CN109991930A - 一种一体化机器人驱动控制板卡及其控制方法、机器人 - Google Patents

一种一体化机器人驱动控制板卡及其控制方法、机器人 Download PDF

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Abstract

本发明提供的一体化机器人驱动控制板卡及其控制方法，采用具有ARM处理器和DSP处理器的双核处理器在一块控制板卡中实现机器人控制器、伺服驱动器、传感信号采集与处理、IO采集与处理等功能，双核处理器的ARM处理器用于机器人控制器的运动学、动力学、轨迹规划、运动插补等机器人控制功能；双核处理器的DSP处理器用于磁场定向控制、闭环控制、精插补等伺服控制功能；ARM和DSP处理器的片内外设和IO等接口用于传感器的信息采集以及IO采集等；双核之间的数据交换直接在共享的寄存器、片内RAM进行，不需要总线传输，提高了系统的稳定性和安全性。同时降低了系统成本，尤其适用轮式、床椅、无人机、自由度较少的机械臂等机器人系统，本发明还提供一种机器人。

Description

一种一体化机器人驱动控制板卡及其控制方法、机器人
技术领域
本发明涉及电机控制领域，特别涉及一种一体化机器人驱动控制板卡及其控制方法、机器人。
背景技术
传统的机器人控制系统主要包括机器人控制器和伺服驱动器两大核心控制部件。机器人控制器是影响机器人性能的关键部分之一，它根据指令以及传感信息控制机器人完成一定的动作或作业任务的装置，它是机器人的心脏，决定了机器人性能的优劣，由伺服驱动器和伺服电机组成伺服系统是机器人运动的执行部件，通过伺服电机的运动实现机器人各关节的运动，伺服系统的响应速度和控制精度直接决定了机器人的控制精度。
目前的机器人控制系统大多采用分布式总线结构，系统由一个机器人控制器和多个伺服驱动器组成，机器人控制器采用运算速度较快的处理器进行运动学、动力学、轨迹规划、运动插补等计算，而伺服驱动器常采用DSP高速数字信号处理器实现磁场定向控制、闭环控制、精插补等电机控制功能。
机器人控制器和多个伺服驱动器之间采用总线通信，常用的总线包括EtherCAT、CAN等工业总线。这种采用多个处理器分布式结构的机器人控制系统，便于实现复杂的控制算法，但处理器之间的信息交互需要通过总线实现，由此带来时钟难以准确同步、总线通信引入了信息传输过程中易受干扰影响，以及总线通讯系统故有的信息安全性等问题，给系统的稳定性和安全性带来了不利影响。同时，这种多处理器结构的机器人控制器和伺服驱动器，价格昂贵，提高了机器人整机的成本，也一定程度上限制了机器人的广泛应用。
发明内容
有鉴于此，本发明实施例提供了一种一体化机器人驱动控制板卡及其控制方法、机器人，双核之间的数据交换直接在共享的寄存器、片内RAM进行，不需要总线传输，提高了系统的稳定性和安全性。
第一方面，提供一种一体化机器人驱动控制板卡，包括集成设置的双核处理器及片内数据交换单元，所述双核处理器包括用于对机器人进行运动学、动力学、轨迹规划、运动插补计算的ARM处理器及用于对伺服电机进行磁场定向控制、闭环控制、精插补计算的DSP处理器，所述ARM处理器和所述DSP处理器与所述片内数据交换单元电连接。
可选地，所述片内数据交换单元为寄存器和/或随机存取存储器RAM。
可选地，还包括：
用于接收来自离线编程上位机或示教器的指令信息的以太网口，所述以太网口与所述控制器电性连接。
可选地，还包括：
用于读取惯性传感器或其他的SPI接口传感器信息的SPI接口，所述SPI接口与所述伺服驱动器电性连接；
用于读取多种串口传感器信息的SCI接口，所述SCI接口与所述伺服驱动器电性连接。
可选地，还包括：
用于接收或读取位置数据、速度数据、力数据的CAN接口，所述CAN接口与所述伺服驱动器电性连接
可选地，还包括：
用于与摄像机或激光传感器连接并读取视觉或激光传感信息的USB接口，所述USB接口与所述控制器电性连接。
可选地，还包括：
用于按键、指示灯的IO操作的GPIO接口，所述GPIO接口与所述控制器电性连接。
可选地，还包括：
用于采集伺服电机控制中的电流信号的AD模拟量采集接口；
用于伺服电机控制时将闭环控制的电压信号按PWM调制输出给伺服电机的PWM模块；
用于读取指示伺服电机位置的增量编码器信息的QEP正交编码接口。
第二方面，提供一种一体化机器人驱动控制板卡的处理方法，应用于上述的一体化机器人驱动控制板卡，所述方法包括ARM处理器的机器人控制方法及DSP处理器的伺服控制方法，其中，所述ARM处理器的机器人控制方法包括：
ARM处理器的机器人控制部分通过以太网口接收来自离线编程上位机或示教器的指令信息；
读取摄像机或激光传感器信息，然后进行视觉识别的位置计算和激光测距计算；
读取惯性传感器信息，并计算机器人的姿态信息；
通过GPIO检测用于表示按键或急停的输入信息，通过SCI检测串口传感器信息；
当I/O及SCI串口传感器信息无异常，则根据所述指令信息、所述位置信息和所述姿态信息为输入，进行运动学和轨迹/路径规划计算；
对轨迹/路径规划的位置或速度计算输出进行插补计算，插补计算的结果输出给DSP处理器的位置或速度控制部分；
计算机器人的动力学信息，用于模型补偿控制，模型补偿部分在DSP处理器的伺服控制部分实现；
将力控制的设定力输出给DSP处理器的力控制部分，力传感器的采集和力控制在DSP处理器中实现；
所述DSP处理器的伺服控制方法包括：
位置/速度控制的输入由ARM处理器的插补计算结果得到，与QEP正交编码接口读取的位置/速度反馈组成闭环系统，实现位置/速度的闭环控制；
力控制的输入由ARM处理器的设定力得到，与力传感器采集的力信息组成力闭环系统。力传感信息通过CAN接口读取，并经过滤波给到力闭环的反馈上，滤波算法采用电信的一阶低通滤波；
力闭环和位置闭环通过选择矩阵加到内部的电机控制上，选择矩阵互补且为对角矩阵，相应元素为1使能力闭环或位置闭环，相应元素为0禁止力闭环或位置闭环。
第三方面，提供一种机器人，具有上述的一体化机器人驱动控制板卡。
本发明提供的一体化机器人驱动控制板卡及其控制方法和机器人，采用具有ARM处理器和DSP处理器的双核处理器在一块控制板卡中实现机器人控制器、伺服驱动器、传感信号采集与处理、IO采集与处理等功能，双核处理器的ARM处理器用于机器人控制器的运动学、动力学、轨迹规划、运动插补等机器人控制功能；双核处理器的DSP处理器用于磁场定向控制、闭环控制、精插补等伺服控制功能；ARM处理器和DSP处理器的片内外设和IO等接口用于传感器的信息采集以及IO采集等；双核之间的数据交换直接在共享的寄存器、片内RAM进行，不需要总线传输，提高了系统的稳定性和安全性，也可以降低了系统成本。
附图说明
图1是本发明实施例中提供的一体化机器人驱动控制板卡的结构示意图；
图2是本发明实施例中提供的一体化机器人驱动控制板卡控制方法的控制逻辑图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的实施例能够以除了在这里图示或描述的内容以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
结合图1所示，提供一种一体化机器人驱动控制板卡，包括集成设置的双核处理器及片内数据交换单元，所述双核处理器包括用于对机器人进行运动学、动力学、轨迹规划、运动插补计算的ARM处理器及用于对伺服电机进行磁场定向控制、闭环控制、精插补计算的DSP处理器，所述ARM处理器和所述DSP处理器与所述片内数据交换单元电连接。
可选地，所述片内数据交换单元为寄存器和/或随机存取存储器RAM，RAM为双口RAM，ARM处理器可以通过双口RAM与所述DSP处理器进行数据交换。
可选地，还包括用于接收来自离线编程上位机或示教器的指令信息的以太网口，所述以太网口与所述控制器电性连接。
可选地，还包括用于读取惯性传感器或其他的SPI(Serial PeripheralInterface，串行外设接口)接口传感器信息的SPI接口，所述SPI接口与所述伺服驱动器电性连接；
用于读取多种串口传感器信息的SCI(Serial Communication Inter face，串行通信)接口，所述SCI接口与所述伺服驱动器电性连接。
可选地，还包括用于接收或读取位置数据、速度数据、力数据的CAN接口，所述CAN接口与所述伺服驱动器电性连接
可选地，还包括用于与摄像机或激光传感器连接并读取视觉或激光传感信息的USB接口，所述USB接口与所述控制器电性连接。
可选地，还包括用于按键、指示灯的IO操作的GPIO(General Purpose InputOutput，通用输入/输出)接口，所述GPIO接口与所述控制器电性连接。
可选地，还包括用于采集伺服电机控制中的电流信号的AD模拟量采集接口；
用于伺服电机控制时将闭环控制的电压信号按PWM调制输出给伺服电机的PWM模块；
用于读取指示伺服电机位置的增量编码器信息的QEP正交编码接口。
可选地，双核处理器可以采用TI公司F28M35处理器，其中ARM Cortex-M3内核与DSP C28x内核结合到一个器件之上，实现了连接和控制一体化，ARM处理器Cortex-M3内核频率为100MHz，DSP处理器C28x频率为150MHz，具有以太网、USB、CAN、UART、SPI、I2C、PWM、AD、QEP、CAP等丰富的接口，尤其适用于电机控制和电源监控、传感与DSP滤波和处理、数字电源独立多环路控制等实时控制领域。
本发明提供的一体化机器人驱动控制板卡，采用具有ARM处理器和DSP处理器的双核处理器在一块控制板卡中实现机器人控制器、伺服驱动器、传感信号采集与处理、IO采集与处理等功能。双核处理器的ARM处理器用于机器人控制器的运动学、动力学、轨迹规划、运动插补等机器人控制功能；双核处理器的DSP处理器用于磁场定向控制、闭环控制、精插补等伺服控制功能；ARM处理器和DSP处理器的片内外设和IO等接口用于传感器的信息采集以及IO采集，双核之间的数据交换直接在共享的寄存器、片内RAM进行，不需要总线传输，提高了系统的稳定性和安全性。同时，一体化的双核控制与驱动装置大大降低了系统成本，尤其适用轮式、床椅、无人机、自由度较少的机械臂等机器人系统。
对应地，针对本发明中一体化机器人驱动控制板卡的控制方法，包括ARM处理器的机器人控制和DSP处理器的伺服控制两部分。
ARM处理器的机器人控制部分包括：
S1、ARM处理器的机器人控制部分通过以太网口接收来自离线编程上位机或示教器的指令信息；
S2、若所控制机器人具有视觉摄像机或激光传感器，则读取摄像机或激光传感器信息，然后进行视觉识别的位置计算和激光测距计算；
S3、若所控制机器人具有惯性传感器，则读取惯性传感器信息，并计算机器人的姿态信息；
S4、通过GPIO接口检测按键、急停等输入信息，通过SCI接口检测其他串口传感器信息；
S5、若输入输出IO及SCI串口传感器信息无异常，则根据S1、S2、S3的指令信息、位置信息和姿态信息为输入，进行运动学和轨迹/路径规划计算；
S6、对轨迹/路径规划的位置或速度计算输出进行插补计算，插补计算的结果输出给DSP处理器的位置或速度控制部分。
S7、计算机器人的动力学信息，用于模型补偿控制，模型补偿部分在DSP处理器的伺服控制部分实现，基于动力学的模型计算公式为：
S8、若所控制机器人具有力控制功能，则将力控制的设定力Fd输出给DSP处理器的力控制部分，力传感器的采集和力控制在DSP处理器中实现。
结合图2所示，DSP处理器的伺服控制部分包括位置/速度控制和力控制两部分：
位置/速度控制的输入xd或由ARM处理器的插补计算结果得到，与QEP正交编码接口读取的位置/速度反馈组成闭环系统，实现位置/速度的闭环控制。xd是插补计算输出的位置，是插补计算输出的速度。x是机器人实际的位置，是机器人实际的速度。
力控制的输入Fd由ARM处理器的设定力得到，与力传感器采集的力信息组成力闭环系统。力传感信息通过CAN接口读取，并经过滤波给到力闭环的反馈上，滤波算法采用电信的一阶低通滤波。
力闭环和位置闭环通过选择矩阵S和S′加到内部的电机控制上，选择矩阵S和S′互补且为对角矩阵，相应元素为1使能力闭环或位置闭环，相应元素为0禁止力闭环或位置闭环。
ARM处理器的动力学的模型计算输出通过模型补偿加在DSP处理器的伺服控制部分，摩擦补偿后的转矩信息τ通过PWM接口输出给电机实现运动控制。
本发明提供的一体化机器人驱动控制板卡，采用具有ARM处理器和DSP处理器的双核处理器在一块控制板卡中实现机器人控制器、伺服驱动器、传感信号采集与处理、IO采集与处理等功能，双核处理器的ARM处理器用于机器人控制器的运动学、动力学、轨迹规划、运动插补等机器人控制功能；双核处理器的DSP处理器用于磁场定向控制、闭环控制、精插补等伺服控制功能；ARM和DSP处理器的片内外设和IO等接口用于传感器的信息采集以及IO采集等；双核之间的数据交换直接在共享的寄存器、片内RAM进行，不需要总线传输，提高了系统的稳定性和安全性。同时降低了系统成本，尤其适用轮式、床椅、无人机、自由度较少的机械臂等机器人系统。
本发明提供一种机器人，具有上述的一体化机器人驱动控制板卡，采用上述提供的一体化机器人驱动控制板卡，可以提高了系统的稳定性和安全性。同时降低了系统成本，尤其适用轮式、床椅、无人机、自由度较少的机械臂等机器人系统。
所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统，装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统，装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。
所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。
本领域普通技术人员可以理解上述实施例的各种方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，该程序可以存储于一计算机可读存储介质中，存储介质可以包括：只读存储器(ROM，Read Only Memory)、随机存取存储器(RAM，RandomAccess Memory)、磁盘或光盘等。
以上对本发明所提供的一种一体化机器人驱动控制板卡及其控制方法、机器人进行了详细介绍，对于本领域的一般技术人员，依据本发明实施例的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种一体化机器人驱动控制板卡，其特征在于，包括集成设置的双核处理器及片内数据交换单元，所述双核处理器包括用于对机器人进行运动学、动力学、轨迹规划、运动插补计算的ARM处理器及用于对伺服电机进行磁场定向控制、闭环控制、精插补计算的DSP处理器，所述ARM处理器和所述DSP处理器与所述片内数据交换单元电连接。
2.根据权利要求1所述的一体化机器人驱动控制板卡，其特征在于，所述片内数据交换单元为寄存器和/或随机存取存储器RAM。
3.根据权利要求1所述的一体化机器人驱动控制板卡，其特征在于，还包括：
用于接收来自离线编程上位机或示教器的指令信息的以太网口，所述以太网口与所述ARM处理器电性连接。
4.根据权利要求1所述的一体化机器人驱动控制板卡，其特征在于，还包括：
用于读取惯性传感器或其他的SPI接口传感器信息的SPI接口，所述SPI接口与所述DSP处理器电性连接；
用于读取多种串口传感器信息的SCI接口，所述SCI接口与所述DSP处理器电性连接。
5.根据权利要求1所述的一体化机器人驱动控制板卡，其特征在于，还包括：
用于接收或读取位置数据、速度数据、力数据的CAN接口，所述CAN接口与所述DSP处理器电性连接。
6.根据权利要求1所述的一体化机器人驱动控制板卡，其特征在于，还包括：
用于与摄像机或激光传感器连接并读取视觉或激光传感信息的USB接口，所述USB接口与所述ARM处理器电性连接。
7.根据权利要求1所述的一体化机器人驱动控制板卡，其特征在于，还包括：
用于按键、指示灯的IO操作的GPIO接口，所述GPIO接口与所述ARM处理器电性连接。
8.根据权利要求1所述的一体化机器人驱动控制板卡，其特征在于，还包括：
用于采集伺服电机控制中的电流信号的AD模拟量采集接口；
用于伺服电机控制时将闭环控制的电压信号按PWM调制输出给伺服电机的PWM模块；
用于读取指示伺服电机位置的增量编码器信息的QEP正交编码接口。
9.一种一体化机器人驱动控制板卡的处理方法，其特征在于，应用于如权利要求1至8中任一项所述的一体化机器人驱动控制板卡，所述方法包括ARM处理器的机器人控制方法及DSP处理器的伺服控制方法，其中，所述ARM处理器的机器人控制方法包括：
ARM处理器的机器人控制部分通过以太网口接收来自离线编程上位机或示教器的指令信息；
读取摄像机或激光传感器信息，然后进行视觉识别的位置计算和激光测距计算；
读取惯性传感器信息，并计算机器人的姿态信息；
通过GPIO检测用于表示按键或急停的输入信息，通过SCI检测串口传感器信息；
当I/O及SCI串口传感器信息无异常，则根据所述指令信息、所述位置信息和所述姿态信息为输入，进行运动学和轨迹/路径规划计算；
对轨迹/路径规划的位置或速度计算输出进行插补计算，插补计算的结果输出给DSP处理器的位置或速度控制部分；
计算机器人的动力学信息，用于模型补偿控制，模型补偿部分在DSP处理器的伺服控制部分实现；
将力控制的设定力输出给DSP处理器的力控制部分，力传感器的采集和力控制在DSP处理器中实现；
所述DSP处理器的伺服控制方法包括：
位置/速度控制的输入由ARM处理器的插补计算结果得到，与QEP正交编码接口读取的位置/速度反馈组成闭环系统，实现位置/速度的闭环控制；
力控制的输入由ARM处理器的设定力得到，与力传感器采集的力信息组成力闭环系统。力传感信息通过CAN接口读取，并经过滤波给到力闭环的反馈上，滤波算法采用电信的一阶低通滤波；
力闭环和位置闭环通过选择矩阵加到内部的电机控制上，选择矩阵互补且为对角矩阵，相应元素为1使能力闭环或位置闭环，相应元素为0禁止力闭环或位置闭环。
10.一种机器人，其特征在于，具有如权利要求1至8中任一项所述的一体化机器人驱动控制板卡。
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