CN107991941B - 一种mechatrolink‐ⅱ总线型驱动控制系统 - Google Patents

Abstract

一种MECHATROLINK‐Ⅱ总线型驱动控制系统，包括：全向移动平台模块，驱动控制器模块，无线通讯模块，拼接锁定执行模块、测量监测模块和手持器。所述驱动控制器模块作为核心，通过无线通讯模块接收手持器的遥控指令，根据指令信息解析全向移动平台模块和拼接锁定执行模块各个电机的转速和方向，实现全向移动平台模块的全向移动控制和拼接锁定执行模块的拼接锁定与解锁功能。本发明的MECHATROLINK‐Ⅱ总线型驱动控制系统允许多全向移动平台组合拼接使用，极大的扩展了全向移动平台使用的灵活性和承载能力，且本发明适应于数控机床等多轴协同控制领域，具有非常广泛的应用和推广价值。

Description

一种MECHATROLINK‐Ⅱ总线型驱动控制系统

技术领域

本发明涉及机械工程、电子工程领域，更具体的，涉及一种MECHATROLINK‐Ⅱ总线型驱动控制系统。

背景技术

在传统伺服驱动控制系统中，运动控制器与伺服驱动器之间通信往往采用脉冲或模拟量的控制方式，由于接口简单、开放性好被国内外广为接受，但在高速、高精度控制领域存在的问题较多：

1、该系统为开环系统，通讯速度慢，且只能单向传输控制信号，控制器无法获取被控对象的状态信息；

2、随着系统复杂度增加，传统控制方式严重占用控制器计数器等硬件资源，且控制线缆较多，抗干扰能力减弱，复杂系统中可控电机数量扩展难度大，严重制约了产品的功能和承载能力。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种MECHATROLINK‐Ⅱ总线型驱动控制系统，解决现有技术中通讯速度慢、精度差、可控电机轴数扩展难度大等问题，该控制系统可满足单个全向移动平台的多轮高精度、高度协同控制和双移动平台系统在拼接状态下高精度协同工作，为全向移动平台的高精度定位和大尺寸、重载荷产品的自动化转运提供了一种可靠的技术途径，具有较好的应用推广价值。

本发明所采用的技术方案是：一种MECHATROLINK‐Ⅱ总线型驱动控制系统，包括全向移动平台模块、驱动控制器模块、无线通讯模块、拼接锁定执行模块和手持器；

驱动控制器模块安装在全向移动平台模块上，与无线通讯模块连接，与全向移动平台模块中的各个电机的驱动器、拼接锁定执行模块中的各个电机的驱动器串行连接；驱动控制器模块根据手持器发送的遥控指令信息解算出全向移动平台模块及拼接锁定执行模块中的各个电机的转速和方向；

手持器通过无线通讯模块将遥控指令发到驱动控制器模块，手持器控制全向移动平台模块在平面内沿任意曲线移动，控制拼接锁定执行模块的拼接锁定与解锁动作；

无线通讯模块实现手持器与驱动控制器模块之间的指令传输。

所述全向移动平台模块为N个移动平台，每个移动平台包括四个、八个、十二个或十六个麦克纳姆轮，急停装置，车架；车架底部安装麦克纳姆轮，麦克纳姆轮用于实现移动平台在平面内沿任意曲线移动；急停装置安装在车架上，用于切断移动平台的电源；相邻的移动平台通过拼接电缆连接，拼接电缆支持相邻的移动平台之间不小于50m的拼接；N为正整数。

所述的N≥2时，所述MECHATROLINK‐Ⅱ总线型驱动控制系统还包括测量监测模块，测量监测模块监测相邻两移动平台之间的距离，将监测到的距离值传输至驱动控制器模块；驱动控制器模块根据距离值信息判断相邻两移动平台是否处于设定的安全距离范围内。

所述测量监测模块包括两个激光测距传感器，安装在相邻两移动平台之间，实时测量相邻两移动平台之间的距离。

所述驱动控制器模块为基于MECHATROLINK‐II总线的驱动控制器；包括为MECHATROLINK‐II总线芯片、ARM芯片、串口芯片、晶振芯片、CAN总线芯片；

串口芯片通过串口接收无线通讯模块传输的遥控指令，将遥控指令信息发送至ARM芯片；遥控指令包括全向移动平台模块的速度信息、行驶角度信息、工作模式信息、相邻两移动平台之间的距离值信息、拼接锁定执行模块锁定/解锁信息、急停信息；

ARM芯片接收遥控指令，解算出全向移动平台模块及拼接锁定执行模块中的各个电机的转速和方向，将转速和方向信息发送至MECHATROLINK‐II总线芯片；ARM芯片接收CAN总线芯片发送的相邻两移动平台之间的距离值信息，根据距离值信息，判断相邻两移动平台是否处于设定的安全距离范围内：如果相邻两移动平台的距离值超出安全距离范围，则向MECHATROLINK‐II总线芯片发送停车指令；

MECHATROLINK‐II总线芯片通过总线接口将转速和方向信息发送至全向移动平台模块及拼接锁定执行模块的各电机的驱动器；MECHATROLINK‐II总线芯片接收ARM芯片发送的停车指令，将停车指令发送至全向移动平台模块及拼接锁定执行模块的各电机的驱动器；

CAN总线芯片通过CAN总线接口接收测量监测模块发送的相邻两移动平台之间的距离值，将距离值信息发送至ARM芯片；

晶振芯片为ARM芯片提供时钟信息。

所述无线通讯模块与手持器成对配套使用，采用433MHz频段无线通讯，无线通讯模块安装在全向移动平台模块上，用于手持器与全向移动平台模块无线通讯。

所述拼接锁定执行模块包括两个带电机的锁定装置，在锁定装置上有限位开关；当手持器发送拼接锁定执行模块锁定信息至驱动控制器模块时，电机带动锁定装置实现相邻两移动平台之间的锁定；当发送拼接锁定执行模块解锁信息至驱动控制器模块时，电机带动锁定装置实现相邻两移动平台之间的解锁。

所述手持器包括具有速度调节的开关量摇杆和具有0～360°方向平移调节、旋转调节的方向摇杆；通过开关量摇杆、方向摇杆发送遥控指令，控制全向移动平台模块中的任意一个移动平台单独移动或所有移动平台的整体移动，控制拼接锁定执行模块实现锁定和解锁及设定相邻两移动平台之间的安全距离值。

所述手持器还包括显示屏，用于显示全向移动平台模块运行状态和报警信息；全向移动平台模块运行状态包括全向移动平台模块的速度信息、行驶角度信息、工作模式信息、相邻两移动平台之间的距离值信息、拼接锁定执行模块锁定/解锁信息，报警信息包括全向移动平台模块、拼接锁定执行模块中各电机驱动器的故障代码。

所述驱动控制器模块还包括电源模块，电源模块为MECHATROLINK‐II总线芯片、ARM芯片、串口芯片、晶振芯片、CAN总线芯片供电。

本发明与现有技术相比的优点在于：

1、本发明采用高速双向通讯技术，具有传输速度快、信息内容丰富的特点，控制器可实时获取电机驱动器的状态和报警信息，适用于高速、高精度的闭环控制系统，解决了现有技术中通讯速度慢以及无法获取被控对象状态信息的问题。

2、本发明采用串行电缆连接方式，具有线缆布局简单、带载和抗干扰能力强的特点，能够满足复杂多轴控制系统，解决了现有技术中控制信号易受干扰，系统可控电机轴数少导致全向移动平台承载能力弱、功能单一的问题。

3、本发明所开发的总线型驱动控制器采用处理器和专用总线芯片相结合的方式，通过数据总线和地址总线实现高速的数据传输，解决现有技术中对控制器硬件计数器、AD/DA采集芯片资源占用严重的问题。

附图说明

图1表示本发明的MECHATROLINK‐II总线型驱动控制系统示意图；

图2表示本发明的MECHATROLINK‐II总线型驱动控制器示意图；

图3表示本发明的单个全向移动平台MECHATROLINK‐II总线型驱动控制系统原理图；

图4表示本发明的双移动平台MECHATROLINK‐II总线型驱动控制系统原理图；

图5表示本发明的MECHATROLINK总线型驱动控制系统工作流程。

具体实施方式

本发明提出了一种MECHATROLINK‐II总线型驱动控制系统，通过手持器向全向移动平台的无线模块发送遥控指令并接收、显示平台状态信息、报警信息。驱动控制器通过接收无线通讯模块获取的遥控指令信息后进行解析，将手持器遥控指令中速度信息和角度信息解算成全向移动平台模块和拼接锁定执行模块中各个电机的转速和方向，由MECHATROLINK‐II总线接口将数据发送至各个电机驱动器，同时采集各个电机驱动器的状态和报警信息，并通过无线通讯模块回传给手持器，解决了现有产品中通讯速率慢、控制精度差、全向移动平台轴数少、承载低、功能单一的问题，提高了全向移动平台的可控轴数和通讯速度，实现了系统的双向数据通讯，具有较好的应用推广价值。

目前该系统已经在单移动平台4轮、单移动平台8轮、单移动平台12轮和单移动平台16轮产品上进行了技术验证，并均取得了良好应用效果，同时，利用该系统成功开发了双移动平台4轮、双移动平台8轮和双移动平台12轮产品，双移动平台拼接距离可根据载荷尺寸由0‐50米可任意调节，双移动平台协同控制精度达到±5mm，已有多台套产品交付用户。

MECHATROLINK‐II总线型驱动控制系统不仅提高了全向移动平台模块承载能力，同时该控制系统可推广应用于数字机床、印刷设备和多关节机器人等多轴设备控制领域，具有非常广泛的应用和推广空间。

下面结合附图对本发明进行详细说明。如图1所示，本发明的一种MECHATROLINK‐II总线型驱动控制系统包括：全向移动平台模块，驱动控制器模块7，无线通讯模块4，拼接锁定执行模块6、测量监测模块11和手持器5。驱动控制器模块7为基于MECHATROLINK‐II总线的驱动控制器。

驱动控制器模块7安装在全向移动平台模块上，通过串口RS232与无线通讯模块4连接，通过MECHATROLINK‐II总线接口与全向移动平台模块和拼接锁定执行模块6中各个电机的驱动器串行连接。手持器5通过无线通讯模块4将手持器遥控指令发到驱动控制器模块7，驱动控制器模块7根据手持器遥控指令信息解算出全向移动平台模块和拼接锁定执行模块6中各个电机的转速和方向，实现全向移动平台模块在平面内沿任意曲线移动和拼接锁定执行模块6的拼接锁定与解锁动作。

全向移动平台模块可以是四个、八个、十二个、十六个麦克纳姆轮组成的单个移动平台或双移动平台，其中，双移动平台由主移动平台1和副移动平台2组成，在双移动平台系统中驱动控制器模块7分别安装在主移动平台1上和副移动平台2上，主移动平台1和副移动平台2通过拼接电缆3连接，拼接电缆最远可支持双移动平台0‐50m的远距离拼接。全向移动平台模块可以实现平面内前进、后退、斜行、零半径回转功能，在平台四周设置由急停装置8，可控制双车断电，配置有操作面板9，该面板可提供开关机、工作状态切换等按键和电量显示。

如图2～图4所示，驱动控制器模块7具有4路24V开关量输出能力、8路24V开关量接收能力、2路RS232串口通信能力、2路CAN总线通信能力、JTAG接口，支持ARM程序重新编写和在线调试和ISP接口，可通过UART0对ARM芯片程序擦除和重新编写功能；该控制器采用ARM作为处理器，设计开发了MECHATROLINK‐Ⅱ总线接口，具有30轴电机控制能力。驱动控制器模块7作为控制核心，可通过无线通讯模块接收手持器的遥控指令，根据速度和行驶角度指令信息解析出全向移动平台模块和拼接锁定执行模块6各个电机的转速和方向，实现全向移动平台模块的全向移动控制和拼接锁定执行模块6的拼接锁定与解锁功能。

驱动控制器模块7为基于MECHATROLINK‐II总线的驱动控制器；包括为MECHATROLINK‐II总线芯片、ARM芯片、串口芯片、晶振芯片、CAN总线芯片、电源模块；

串口芯片通过串口接收无线通讯模块4传输的遥控指令，将遥控指令信息发送至ARM芯片；

ARM芯片接收遥控指令，解算出全向移动平台模块及拼接锁定执行模块6中的各个电机的转速和方向，将转速和方向信息发送至MECHATROLINK‐II总线芯片；ARM芯片接收CAN总线芯片发送的相邻两移动平台之间的距离值信息，根据距离值信息，判断相邻两移动平台是否处于设定的安全距离范围内：如果相邻两移动平台的距离值超出安全距离范围，则向MECHATROLINK‐II总线芯片发送停车指令；

MECHATROLINK‐II总线芯片通过总线接口将转速和方向信息发送至全向移动平台模块及拼接锁定执行模块6的各电机的驱动器；MECHATROLINK‐II总线芯片接收ARM芯片发送的停车指令，将停车指令发送至全向移动平台模块及拼接锁定执行模块6的各电机的驱动器；

CAN总线芯片通过CAN总线接口接收测量监测模块11发送的相邻两移动平台之间的距离值，将距离值信息发送至ARM芯片；

晶振芯片为ARM芯片提供时钟信息；电源模块为MECHATROLINK‐II总线芯片、ARM芯片、串口芯片、CAN总线芯片供电。

无线通讯模块4与手持器配套使用，采用433MHz频段无线通讯，安装在全向移动平台模块上，用于手持器5与全向移动平台模块无线通讯使用，通讯内容含速度信息、行驶角度信息、工作模式信息、相邻两移动平台之间的距离值信息、拼接锁定执行模块6锁定/解锁信息、急停信息以及全向移动平台模块运行状态和报警信息。手持器5包括显示屏，用于显示全向移动平台模块运行状态(包括全向移动平台模块的速度信息、行驶角度信息、工作模式信息、相邻两移动平台之间的距离值信息、拼接锁定执行模块6锁定/解锁信息)和报警信息。

拼接锁定执行模块6由两个带电机的挂钩组成，在挂钩根部有上下限位开关，当执行短距离拼接锁定时，电机带动挂钩转动，直至挂钩与副移动平台2横梁接触并触发下限位，下限位触发后挂钩电机停止动作并启动抱闸自锁，当接收到解锁指令后，解除抱闸并启动电机将挂钩抬起，直至触发上限位，上限位触发后电机停止动作并启动抱闸。

测量监测模块11由两个激光测距传感器组成，安装在主移动平台1后端，可实时测量主移动平台1后端面和副移动平台2前端面之间距离。在双移动平台拼接工作模式下该测量监测模块11处于工作状态，实时测量双移动平台之间的间距，并上传至驱动控制器模块7，驱动控制器通过比对设置的拼接距离与实测值进行安全状态监控，当实测值超出设置的拼接距离范围时，驱动控制器向全向移动平台模块和拼接锁定执行模块6中各电机驱动器发送停车指令。

手持器5具有速度调节的开关量摇杆和0‐360°方向平移、旋转的方向摇杆，具有主车/副车/拼接三种工作模式选择功能；在拼接模式下具有控制拼接锁定执行模块6实现拼接锁定和解锁功能；针对远距离拼接时提供拼接距离设置功能；安装有与移动平台模块配对好的无线通讯模块，可向移动平台模块发送遥控指令；安装有液晶屏，可显示移动平台模块的状态和报警信息。双移动平台拼接时，可由手持器在相应工作模式下控制双移动平台实现全向移动，或单独控制主移动平台1、副移动平台2实现平面内全向移动功能。

如图5所示，表示本发明实施例所述的MECHATROLINK总线型驱动控制系统工作流程，步骤如下：

(1)将有线拼接电缆分别连接到两辆全向移动平台的主副移动平台之间；

(2)将主副移动平台的控制面板上工作状态旋钮打到“拼接”工作模式，然后将主副移动平台开机、上电；

(3)将手持器操作面板上工作模式旋钮打到“主车”工作模式，调整手持器速度摇杆至合适速度档位，操作手持器方向摇杆控制主移动平台与副移动平台靠近，直至双移动平台短拼接锁定机构相互靠近，双移动平台距离值为0，满足短拼接锁定条件；

(4)将手持器操作面板工作模式旋钮打到“拼接”工作模式，操作手持器“锁定”按钮，控制主副移动平台之间的锁定机构完成短拼接锁定；

(5)短拼接锁定后，操作手持器速度摇杆至合适档位，操作手持器方向摇杆控制双移动平台在短拼接下协同移动；

(6)在载荷尺寸较大，主副移动平台短拼接无法完成转运时，需要使用远距离拼接，此时保留手持器“拼接”工作模式，操作手持器“解锁”按钮，控制主副移动平台短拼接锁定机构解锁；

(7)将手持器操作面板工作模式旋钮打到“主车”模式，调整手持器速度摇杆至合适档位，操作方向摇杆控制主移动平台与副移动平台分离，双移动平台距离以满足载荷尺寸为准(50米及内)；

(8)将手持器操作面板工作模式打到“拼接”，调整速度摇杆至合适档位，操作手持器方向摇杆控制主副移动平台在远拼接模式下协同移动，完成载荷转运。

本发明未详细说明部分属于本领域技术人员公知技术。

Claims (7)

1.一种MECHATROLINK-Ⅱ总线型驱动控制系统，其特征在于，包括全向移动平台模块、驱动控制器模块(7)、无线通讯模块(4)、拼接锁定执行模块(6)和手持器(5)；

驱动控制器模块(7)安装在全向移动平台模块上，与无线通讯模块(4)连接，与全向移动平台模块中的各个电机的驱动器、拼接锁定执行模块(6)中的各个电机的驱动器串行连接；驱动控制器模块(7)根据手持器(5)发送的遥控指令信息解算出全向移动平台模块及拼接锁定执行模块(6)中的各个电机的转速和方向；

手持器(5)通过无线通讯模块(4)将遥控指令发到驱动控制器模块(7)，手持器(5)控制全向移动平台模块在平面内沿任意曲线移动，控制拼接锁定执行模块(6)的拼接锁定与解锁动作；

无线通讯模块(4)实现手持器(5)与驱动控制器模块(7)之间的指令传输；

所述全向移动平台模块为N个移动平台，每个移动平台包括四个、八个、十二个或十六个麦克纳姆轮，急停装置(8)，车架；车架底部安装麦克纳姆轮，麦克纳姆轮用于实现移动平台在平面内沿任意曲线移动；急停装置(8)安装在车架上，用于切断移动平台的电源；相邻的移动平台通过拼接电缆(3)连接，拼接电缆(3)支持相邻的移动平台之间不小于50m的拼接；N为正整数；

所述拼接锁定执行模块(6)包括两个带电机的锁定装置，在锁定装置上有限位开关；当手持器(5)发送拼接锁定执行模块(6)锁定信息至驱动控制器模块(7)时，电机带动锁定装置实现相邻两移动平台之间的锁定；当发送拼接锁定执行模块(6)解锁信息至驱动控制器模块(7)时，电机带动锁定装置实现相邻两移动平台之间的解锁；

所述手持器(5)具有主车、副车、拼接三种工作模式，所述手持器(5)包括具有速度调节的开关量摇杆和具有0～360°方向平移调节、旋转调节的方向摇杆；通过开关量摇杆、方向摇杆发送遥控指令，控制全向移动平台模块中的任意一个移动平台单独移动或所有移动平台的整体移动，控制拼接锁定执行模块(6)实现锁定和解锁及设定相邻两移动平台之间的安全距离值。

2.根据权利要求1所述的一种MECHATROLINK-Ⅱ总线型驱动控制系统，其特征在于：所述的N≥2时，所述MECHATROLINK-Ⅱ总线型驱动控制系统还包括测量监测模块(11)，测量监测模块(11)监测相邻两移动平台之间的距离，将监测到的距离值传输至驱动控制器模块(7)；驱动控制器模块(7)根据距离值信息判断相邻两移动平台是否处于设定的安全距离范围内。

3.根据权利要求2所述的一种MECHATROLINK-Ⅱ总线型驱动控制系统，其特征在于：所述测量监测模块(11)包括两个激光测距传感器，安装在相邻两移动平台之间，实时测量相邻两移动平台之间的距离。

4.根据权利要求1或2所述的一种MECHATROLINK-Ⅱ总线型驱动控制系统，其特征在于：所述驱动控制器模块(7)为基于MECHATROLINK-II总线的驱动控制器；包括为MECHATROLINK-II总线芯片、ARM芯片、串口芯片、晶振芯片、CAN总线芯片；

串口芯片通过串口接收无线通讯模块(4)传输的遥控指令，将遥控指令信息发送至ARM芯片；遥控指令包括全向移动平台模块的速度信息、行驶角度信息、工作模式信息、相邻两移动平台之间的距离值信息、拼接锁定执行模块(6)锁定/解锁信息、急停信息；

ARM芯片接收遥控指令，解算出全向移动平台模块及拼接锁定执行模块(6)中的各个电机的转速和方向，将转速和方向信息发送至MECHATROLINK-II总线芯片；ARM芯片接收CAN总线芯片发送的相邻两移动平台之间的距离值信息，根据距离值信息，判断相邻两移动平台是否处于设定的安全距离范围内：如果相邻两移动平台的距离值超出安全距离范围，则向MECHATROLINK-II总线芯片发送停车指令；

MECHATROLINK-II总线芯片通过总线接口将转速和方向信息发送至全向移动平台模块及拼接锁定执行模块(6)的各电机的驱动器；MECHATROLINK-II总线芯片接收ARM芯片发送的停车指令，将停车指令发送至全向移动平台模块及拼接锁定执行模块(6)的各电机的驱动器；

CAN总线芯片通过CAN总线接口接收测量监测模块(11)发送的相邻两移动平台之间的距离值，将距离值信息发送至ARM芯片；

晶振芯片为ARM芯片提供时钟信息。

5.根据权利要求4所述的一种MECHATROLINK-Ⅱ总线型驱动控制系统，其特征在于：所述无线通讯模块(4)与手持器(5)成对配套使用，采用433MHz频段无线通讯，无线通讯模块(4)安装在全向移动平台模块上，用于手持器(5)与全向移动平台模块无线通讯。

6.根据权利要求5所述的一种MECHATROLINK-Ⅱ总线型驱动控制系统，其特征在于：所述手持器(5)还包括显示屏，用于显示全向移动平台模块运行状态和报警信息；全向移动平台模块运行状态包括全向移动平台模块的速度信息、行驶角度信息、工作模式信息、相邻两移动平台之间的距离值信息、拼接锁定执行模块(6)锁定/解锁信息，报警信息包括全向移动平台模块、拼接锁定执行模块(6)中各电机驱动器的故障代码。

7.根据权利要求4所述的一种MECHATROLINK-Ⅱ总线型驱动控制系统，其特征在于：所述驱动控制器模块(7)还包括电源模块，电源模块为MECHATROLINK-II总线芯片、ARM芯片、串口芯片、晶振芯片、CAN总线芯片供电。

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