CN107538483A - 分布式机器人控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及机器人技术领域，具体公开一种分布式的机器人控制系统，包括控制柜控制系统及机器人本体内部控制系统，控制柜控制系统包括核心控制器、安全功能模块及模拟量采集模块；核心控制器调度控制任务；模拟量采集模块采集外界模拟量信号；机器人本体内部控制系统包括电机、驱动器和转接板，驱动器与关节附近的传感器连接；驱动器及转接板设置于机器人本体关节内部，且驱动器设置于转接板上，驱动器通过转接板完成对电机工作的控制；核心控制器、安全功能模块、模拟量采集模块与机器人本体内部控制系统之间均采用Ethercat总线进行通信。本发明将驱动器放置在机器人本体的各个关节附近，达到了减少本体内走线，避免电磁干扰的技术效果。

Description

分布式机器人控制系统

技术领域

本发明涉及机器人控制技术领域，特别涉及一种分布式机器人控制系统及控制方法。

背景技术

现有的机器人控制系统，均采用集中式控制系统，或集中和分布结合式控制。即控制系统集中在控制机笼当中，主要包括核心控制器、电机驱动器以及安全控制系统以及其他功能控制系统。关节的限位、电机的抱闸以及码盘需要在机器人本体上走线到控制柜机笼当中，本体内的走线过多，不利于机器人本体以及控制机笼的小型化，尤其是在小功率的机器人当中。而且码盘等信号线在机器人本体内走线容易受到电磁干扰，进而出现意外的错误，严重甚至能够导致机器人飞车。

发明内容

本发明旨在克服现有机器人本体内走线容易受到电磁干扰的技术缺陷，提供一种分布式机器人控制系统。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一方面，本发明提供一种分布式机器人控制系统，包括控制柜控制系统及机器人本体内部控制系统，所述控制柜控制系统包括核心控制器及模拟量采集模块；

所述核心控制器，用于调度分布式机器人控制系统的控制任务；

所述模拟量采集模块，用于采集外界模拟量信号，并发送给其他模块；

所述机器人本体内部控制系统包括电机、驱动器和转接板，所述驱动器与所述关节附近的传感器连接；

所述驱动器及转接板设置于所述机器人本体关节内部，且所述驱动器设置于所述转接板上，所述驱动器通过所述转接板完成对所述电机工作的控制；

所述核心控制器、所述安全功能模块、所述模拟量采集模块与所述机器人本体内部控制系统之间均采用Ethercat总线进行通信。

一些实施例中，所述分布式机器人控制系统还包括人机交互平台，用于设置所述机器人的控制参数以及控制方式，并发送控制参数给所述核心控制器；所述核心控制器接收所述控制参数，并执行相应的控制命令，调度分布式机器人控制系统的控制任务；所述核心控制器发送反馈数据给所述人机交互平台，所述人机交互平台根据所述反馈数据显示所述机器人的控制状态。

一些实施例中，所述人机交互平台与所述核心控制器采用以太网进行通信。

一些实施例中，所述分布式机器人控制系统还包括用于分配电源的供电模块。

一些实施例中，所述控制柜控制系统还包括安全功能模块，用于采集系统安全输入信号，判断系统安全状态，并输出安全的输出信号。

一些实施例中，所述安全功能模块所采集的系统安全输入信号包括外部急停信号、上电/启动/暂停信号。

一些实施例中，所述驱动器具有IO信号接口和模拟量接口、数字输出电路，所述IO信号接口和所述模拟量接口分别与关节附近的数字量传感器和模拟量传感器连接。

一些实施例中，所述转接板包括隔离调理电路、抱闸电路及STO输出电路；所述驱动器接收来自EtherCat总线的安全扭矩关断STO信号，通过所述数字输出电路控制所述隔离调理电路，再输出STO信号到驱动器中，从而控制所述驱动器安全扭矩的关断，以控制所述电机的电流。

一些实施例中，所述驱动器的数字输出电路发送抱闸信号给所述隔离调理电路，所述隔离调理电路发送信号给所述抱闸电路，所述抱闸电路输出抱闸信号给所述电机，从而控制所述电机的抱闸动作。

一些实施例中，所述驱动器还包括码盘接口，所述电机的码盘与所述驱动器的码盘接口连接，由所述驱动器对所述码盘解算后，通过EtherCat总线发送给核心控制器中。

本发明的有益效果在于：本发明的控制系统中，将驱动器放置在机器人本体的各个关节附近；核心控制器和安全功能模块均装载在小型控制柜中，各个模块之间仅通过电源线和安全总线进行连接通信，从而达到了控制柜的尺寸，减少本体内走线，有效避免电磁干扰的技术效果。

更加地，通过带有驱动器转接板来实现对驱动器的安全扭矩关断以及电机抱闸的控制，不需要再在本体内部走线，也有效避免电磁干扰的技术效果。

附图说明

图1为本发明分布式机器人控制系统一个实施例的系统结构框图；

图2为为根据本发明分布式机器人控制系统一个实施例的抱闸输出工作框图；

图3为根据本发明分布式机器人控制系统一个实施例的STO输出工作框图。

附图标记说明：

人机交互平台 1 核心控制器 2

安全功能模块 3 模拟量采集模块 4

驱动器 5 转接板 6

电机 7 关节附近传感器 8

供电模块 9 24V开关电源 10

外部急停信号输入 11 上电/启动/暂停信号输入 12

48V开关电源 13 上电开关 14

外部模拟量传感器 15

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，而不构成对本发明的限制。

本发明的思路为：本发明的控制系统通过控制柜控制系统及机器人本体内部控制系统两部分构成，机器人本体内部控制系统将电机驱动器装载到机器人本体关节内部的驱动器转接板上，核心控制器、安全功能模块、模拟量采集模块以及电机驱动器和转接板通过安全EtherCat总线(safety over EtherCat)进行通信。

请参阅图1，为本发明分布式机器人控制系统一个实施例的系统结构框图。本实施例中，分布式机器人控制系统包括控制柜控制系统及机器人本体内部控制系统，控制柜控制系统包括核心控制器2、安全功能模块3及模拟量采集模块4。

核心控制器2，用于调度分布式机器人控制系统的控制任务。

模拟量采集模块4，采集外界的模拟量信息，作为优选，模拟量信息为外部模拟量传感器15的模拟量信息，例如力传感器等。其通过安全EtherCat总线将采集到外界传感器的数据给其他模块共享。

机器人本体内部控制系统包括多个电机7、多个驱动器5和多个转接板6，驱动器5与关节附近的传感器8连接。

在每一个关节处配置有驱动器5及转接板6。驱动器5及转接板6设置于机器人本体关节内部，且驱动器5设置于转接板7上，驱动器5通过转接板6完成对电机7工作的控制。核心控制器2、安全功能模块3、模拟量采集模块4与机器人本体内部控制系统之间均采用Ethercat总线进行通信。

本实施例中的分布式机器人控制系统还包括人机交互平台1及安全功能模块3。人机交互平台1，可以设置机器人的控制参数以及控制方式等。安全功能模块3将系统的关键信号(如通过外部急停信号输入11采集的外部急停信号；通过上电/启动/暂停信号输入12采集的上电、启动或暂停信号)采集到安全功能模块3中，并将采集到的关键信号，通过安全EtherCat总线发送给其他模块共享，保证系统的安全性能等级，同时通过安全功能模块3的安全输出电路保证外部安全输出的要求，例如控制接触器的开断等。

作为优选，本发明的分布式机器人控制系统还包括用于为其他模块分配电源的供电模块9、给供电模块9供电的24V开关电源10、给驱动器5上电的上电开关14、为上电开关14供电的48V开关电源13。

具体地，本实施例中分布式机器人控制系统的控制柜控制系统工作过程为：人机交互平台1设置机器人的控制参数以及控制方式，并通过以太网总线将控制命令和数据发送给核心控制器2。

核心控制器2接收控制参数，控制命令进行解算(包括运动轨迹算法的计算)，执行相应的控制命令，并作为EtherCat总线的主站与各底层执行模块通信，将控制方法通过安全EtherCat总线发送给底层执行模块，如驱动器5、安全功能模块3、模拟量采集模块4等，来调度分布式机器人控制系统的控制任务，包括控制机器人本体各个关节的动作等任务。同时，核心控制器，核心控制器2接收各个功能模块反馈回的数据，并发送反馈数据给人机交互平台1，人机交互平台1根据反馈数据显示机器人的控制状态。

请结合并参阅图1、图2及图3，本实施例中机器人本体内部控制系统包括驱动器5、转接板6及电机7。驱动器5包括IO信号接口和模拟量接口电路、码盘接口电路及数字输出电路。IO信号接口和模拟量接口电路与关节附近传感器8连接，使得关节附近的数字量传感器(如限位等)和模拟量传感器(如关节扭矩传感器)可以接在驱动器5上。转接板6包括隔离调理电路、STO输出电路及抱闸电路。驱动器5的STO输入和抱闸输出，通过转接板7来实现。

作为优选，驱动器5功率密度较大的直流驱动器，一般均带有少量的IO信号接口和模拟量接口，如ELMO公司的直流驱动器(一般情况下有1个模拟量接口)。

作为优选，驱动器5采用与其他功能模块通过安全型EtherCat总线通讯。

作为优选，本实施例中，电机7的码盘直接接到驱动器5中，由驱动器5解算后，通过安全型EtherCat总线发送给核心控制器中，这使得电机的码盘不需要在机器人本体上走线到控制柜机笼当中，减少了机器人本体内部的走线。

本实施例中分布式机器人控制系统的机器人本体内部控制系统工作过程为：各个关节处的驱动器5接收控制柜控制系统通过安全EtherCat总线发送过来的STO信号后，通过其数字输出电路控制转接板6的隔离调理电路进行数据处理，由转接板6的STO输出电路输出STO信号到驱动器5中，从而实现该关节处电机7的电流切断控制。

驱动器5接收控制柜控制系统通过安全ECAT总线发送过来的抱闸信号后，通过其数字输出电路控制转接板6的隔离调理电路进行数据处理，并由转接板6的抱闸电路输出抱闸信号到电机7中，实现电机的松抱闸控制。

本发明的分布式控制系统采用独立的安全功能模块，将系统的关键IO信号全部集成接入其中，使系统的模块化程度更好；电机的抱闸信号由控制系统通过安全EtherCat总线发送给驱动器，驱动器控制器IO接口，通过IO调理电路给到电机中，并且带有抱闸电流检测功能，使得本体内不需要走抱闸控制线；驱动器的安全扭矩关断信号STO，在需要安全控制时，仅通过安全EtherCat总线发送到驱动器中，驱动器控制本身的IO接口，通过IO调理电路后，在进入到驱动器STO信号接口；本分布式控制系统，各控制模块之间除电源线之外，仅通过安全型EtherCat总线相连通讯，方便电气布线。

以上所述本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所作出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种分布式机器人控制系统，包括控制柜控制系统及机器人本体内部控制系统，其特征在于：所述控制柜控制系统包括核心控制器及模拟量采集模块；

所述核心控制器，用于调度分布式机器人控制系统的控制任务；

所述模拟量采集模块，用于采集外界模拟量信号，并发送给其他模块；

所述机器人本体内部控制系统包括电机、驱动器和转接板，所述驱动器与所述关节附近的传感器连接；

所述驱动器及转接板设置于所述机器人本体关节内部，且所述驱动器设置于所述转接板上，所述驱动器通过所述转接板完成对所述电机工作的控制；

所述核心控制器、所述安全功能模块、所述模拟量采集模块与所述机器人本体内部控制系统之间均采用Ethercat总线进行通信。

2.如权利要求1所述的分布式机器人控制系统，其特征在于，所述分布式机器人控制系统还包括人机交互平台，用于设置所述机器人的控制参数以及控制方式，并发送控制参数给所述核心控制器；

所述核心控制器接收所述控制参数，并执行相应的控制命令，调度分布式机器人控制系统的控制任务；

所述核心控制器发送反馈数据给所述人机交互平台，所述人机交互平台根据所述反馈数据显示所述机器人的控制状态。

3.如权利要求2所述的分布式机器人控制系统，其特征在于，所述人机交互平台与所述核心控制器采用以太网进行通信。

4.如权利要求1所述的分布式机器人控制系统，其特征在于，所述分布式机器人控制系统还包括用于分配电源的供电模块。

5.如权利要求1所述的分布式机器人控制系统，其特征在于，所述控制柜控制系统还包括安全功能模块，用于采集系统安全输入信号，判断系统安全状态，并输出安全的输出信号。

6.如权利要求5所述的分布式机器人控制系统，其特征在于，所述安全功能模块所采集的系统安全输入信号包括外部急停信号、上电/启动/暂停信号。

7.如权利要求1所述的分布式机器人控制系统，其特征在于，所述驱动器具有IO信号接口和模拟量接口、数字输出电路，所述IO信号接口和所述模拟量接口分别与关节附近的数字量传感器和模拟量传感器连接。

8.如权利要求7所述的分布式机器人控制系统，其特征在于，所述转接板包括隔离调理电路、抱闸电路及STO输出电路；

所述驱动器接收来自EtherCat总线的安全扭矩关断STO信号，通过所述数字输出电路控制所述隔离调理电路，再输出STO信号到驱动器中，从而控制所述驱动器安全扭矩的关断，以控制所述电机的电流。

9.如权利要求8所述的分布式机器人控制系统，其特征在于，所述驱动器的数字输出电路发送抱闸信号给所述隔离调理电路，所述隔离调理电路发送信号给所述抱闸电路，所述抱闸电路输出抱闸信号给所述电机，从而控制所述电机的抱闸动作。

10.如权利要求7所述的分布式机器人控制系统，其特征在于，所述驱动器还包括码盘接口，所述电机的码盘与所述驱动器的码盘接口连接，由所述驱动器对所述码盘解算后，通过EtherCat总线发送给核心控制器中。