CN106970561B

CN106970561B - 运动控制系统

Info

Publication number: CN106970561B
Application number: CN201710227748.9A
Authority: CN
Inventors: 周清睿; 王海力
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2017-04-11
Filing date: 2017-04-11
Publication date: 2019-07-02
Anticipated expiration: 2037-04-11
Also published as: CN106970561A

Abstract

本发明公开了用于为驱动物体运动的伺服电机提供脉冲信号的运动控制系统，该系统包括：主运动控制器，其包括处理器和连接到处理器的第一存储器；以及从运动控制器，其包括控制单元、第二存储器以及脉冲信号生成器，脉冲信号生成器包括寄存器和连接到寄存器的脉冲发生器，控制单元连接到第二存储器以及脉冲信号生成器，并且第二存储器连接到脉冲信号生成器。所述处理器用基本速度曲线对物体的速度曲线进行拟合，以得到与速度曲线对应的一条或多条基本速度曲线段；并且基于每一条基本速度曲线段生成具有预定数据结构的运动数据。所述从运动控制器基于所述运动数据产生所述脉冲信号。

Description

运动控制系统

技术领域

本发明涉及机器人的运动控制，尤其涉及一种运动控制系统。

背景技术

全球特别是中国机器人市场爆发式发展，机器人出货量快速增长。作为机器人运动中枢的控制器也获得了很大的发展。现有的控制器的实现一般是基于运动控制ASIC芯片或FPGA芯片，其系统结构一般图1所示。主控CPU根据运动曲线产生指令和数据，通过物理接口把指令和数据实时传送给从运动控制器(即ASIC芯片或FPGA芯片)；从运动控制器中的指令执行模块解析指令后，再把数据送到波形生成模块，波形生成模块产生脉冲信号以驱动电机按照速度曲线运行。

现有的运动控制系统存在以下问题：

1、各厂商都使用独家的专用指令系统，这些系统开放性差、不容易移植、需要专业的人员开发和维护，因此开发和维护成本高。

2、需要使用与专用指令系统相对应的物理接口，造成系统复杂，接口标准不一，不同的系统对接难度大，不易扩展。

3、主控CPU发送的指令和数据需要从运动控制器解析后再执行，从指令发送到实际电机运行有一定的延迟。

4、即使是同一厂商，4轴以上多轴控制系统与单轴控制系统的软硬件功能划分不一样，导致软件结构和功能依赖于硬件；各家的运动控制系统软件结构更是与自家的硬件密切关联。

上述缺点阻碍了机器人运动控制系统的集成和应用推广。

发明内容

为了克服现有技术中的上述问题，本发明的一个方面提供了一种运动控制系统，其用于为驱动物体运动的伺服电机提供脉冲信号，该系统包括：

主运动控制器，其包括处理器和连接到所述处理器的第一存储器；以及

从运动控制器，其包括控制单元、第二存储器以及脉冲信号生成器，所述脉冲信号生成器包括寄存器和连接到所述寄存器的脉冲发生器，所述控制单元连接到所述第二存储器以及所述脉冲信号生成器，并且所述第二存储器连接到所述脉冲信号生成器，

其中所述第一存储器中存储有程序，所述处理器在运行所述程序时执行以下操作：

用基本速度曲线对所述物体的速度曲线进行拟合，以得到与所述物体的速度曲线相对应的一条或多条基本速度曲线段；

基于每一条所述基本速度曲线段生成具有预定数据结构的运动数据；

通过所述控制单元将所生成的运动数据存储到所述第二存储器中；以及

向所述控制单元发送指令使其将所需的运动数据从所述第二存储器送到所述寄存器中，再由所述寄存器送到所述脉冲发生器以产生所述脉冲信号。

可选地，所述处理器在执行所述程序时进行以下操作：

将所述运动数据存储在所述第一存储器中，以及

将存储在所述第一存储器中的所述运动数据经由所述控制单元送到所述第二存储器中。

可选地，所述运动控制系统还包括人机交互界面，用于接收用户实时输入的速度曲线。

可选地，所述基本速度曲线包括匀速曲线、具有一次加速度的速度曲线、具有二次加速度的速度曲线中的一种或多种。

可选地，所述物体是机器人的轴关节或者数控机床的刀具驱动轴。

可选地，所述轴关节包括N个轴关节，其中N是大于1的自然数。所述用基本速度曲线对所述物体的速度曲线进行拟合以得到与所述物体的速度曲线相对应的多个基本速度曲线段的操作包括：用基本速度曲线对所述N个轴关节中的每一个在同一时间段的速度曲线分别进行拟合，使得对于每一条速度曲线均得到M条基本速度曲线段，并且每一条所述速度曲线的第i条基本速度曲线段均对应时间轴上相同的时间段，其中M是自然数，i是从1到M的自然数。所述基于每一条所述基本速度曲线段生成具有预定数据结构的运动数据的操作包括：基于每一条所述基本速度曲线段生成具有预定数据结构的运动数据，从而对应于每个轴关节得到M个运动数据，并且将每一个轴关节的M个运动数据中的对应于同一时间段的运动数据分成一组，从而得到M组所述具有预定数据结构的运动数据。向所述控制单元发送指令使其将所需的运动数据从所述第二存储器送到所述寄存器中，再由所述寄存器送到所述脉冲发生器以产生所述脉冲信号的操作包括：按照时间顺序依次将每一组所述具有预定数据结构的运动数据成组地从所述第二存储器送到所述寄存器中并且由所述寄存器送到所述脉冲发生器以产生用于驱动各轴关节的脉冲信号。

可选地，所述第二存储器是先进先出存储器。

可选地，所述处理器在执行所述程序时还进行以下操作：对比所述运动控制器的时钟周期对所述具有预定数据结构的运动数据进行归一化。

本发明还提供了另一种运动控制系统，其用于为驱动物体运动的伺服电机提供脉冲信号，该系统包括：

第一存储器，其中存储与基本速度曲线段对应的具有预定数据结构的运动数据，所述物体的速度曲线由所述基本速度曲线段拟合而成；以及

连接到所述第一存储器的运动控制器，该运动控制器包括控制单元、第二存储器以及脉冲信号生成器，所述脉冲信号生成器包括寄存器和连接到所述寄存器的脉冲发生器，所述控制单元连接到所述第二存储器以及所述脉冲信号生成器，并且所述第二存储器连接到所述脉冲信号生成器，

其中所述控制单元用于将存储在所述第一存储器中的所述运动数据传送到所述第二存储器中，将所需的运动数据从所述第二存储器送到所述寄存器中，再由所述寄存器送到所述脉冲发生器以产生所述脉冲信号。

可选地，所述轴关节包括N个轴关节，N是大于1的自然数，在同一时间段每一个所述轴关节的速度曲线都由M个基本速度曲线段拟合而成，并且每一个所述轴关节的速度曲线的第i个基本速度曲线段都对应于时间轴上相同的时间段，其中M是自然数，i是从1到M的自然数，使得对应于每个轴关节在所述第一存储器中存储了M个运动数据。每一个轴关节的M个运动数据中的对应于同一时间段的运动数据被分成一组，从而得到M组所述具有预定数据结构的运动数据。其中所述控制单元用于将存储在所述第一存储器中的所述运动数据成组地传送到所述第二存储器中，按照时间顺序依次将每一组所述具有预定数据结构的运动数据成组地从所述第二存储器送到所述寄存器中并且由所述寄存器送到所述脉冲发生器以产生用于驱动各轴关节的脉冲信号。

本发明的有益效果

本发明的运动控制系统对主运动控制器与从运动控制器之间的通信接口没有限制，即，主运动控制器与从运动控制器之间能通过不同类型物理接口实现通信，解决了现有技术运动控制系统中主运动控制器与从运动控制器之间接口扩展性差的问题。

本发明的运动控制系统中，主运动控制器输出到从运动控制器的信息是驱动电机运动的参数，而不是专有的指令系统，无需专有的解析系统解析成电机驱动参数，因此系统透明开放，软件结构及其逻辑结构不依赖于处理器硬件，解决了现有技术中运动控制系统控制软件独立性差，难以在不同的系统间移植的问题。

附图说明

图1示意性示出了现有技术中用于机器人的运动控制系统。

图2示意性示出了根据本发明的第一示例性实施例的运动控制系统的框图。

图3示意性地示出了一个示例性四轴机器人。

图4A示意性地示出了根据本发明的第一示例性实施例的用于图3所示的四轴机器人的运动控制系统的框图。

图4B示出了图4A所示系统中控制单元的操作流程图。

图5示意性地示出了根据本发明的第一示例性实施例的用于八轴机器人的运动控制系统的框图。

图6示意性地示出了根据本发明的第二示例性实施例的运动控制系统的框图。

具体实施方式

为了便于更清楚地理解本发明，在下文中参考附图描述本发明的具体实施方式。应当理解附图是示意性的，并不限定本发明的保护范围，本发明的保护范围由所附权利要求书限定。

图2示意性地示出了根据本发明的一个示例性实施例的运动控制系统的框图。

运动控制系统可以用于为驱动物体运动的伺服电机提供脉冲信号，所述物体可以是例如机器人的轴关节或者数控机床的刀具驱动轴。图2所示的运动控制系统包括主运动控制器100和从运动控制器120。主运动控制器100包括处理器110和连接到所述处理器110的第一存储器130，处理器110可以是例如中央处理器(CPU)。从运动控制器120包括控制单元121、第二存储器122以及脉冲信号生成器123。脉冲信号生成器123包括寄存器1231和脉冲发生器1232。

第一存储器130中存储有程序，处理器110在运行所述程序时执行以下操作：

用基本速度曲线对所述物体的速度曲线进行拟合，以得到与所述速度曲线相对应的一条或多条基本速度曲线段；

基于每一条所述基本速度曲线段形成具有预定数据结构的运动数据；

通过所述控制单元121将所述运动数据存储到第二存储器122中；以及

向控制单元121发送指令，使其将所需的运动数据从第二存储器122送到寄存器1231中并且控制寄存器1231将所述运动数据发送到脉冲发生器1232以产生所述脉冲信号。

速度曲线是指以时间为横轴、速度值为纵轴所形成的曲线。所述物体的速度曲线可以存储在所述第一存储器中，或者可以由应用程序实时产生。或者本发明的运动控制系统还可以包括任何形式的人机交互界面(Human Machine Interaction，HMI)，这样用户可以根据需要实时输入所需的速度曲线。

所述基本速度曲线例如是等速曲线、具有一次加速度的速度曲线、具有二次加速度的速度曲线中的一种或多种。具有一次加速度的速度曲线是指加速度不随时间变化的速度曲线，具有二次加速度的速度曲线是指加速度随时间变化的速度曲线，其中加速度随时间的变化率为常数。任何速度曲线都能够由上述三种基本速度曲线中的一种或多种来拟合，这是本领域中已知的，因此在本说明书中不再详细描述。

对所述速度曲线的拟合可以采用例如直线插补、圆弧插补、位模式和连续插补等方法进行，这些都是本领域中已知的，在此不再进行详细描述。

例如，对于上述基本速度曲线，可以基于拟合操作所得到的基本速度曲线段生成具有如下结构的运动数据：

Struct{

UINT SP_CON,//Conrol register

UINT P,//32BIT

UINT SV,//22BIT

UINT V,//22BIT

UINT A,//22BIT

UINT K,//22BIT

UINT R,//32BIT

}

其中：

SV：初始速度

速度：V

运行脉冲数：P

加速度：A

加速度变化率：K

时钟倍率：R

由此，从主运动控制器100输出到从运动控制器120的数据是可以驱动电机运动的参数，而不是专有的指令，因此对主运动控制器100与从运动控制器120之间的通信接口没有限制。换而言之，主运动控制器100与从运动控制器120之间能通过不同类型物理接口实现通信，解决了现有技术运动控制系统中主运动控制器与从运动控制器之间接口扩展性差的问题。

此外，由于主运动控制器100输出到从运动控制器120的数据是可以驱动电机运动的参数，而不是专有的指令，从运动控制器120中无需专有的解析系统将指令解析成电机驱动参数，因此系统透明开放，软件结构及其逻辑结构不依赖于处理器硬件，解决了现有技术中运动控制系统控制软件独立性差，难以在不同的系统间移植的问题。

另外，现有技术中主控CPU发送的指令和数据需要从运动控制器解析后再执行，从指令发送到实际电机运行有一定的延迟，而在本发明的运动控制系统中数据处理在主运动控制器中的处理器中进行而不是在从运动控制器中使用指令执行模块进行，因此本发明的运动控制系统具有更高的系统运行效率。

尽管上文中以等速曲线、具有一次加速度的速度曲线、具有二次加速度的速度曲线作为基本速度曲线为例进行了描述，但是应当理解，本领域技术人员可以利用其它适当的基本速度曲线对所述物体的速度曲线进行拟合，从而定义具有其它形式的数据结构的运动数据。

下文中以四轴机器人为例，对本发明的运动控制系统进行更详细地描述。

图3示出了四轴机器人的一个例子。这里所谓的“轴”是指机器人运动的自由度，图3所示的四轴机器人除了能够沿着x、y、z轴进行转动之外，还具有一个独立运动的第四轴。

图4A更详细地示出了如何利用本发明的运动控制系统为图3所示的四轴机器人提供伺服电机驱动脉冲信号。在图4A中，与图2相同的部件采用了相同的附图标记。

处理器110在运行存储在第一存储器130中的程序时执行以下操作：

用基本速度曲线分别对轴1、轴2、轴3、轴4在同一时间段的速度曲线L1、L2、L3、L4进行拟合，从而分别得到与L1相对应的M条基本速度曲线段、与L2相对应的M条基本速度曲线段、与L3相对应的M条基本速度曲线段、以及与L4相对应的M条基本速度曲线段，其中M是自然数，即，对于这种多轴(多个运动物体)的情况，使每个轴的在同一时间段的速度曲线均由相同数量(M条)的基本速度曲线段拟合而成，并且每个轴的M条基本速度曲线段中的第i条基本速度曲线段均对应时间轴上相同的时间段，i是从1到M的自然数；

基于每一个所述基本速度曲线段生成具有预定数据结构的运动数据，从而对应于每个轴关节得到M个运动数据，将每一个轴关节的M个运动数据中的对应于同一时间段的运动数据分成一组，即得到M组具有预定数据结构的运动数据(AXIS1-1、AXIS2-1、AXIS3-1、AXIS4-1)，(AXIS1-2、AXIS2-2、AXIS3-2、AXIS4-2)……(AXIS1-M、AXIS2-M、AXIS3-M、AXIS4-M)，其中AXIS1-i、AXIS2-i、AXIS3-i、AXIS4-i(i为从1到M的自然数)，分别为第一轴关节、第二轴关节、第三轴关节、第四轴关节在第i时间段的运动数据，如图4A所示；

通过控制单元121将上述运动数据存储到第二存储器122中；以及

向控制单元121发送指令，使得控制单元121执行如下操作：

S1：令i＝1

S2：将第i组运动数据(AXIS1-i、AXIS2-i、AXIS3-i、AXIS4-i)从第二存储器122送到寄存器1231中；

S3：控制寄存器1231将所述第i组运动数据发送到脉冲发生器1232以产生用于驱动各轴关节的脉冲信号；

S4：令i＝i+1；

S5：当i≤M时，回到步骤S2，否则操作结束。

从图4B中可以更清楚地理解控制单元121的操作。

换而言之，控制单元121根据来自处理器110的指令，按照时间顺序依次将每一组所述具有预定数据结构的运动数据成组地从第二存储器122送到寄存器1231中并且由寄存器1231送到脉冲发生器1232以产生用于驱动各轴关节的所述脉冲信号。

可选地，所述第二存储器是先进先出(First In First Out，FIFO)存储器。

根据本发明的上述示例性实施例的运动控制系统也可以很容易地扩展为可以用于为具有更多轴关节的机器人提供伺服电机驱动脉冲信号，只要配置足够的脉冲发生器即可。图5更详细地示出了如何利用本发明的运动控制系统为8轴机器人(未示出)提供伺服电机驱动脉冲信号。图5中所示的系统可以与图4A中所示系统类似地操作，在此不再进行重复描述。从图5所示的系统也可以很容易地用于少于8轴的机器人。由此可见，本发明的系统透明开放，软件结构及其逻辑结构不依赖于处理器硬件。而现有技术中即使是同一厂商，4轴以上多轴控制系统与单轴控制系统的软硬件功能划分不一样，导致软件结构和功能依赖于硬件。因此本发明解决了现有技术中运动控制系统控制软件独立性差，难以在不同的系统间移植的问题。

图6示意性地示出了根据本发明的另一个示例性实施例的运动控制系统的框图。

如图所示，图6所示运动控制系统与图2所示的运动控制性的不同之处仅在于在主运动控制器中省略了处理器110。图6所示的运动控制系统包括第一存储器230，其中存储与基本速度曲线段对应的具有预定数据结构的运动数据，所述物体的速度曲线由所述基本速度曲线段拟合而成；以及连接到所述第一存储器230的运动控制器220，该运动控制器220包括控制单元221、第二存储器222以及脉冲信号生成器223，所述脉冲信号生成器包括寄存器2231和连接到所述寄存器2231的脉冲发生器2232，所述控制单元221连接到所述第二存储器222以及所述脉冲信号生成器223，并且所述第二存储器222连接到所述脉冲信号生成器223。所述控制单元221用于将存储在所述第一存储器230中的所述运动数据传送到所述第二存储器222中，将所需的运动数据从所述第二存储器222送到所述寄存器2231中，再由所述寄存器2231送到所述脉冲发生器2232以产生用于驱动物体运动的伺服电机所需的脉冲信号。

对于不需要用户实时干预运动的物体而言，图6所示的运动控制系统将与其速度曲线相对应的具有前文所述的预定结构的运动数据存储在存储器中，整个运动控制系统不需要使用处理器，能够降低整个系统的成本。

例如，在多轴(N个轴关节，N是大于1的自然数)机器人的情况下，在同一时间段每一个所述轴关节的速度曲线都由M(M是自然数)个基本速度曲线段拟合而成，并且每一个所述轴关节的速度曲线的第i个基本速度曲线段都对应于时间轴上相同的时间段，其中M是自然数，i是从1到M的自然数，使得对应于每个轴关节在所述第一存储器230中存储了M个运动数据。每一个轴关节的M个运动数据中的对应于同一时间段的运动数据被分成一组，从而得到M组所述具有预定数据结构的运动数据。所述控制单元221用于将存储在所述第一存储器230中的所述运动数据成组地传送到所述第二存储器222中，按照时间顺序依次将每一组所述具有预定数据结构的运动数据成组地从所述第二存储器222送到所述寄存器2231中并且由所述寄存器送到所述脉冲发生器2232以产生用于驱动各轴关节的脉冲信号。

在本发明的运动控制系统中，主运动控制器输出到从运动控制器的数据是可以驱动电机运动的参数，而不是专有的指令，因此对主运动控制器与从运动控制器之间的通信接口没有限制，即，主运动控制器与从运动控制器之间能通过不同类型物理接口实现通信，解决了现有技术运动控制系统中主运动控制器与从运动控制器之间接口扩展性差的问题。

此外，主运动控制器输出到从运动控制器的数据是可以驱动电机运动的参数，而不是专有的指令，从运动控制器中无需专有的解析系统将指令解析成电机驱动参数，因此系统透明开放，软件结构及其逻辑结构不依赖于处理器硬件，解决了现有技术中运动控制系统控制软件独立性差，难以在不同的系统间移植的问题。

另外，现有技术中主控CPU发送的指令和数据需要从运动控制器解析后再执行，从指令发送到实际电机运行有一定的延迟，而在本发明的运动控制系统中数据处理在主运动控制器中的处理器中进行，因此本发明的运动控制系统具有更高的系统运行效率。

尽管已经参照每一个所述示例性实施例的结构和操作描述了本发明，但是本发明不仅仅限于上述示例性实施例中的每一个。应当注意，本发明包括在不脱离本发明的范围的情况下本领域技术人员能够想到的各种变化和修改。此外，本发明包括相互并且适当地组合上述示例性实施例中每一个的结构的一部分或整个部分而获得的结构。

Claims

1.一种运动控制系统，其用于为驱动物体运动的伺服电机提供脉冲信号，该系统包括：

2.根据权利要求1所述的运动控制系统，其中所述处理器在执行所述程序时进行以下操作：

将所述运动数据存储在所述第一存储器中，以及

3.根据权利要求1所述的运动控制系统，还包括人机交互界面，用于接收用户实时输入的速度曲线。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的运动控制系统，其中所述基本速度曲线包括匀速曲线、具有一次加速度的速度曲线、具有二次加速度的速度曲线中的一种或多种。

5.根据权利要求4所述的运动控制系统，其中所述物体是机器人的轴关节或者数控机床的刀具驱动轴。

6.根据权利要求5所述的运动控制系统，其中所述轴关节包括N个轴关节，其中N是大于1的自然数，

所述用基本速度曲线对所述物体的速度曲线进行拟合以得到与所述物体的速度曲线相对应的多个基本速度曲线段的操作包括：用基本速度曲线对所述N个轴关节中的每一个在同一时间段的速度曲线分别进行拟合，使得对于每一条速度曲线均得到M条基本速度曲线段，并且每一条所述速度曲线的第i条基本速度曲线段均对应时间轴上相同的时间段，其中M是自然数，i是从1到M的自然数；

所述基于每一条所述基本速度曲线段生成具有预定数据结构的运动数据的操作包括：基于每一条所述基本速度曲线段生成具有预定数据结构的运动数据，从而对应于每个轴关节得到M个运动数据，并且将每一个轴关节的M个运动数据中的对应于同一时间段的运动数据分成一组，从而得到M组所述具有预定数据结构的运动数据；并且

向所述控制单元发送指令使其将所需的运动数据从所述第二存储器送到所述寄存器中，再由所述寄存器送到所述脉冲发生器以产生所述脉冲信号的操作包括：按照时间顺序依次将每一组所述具有预定数据结构的运动数据成组地从所述第二存储器送到所述寄存器中并且由所述寄存器送到所述脉冲发生器以产生用于驱动各轴关节的脉冲信号。

7.根据权利要求6所述的运动控制系统，其中所述第二存储器是先进先出存储器。

8.根据权利要求1-3或5-7中任一项所述的运动控制系统，其中所述处理器在执行所述程序时还进行以下操作：对比所述运动控制器的时钟周期对所述具有预定数据结构的运动数据进行归一化。

9.一种运动控制系统，其用于为驱动物体运动的伺服电机提供脉冲信号，该系统包括：

10.根据权利要求9所述的运动控制系统，其中所述物体是机器人的轴关节或者数控机床的刀具驱动轴。

11.根据权利要求10所述的运动控制系统，其中所述轴关节包括N个轴关节，N是大于1的自然数，在同一时间段每一个所述轴关节的速度曲线都由M个基本速度曲线段拟合而成，并且每一个所述轴关节的速度曲线的第i个基本速度曲线段都对应于时间轴上相同的时间段，其中M是自然数，i是从1到M的自然数，使得对应于每个轴关节在所述第一存储器中存储了M个运动数据；

每一个轴关节的M个运动数据中的对应于同一时间段的运动数据被分成一组，从而得到M组所述具有预定数据结构的运动数据；并且

其中所述控制单元用于将存储在所述第一存储器中的所述运动数据成组地传送到所述第二存储器中，按照时间顺序依次将每一组所述具有预定数据结构的运动数据成组地从所述第二存储器送到所述寄存器中并且由所述寄存器送到所述脉冲发生器以产生用于驱动各轴关节的脉冲信号。