CN105364926A - 一种多轴机器人驱控一体化控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电力电子技术领域，公开了一种多轴机器人驱控一体化控制系统；该系统包括:机器人远程示教器，控制模块，多轴驱动模块和输入输出模块；机器人远程示教器，用于进行人机交互，通过所述机器人远程示教器对所述控制模块进行参数设置以及操作控制，并接收所述控制模块反馈的信息；控制模块，用于根据所述机器人远程示教器的设置以及指示，对上述多轴驱动模块进行实时控制，并通过所述输入输出模块进行信息采集；多轴驱动模块，用于根据所述控制模块的指示，对机器人的各个轴进行驱动；输入输出模块，用于根据所述控制模块的指示进行数字量输出和输入量采集。采用本发明技术方案不但可以降低成本,还提高系统精度及稳定性。

Description

一种多轴机器人驱控一体化控制系统

技术领域

本发明涉及电力电子技术领域，特别涉及一种多轴机器人驱控一体化控制系统。

背景技术

随着电力电子技术的不断发展，多轴联动控制技术也不断提高。尤其是在一些需要大量重复多个单一操作的制造行业中，采用机器人代替人工，不但可以大大降低人力成本，还可以大大提高生产效率，提高产品质量。在这些行业的生产制造过程中，大多需要在相同的区域内大量重复的完成同一个操作，该操作中需要完成的目标运动点较多，且需要达到的精度，速度要求较高。目前，代替人工进行大量重复工作的机器人通常采用六轴机器人控制系统，该系统主要采用控制器和多个单轴伺服驱动方案。

然而，发明人在进行六轴机器人控制系统的设计过程中发现，现有技术中至少存在以下问题：

现有技术中六轴机器人控制系统采用控制器和多个单轴伺服驱动方案中多个单轴伺服驱动轴之间依靠高速串行实时总线通讯，依赖IEEE1588时间同步机制，同步精度不高，且由于现有技术中控制器与驱动控制采用各自独立控制方式，其实现方式较为分散使得整体控制性能不高，且使得硬件设计重复冗余，成本较高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种多轴机器人驱控一体化控制系统，使得六轴机器人控制系统设计成本降低，控制精度及性能提高。

为解决上述技术问题，本发明的实施方式提供了一种轴机器人驱控一体化控制系统，包括：机器人远程示教器，控制模块，多轴驱动模块和输入输出模块；

所述机器人远程示教器，用于进行人机交互，通过所述机器人远程示教器对所述控制模块进行参数设置以及操作控制，并接收所述控制模块反馈的信息；

所述控制模块，用于根据所述机器人远程示教器的设置以及指示，对上述多轴驱动模块进行实时控制，并通过所述输入输出模块进行数字量输出和输入量采集；

所述多轴驱动模块，用于根据所述控制模块的指示，对机器人的各个轴进行驱动；

所述输入输出模块，用于根据所述控制模块的指示进行信息采集，以及与外界进行信息交互。

本发明实施方式相对于现有技术而言,本发明的控制模块根据所述机器人远程示教器的设置以及指示，实现对系统整体的控制,包含所述多轴驱动模块的驱动控制,从而提高了系统控制集成度及控制性能,大大降低了硬件设计成本；本发明的控制模块还可以通过所述输入输出模块进行信息采集,从而可以根据采集的信息进行实时控制,提高整个系统控制精度以及稳定性。

另外，所述控制模块包括：主控子模块，多轴驱动子模块，输出输入子模块；

所述主控子模块，用于解析所述机器人远程示教器发送的信息，并根据解析出来的信息，进行内部参数设置，计算所述机器人各个轴的实时位置，对所述多轴驱动子模块进行控制，并通过所述输入输出子模块采集各个轴的电流信息；

所述多轴驱动子模块，用于根据所述主控子模块的指示，对所述各个轴进行驱动控制处理，且通过高精度定时器对所述各个轴进行同步控制；

所述输出输入子模块，用于根据所述主控子模块的指示，对所述各个轴的电流信息进行采集，并根据所述多轴驱动子模块的轴控输出信息进行信息处理，转化为所述多轴驱动模块可识别信号。

本发明实施方式相对于现有技术而言，本发明技术方案中控制模块通过主控子模块进行系统整体控制,并通过多轴驱动子模块对所述多轴驱动模块进行驱动控制，所述多轴驱动子模块通过高精度定时器对所述各个轴进行同步控制，从而进一步提高了系统对各个轴的驱动控制精度。

另外，所述主控子模块为所述多轴驱动子模块提供实时的轴控参数；所述轴控参数包括：各个轴的位置信息，各个轴的速度以及加速度，各个轴的姿态信息，各个轴的负载状态及惯量；

所述多轴驱动子模块，根据所述实时的轴控参数，对各个轴进行实时动态变参数控制。

本发明实施方式相对于现有技术而言，本发明技术方案中主控子模块通过实时提供轴控参数给所述多轴驱动子模块，从而使得所述多轴驱动子模块能够更加及时对各个轴进行驱动调整，从而进一步提高了系统的稳定性及速度。

另外，所述主控子模块和所述多轴驱动子模块采用现场可编程逻辑门阵列，且通过标准的PCIE总线接口方式进行信息通信。

本发明实施方式相对于现有技术而言，本发明技术方案中所述主控子模块和所述多轴驱动子模块通过采用精度更高的现场可编程逻辑门阵列，以及通信速度更高的PCIE总线接口，使得信息交互速度提高，为机器人运动及控制模块中动力学模型及伺服驱动模型之间搭建了高速、高带宽的数据通道。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种轴机器人驱控一体化控制系统结构示意图；

图2是本发明实施例提供的一种轴机器人驱控一体化控制系统中控制模块102结构示意图；

外部总线接口如下：

1、220v电源输入接口；2、远程机器人远程示教器的Ethernet接口；3、远程机器人远程示教器的安全信号接口；4、一体机到机器人接口；5、各种外部总线接口的集合；所述外部总线接口；

系统内部接口如下：

6、机器人远程示教器与控制模块之间的网络接口；

7、机器人示教器到控制模块的安全信号接口；

8、机器人各个轴的抱闸控制信号接口；

9、编码器信号线；

10、电机动力控制线，多轴驱动模块通过此输出6个轴的控制电流，从而控制机器人各个关节轴的速度和位置；

11、外部220v交流电供电给多轴驱动模块的电源接口；

12、外部220V交流电变压为24V为控制模块供电的电源接口。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的各实施方式进行详细的阐述。然而，本领域的普通技术人员可以理解，在本发明各实施方式中，为了使读者更好地理解本申请而提出了许多技术细节。但是，即使没有这些技术细节和基于以下各实施方式的种种变化和修改，也可以实现本申请各权利要求所要求保护的技术方案。

本发明的第一实施方式涉及一种多轴机器人驱控一体化控制系统，具体结构如图1所示。该系统包括：机器人远程示教器101，控制模块102，多轴驱动模块103和输入输出模块104；

所述机器人远程示教器101，用于进行人机交互，通过所述机器人远程示教器对所述控制模块进行参数设置以及操作控制，并接收所述控制模块反馈的信息；具体的讲，就是该示教器运行机器人的人机交互界面，操作者可通过机器人远程示教器进行编程、参数设置、点动以及急停等操作。

所述控制模块102，用于根据所述机器人远程示教器的设置以及指示，对上述多轴驱动模块进行实时控制，并通过所述输入输出模块进行数字量输出和输入量采集；具体的讲，该控制模块102其中，可以包括X86平台的机器人运行实时操作系统，其上包括机器人非实时程序、机器人实时调度程序以及符合IEC61131-3标准的软PLC编程模块，同时主控模块还拓展出各种高低速的总线接口，如Ethercat、Canopen、Devicenet、Profibus-dp、Can、Rs232/485、USB等。

所述多轴驱动模块103，用于根据所述控制模块的指示，对机器人的各个轴进行驱动；该模块输入220V交流电，通过整流、逆变来驱动机器人的各个轴关节，电源部分可以采用共直流母线技术。

所述输入输出模块104，用于根据所述控制模块的指示进行数字量输出和输入量采集，以及与外界进行信息交互。该模块可以提供多个数字量输入以及开关量输出，可为一体机各个轴的抱闸提供控制，多余的输入输出口可供用户外部使用。此系统所有的轴、输入输出接口以及外部总线设备都可在控制模块内通过机器人用户开发环境来配置使用。

需要说明的是，所述外部总线接口与系统内部接口如图1和2中所示。所述系统内部接口主要功能如下：

6、机器人远程示教器与控制模块之间的网络接口，通过socket通讯将机器人远程示教器内的各种参数、程序以及按键操作等信息下发给控制模块，同时反馈机器人的各种运行状态回机器人远程示教器；

7、机器人示教器到控制模块的安全信号接口，该接口主要包括急停、三位使能开关，控制模块接到安全信号后，对应转入相应的安全处理程序；

8、机器人各个轴的抱闸控制信号接口，该接口用于控制6个轴抱闸的开闭；

9、编码器信号线；该信号线用于反馈机器人各个关节轴编码器的位置信号到一体机的控制模块；

10、电机动力控制线，多轴驱动模块通过此输出6个轴的控制电流，从而控制机器人各个关节轴的速度和位置；

11、外部220v交流电供电给多轴驱动模块的电源接口；

12、外部220V交流电变压为24V为控制模块供电的电源接口。

基于以上实施例，如图2所示，为轴机器人驱控一体化控制系统中控制模块102结构示意图；具体包括：主控子模块201，多轴驱动子模块202，输出输入子模块203；

所述主控子模块201，用于解析所述机器人远程示教器发送的信息，并根据解析出来的信息，进行内部参数设置，计算所述机器人各个轴的实时位置，对所述多轴驱动子模块进行控制，并通过所述输入输出子模块采集各个轴的电流信息；该模块中建立机器人的动力学模型，对重力、摩擦力、惯性力等进行建模，实时解算出机器人各轴控制的惯量，通过高速PCIE总线传送给多轴驱动子模块202，所述多轴驱动子模块202根据实时惯量，结合自身电机控制模型，解算出实时最优的轴控PID参数，从而可实现机器人高速、高精、高稳定性的控制；

所述多轴驱动子模块202，用于根据所述主控子模块的指示，对所述各个轴进行驱动控制处理，且通过高精度定时器对所述各个轴进行同步控制；该步骤中所述高精度定时器可以采用多轴集中式控制依靠FPGA内纳秒级定时器提供统一的控制时钟基，轴同步精度达ns级别，同时在FPGA内实现多个轴的电流环控制，使电流环控制周期可达100ns级，提高了机器人多轴控制的性能及精度。所述多轴驱动子模块202可采用DSP平台。

所述输出输入子模块203，用于根据所述主控子模块的指示，对所述各个轴的电流信息进行采集，并根据所述多轴驱动子模块的轴控输出信息进行信息处理，转化为所述多轴驱动模块可识别信号。

需要说明的是，所述多轴驱动模块包括：智能功率模块(IntelligentPowerModule，简称IPM)；所述智能功率模块不仅把功率开关器件和驱动电路集成在一起，而且还内部集成有过电压，过电流和过热等故障检测电路，并可将检测信号送到主控子模块201。它由高速低功耗的管芯和优化的门极驱动电路以及快速保护电路构成，即使发生负载事故或使用不当，也可以保证IPM自身不受损坏。

所述智能功率模块通过所述多轴驱动子模块的轴控输出信息，经由所述输出输入子模块转化的脉冲调制信号进行驱动。

还需要说明的是，所述主控子模块为所述多轴驱动子模块提供实时的轴控参数；所述轴控参数包括：各个轴的位置信息，各个轴的速度以及加速度，各个轴的姿态信息，各个轴的负载状态及惯量；

所述多轴驱动子模块，根据所述实时的轴控参数，对各个轴进行实时动态变参数控制。

还需要说明的是，所述多轴驱动子模块采用集成式多轴驱动数字信号处理器。

还需要说明的是，所述高精度定时器采用现场可编程门阵列控制的定时器。

还需要说明的是，所述主控子模块和所述多轴驱动子模块采用现场可编程逻辑门阵列，且通过标准的PCIE总线接口方式进行信息通信。

还需要说明的是，所述主控子模块和所述多轴驱动子模块之间通过共享内存方式，进行并行信息通信。

还需要说明的是，所述输出输入子模块包括：电流采集接口和带有脉宽调制解调接口；

所述电流采集接口，用于根据所述主控子模块的指示，对所述各个轴的电流信息进行采集；

所述带有变宽调制解调接口，用于根据所述多轴驱动子模块的轴控输出信息进行信息处理，转化为所述多轴驱动模块可识别信号。

还需要说明的是，所述输出输入子模块还包括：并行接口；所述并行接口，用于通过并行总线方式与所述输入输出模块上的现场可编程逻辑门阵列进行通讯，实现主控子模块对所述输入输出模块上各个输入、输出的最终控制。

基于以上实施例，以下对轴机器人驱控一体化控制系统中控制模块的具体实现原理进行分析，具体如下：所述控制模块具体包括：主控子模块201，多轴驱动子模块202，输出输入子模块203；所述主控子模块201为机器人的主控平台，运行实时的机器人各轴运动学及动力学算法，为轴驱动模块提供实时的轴控位置、速度及加速度等，运行机器人程序解析、状态及逻辑处理等非实时程序，运行软PLC，同时运行各种总线主、从栈协议及驱动。

所述多轴驱动子模块202为集成式多轴驱动子模块；该模块采用DSP平台，通过FPGA提供的高精度定时器，可实现机器人各个轴纳秒级的同步精度，大大提高了机器人的运行精度，同时主控制子模块内的动力学模型会将机器人不同运行姿态和负载下的各轴速度、加速度及惯量等参数实时提供给多轴驱动模块，可做到各轴实时动态变参数控制，提高机器人高速、重载运行的稳定性。所述主控子模块201与多轴驱动子模块202都采用FPGA，通过板级PCIE总线接口通讯，所述主控子模块201与多轴驱动子模块202之间通过共享内存方式采用并行通讯，实现了所述主控子模块201与多轴驱动子模块202间的高速通路，同时所述控制模块102还带有各个轴编码器接口，采集机器人各个轴关节的位置信息，带有电流采样接口，采集机器人各个关节轴的电流信息，带有PWM接口，将多轴驱动模块的轴控输出转化为PWM信号控制多轴驱动模块上的IPM模块，实现最终各个轴的驱动控制。另外，所述控制模块通过并行总线方式与输入输出模块上的FPGA通讯，实现控制模块对输入输出模块上各个输入、输出的最终控制。

值得一提的是，本实施方式中所涉及到的各模块均为逻辑模块，在实际应用中，一个逻辑单元可以是一个物理单元，也可以是一个物理单元的一部分，还可以以多个物理单元的组合实现。此外，为了突出本发明的创新部分，本实施方式中并没有将与解决本发明所提出的技术问题关系不太密切的单元引入，但这并不表明本实施方式中不存在其它的单元。

本发明实施方式相对于现有技术而言,本发明的控制模块根据所述机器人远程示教器的设置以及指示，实现对系统整体的控制,包含所述多轴驱动模块的驱动控制,从而提高了系统控制集成度及控制性能,大大降低了硬件设计成本；本发明的控制模块还可以通过所述输入输出模块进行信息采集,从而可以根据采集的信息进行实时控制,提高整个系统控制精度以及稳定性。此外，本发明技术方案中控制模块通过主控子模块进行系统整体控制,并通过多轴驱动子模块对所述多轴驱动模块进行驱动控制，所述多轴驱动子模块通过高精度定时器对所述各个轴进行同步控制，从而进一步提高了系统对各个轴的驱动控制精度。本发明技术方案中主控子模块通过实时提供轴控参数给所述多轴驱动子模块，从而使得所述多轴驱动子模块能够更加及时对各个轴进行驱动调整，从而进一步提高了系统的稳定性及速度。本发明技术方案中所述主控子模块和所述多轴驱动子模块通过采用精度更高的现场可编程逻辑门阵列，以及通信速度更高的PCIE总线接口，使得信息交互速度提高，为机器人运动及控制模块中动力学模型及伺服驱动模型之间搭建了高速、高带宽的数据通道。

本领域的普通技术人员可以理解，上述各实施方式是实现本发明的具体实施例，而在实际应用中，可以在形式上和细节上对其作各种改变，而不偏离本发明的精神和范围。

Claims (10)

1.一种多轴机器人驱控一体化控制系统，其特征在于，包含：机器人远程示教器，控制模块，多轴驱动模块和输入输出模块；

所述机器人远程示教器，用于进行人机交互，通过所述机器人远程示教器对所述控制模块进行参数设置以及操作控制，并接收所述控制模块反馈的信息；

所述控制模块，用于根据所述机器人远程示教器的设置以及指示，对上述多轴驱动模块进行实时控制，并通过所述输入输出模块进行数字量输出和输入量采集；

所述多轴驱动模块，用于根据所述控制模块的指示，对机器人的各个轴进行驱动；

所述输入输出模块，用于根据所述控制模块的指示进行信息采集，以及与外界进行信息交互。

2.根据权利要求1所述的多轴机器人驱控一体化控制系统，其特征在于，所述控制模块包括：主控子模块，多轴驱动子模块，输出输入子模块；

所述主控子模块，用于解析所述机器人远程示教器发送的信息，并根据解析出来的信息，进行内部参数设置，计算所述机器人各个轴的实时位置，对所述多轴驱动子模块进行控制，并通过所述输入输出子模块采集各个轴的电流信息；

所述多轴驱动子模块，用于根据所述主控子模块的指示，对所述各个轴进行驱动控制处理，且通过高精度定时器对所述各个轴进行同步控制；

所述输出输入子模块，用于根据所述主控子模块的指示，对所述各个轴的电流信息进行采集，并根据所述多轴驱动子模块的轴控输出信息进行信息处理，转化为所述多轴驱动模块可识别信号。

3.根据权利要求2所述的多轴机器人驱控一体化控制系统，其特征在于，所述多轴驱动模块包括：智能功率模块；

所述智能功率模块通过所述多轴驱动子模块的轴控输出信息，经由所述输出输入子模块转化的脉冲调制信号进行驱动。

4.根据权利要求2或3所述的多轴机器人驱控一体化控制系统，其特征在于，所述主控子模块为所述多轴驱动子模块提供实时的轴控参数；所述轴控参数包括：各个轴的位置信息，各个轴的速度以及加速度，各个轴的姿态信息，各个轴的负载状态及惯量；

所述多轴驱动子模块，根据所述实时的轴控参数，对各个轴进行实时动态变参数控制。

5.根据权利要求4所述的多轴机器人驱控一体化控制系统，其特征在于，所述多轴驱动子模块采用集成式多轴驱动数字信号处理器。

6.根据权利要求4或5所述的多轴机器人驱控一体化控制系统，其特征在于，所述高精度定时器采用现场可编程门阵列控制的定时器。

7.根据权利要求6所述的多轴机器人驱控一体化控制系统，其特征在于，所述主控子模块和所述多轴驱动子模块采用现场可编程逻辑门阵列，且通过标准的PCIE总线接口方式进行信息通信。

8.根据权利要求7所述的多轴机器人驱控一体化控制系统，其特征在于，所述主控子模块和所述多轴驱动子模块之间通过共享内存方式，进行并行信息通信。

9.根据权利要求8所述的多轴机器人驱控一体化控制系统，其特征在于，所述输出输入子模块包括：电流采集接口和带有脉宽调制解调接口；

所述电流采集接口，用于根据所述主控子模块的指示，对所述各个轴的电流信息进行采集；

所述带有变宽调制解调接口，用于根据所述多轴驱动子模块的轴控输出信息进行信息处理，转化为所述多轴驱动模块可识别信号。

10.根据权利要求9所述的多轴机器人驱控一体化控制系统，其特征在于，所述输出输入子模块还包括：并行接口；所述并行接口，用于通过并行总线方式与所述输入输出模块上的现场可编程逻辑门阵列进行通讯，实现主控子模块对所述输入输出模块上各个输入、输出的最终控制。