轨迹插补运算，示教盒起离线路径规划及示教作用；

（3）、采用ESC实现EtherCAT从站控制：

EtherCAT从站由从站控制器ESC实现；

在ESC中共有3种PDI接口：SPI接口，I/O接口，微处理器接口；

ESC采用ASIC或FPGA实现的；

机器人运动模块、I/O模块、力觉模块、视觉模块分别为EtherCAT从站；

（4）、机器人运动模块控制：

机器人运动模块的伺服驱动器是具备EtherCAT通信从站功能的，能快速实现信息的交换、传输；机器人运动模块通过ESC运动模块控制；

对每个伺服驱动器配置一个ESC运动模块控制；

（5）、I/O模块控制：

直接由ESC控制模块自身的I/O资源实现输入输出控制，一个I/O从站最多支持32路I/O信号；

（6）、视觉模块控制：

一部智能相机能实现平面图像的处理，两部智能相机则可以实现三维图像的处理；

（7）、力觉模块控制：

通过EtherCAT总线及时将信息反馈到主控制器中，工业机器人及时作出反应，能实现可控碰撞力的末端运动；

（8）、增添模块：

EtherCAT网络具有灵活的网络拓扑结构，可根据实际需求添加其他感知模块，实现工业机器人的更智能化。