CN110936381A - 一种机器人控制装置及机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种机器人控制装置及机器人，该装置包括：SOC主控板、驱动板和电源板；其中，SOC主控板，包括：SOC芯片和接口单元；SOC芯片，内置有双ARM核的FPGA，用于向驱动板发送驱动信号，并接收驱动板反馈的机器人的电机的运行数据和/或报警数据；驱动板，用于根据SOC主控板发送的驱动信号，驱动机器人的电机运行；并将机器人的电机的运行数据和/或报警数据反馈给SOC主控板；电源板，用于为SOC主控板和驱动板供电。本发明的方案，可以解决驱控一体控制方案由于整体硬件复杂度高从而导致开发难度大的问题，达到降低开发难度的效果。

Description

一种机器人控制装置及机器人

技术领域

本发明属于机器人技术领域，具体涉及一种机器人控制装置及机器人，尤其涉及一种SCARA驱控一体控制器、以及具有该SCARA驱控一体控制器的机器人。

背景技术

经过多年的发展，机器人控制方案从最开始的基于脉冲指令型控制方案、总线型控制方案，再到如今兴起的驱控一体控制方案，机器人控制器逐渐朝体积小、成本低、性能好、易于二次开发等方向发展。

但就驱控一体控制方案而言，至少存在整体硬件复杂度高从而导致开发难度大的问题。

上述内容仅用于辅助理解本发明的技术方案，并不代表承认上述内容是现有技术。

发明内容

本发明的目的在于，针对上述缺陷，提供一种机器人控制装置及机器人，以解决驱控一体控制方案由于整体硬件复杂度高从而导致开发难度大的问题，达到降低开发难度的效果。

本发明提供一种机器人控制装置，包括：SOC主控板、驱动板和电源板；其中，SOC主控板，包括：SOC芯片和接口单元；SOC芯片，内置有双ARM核的FPGA，用于向驱动板发送驱动信号，并接收驱动板反馈的机器人的电机的运行数据和/或报警数据；驱动板，用于根据SOC主控板发送的驱动信号，驱动机器人的电机运行；并将机器人的电机的运行数据和/或报警数据反馈给SOC主控板；电源板，用于为SOC主控板和驱动板供电。

可选地，双ARM核的FPGA，包括：双ARM核单元和FPGA单元，双ARM核单元和FPGA单元互连；其中，双ARM核单元，包括：第一ARM核模块和第二ARM核模块，第一ARM核模块和第二ARM核模块之间互连；第一ARM核模块，用于实现机器人的伺服位置环和/或机器人的速度环的算法处理；第二ARM核模块，用于实现机器人的示教器显示单元的驱动控制和运动控制的算法处理；FPGA单元，用于实现机器人的电流环控制和运行逻辑处理。

可选地，其中，双ARM核单元采用分布式硬件架构；和/或，双ARM核单元和FPGA单元之间通过AXI bridge实现通信。

可选地，接口单元，包括：示教器接口模块、以太网接口模块、IO接口模块、AD接口模块、IO扩展接口模块、AD扩展接口模块、和/或外设接口模块；其中，示教器接口模块，用于连接机器人的示教器显示单元；以太网接口模块，用于连接机器人的以太网单元；以太网单元包括视觉模块、总线扩展模块、和/或信息化模块；IO接口模块，用于连接机器人的IO模块；AD接口模块，用于连接机器人的AD模块；IO接口扩展模块，用于连接机器人的IO扩展模块；AD接口扩展模块，用于连接机器人的AD扩展模块；外设接口模块，用于连接机器人的外部设备。

可选地，驱动板，采用伺服驱动板；伺服驱动板，与电源板之间共用直流母线。

可选地，伺服驱动板，包括：IPM模块，IPM模块的驱动电路，以及IPM模块的采样电路；其中，IPM模块的数量为一个以上；一个以上的IPM模块的驱动电路，集成设置。

可选地，电源板，包括：滤波模块、整流模块、储能模块和/或电压转换模块；其中，滤波模块，用于对交流电源的输出电流、和/或整流模块的输出电流进行滤波处理；整流模块，用于对交流电源的输出电流进行整流处理；储能模块，用于对机器人的直流母线电源进行稳压和/或滤波处理；电压转换模块，用于对机器人的直流母线电源进行电压转换处理。

与上述装置相匹配，本发明再一方面提供一种机器人，包括：以上所述的机器人控制装置。

本发明的方案，通过采用单个SOC芯片作为主CPU，实现示教控制、运动控制、电机驱动控制，在集成示教控制、运动控制、驱动控制的基础上，降低整体控制器的CPU复杂度，降低硬件开发的难度。

进一步，本发明的方案，通过采用带ARM核的FPGA芯片作为控制CPU，其中两个ARM处理器分别用于示教和运动控制、驱动算法，FPGA用于电流环和逻辑处理，通过将运动控制和驱动控制集成在一个芯片内部，二者通过核间通信进行数据交互，速度更快，精度更高。

进一步，本发明的方案，通过在ARM核与FPGA之间通过AXI bridge实现高速通信，采用分布式硬件架构，通过开放的系统架构，可以充分发挥各CPU的优势，使整体性能更佳。

由此，本发明的方案，通过采用单个SOC芯片实现示教控制、运动控制、电机驱动控制，解决驱控一体控制方案由于整体硬件复杂度高从而导致开发难度大的问题，达到降低开发难度的效果。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明的机器人控制装置的一实施例的结构示意图；

图2为本发明的机器人的一实施例的驱控一体控制系统的结构示意图。

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，下面将结合本发明具体实施例及相应的附图对本发明技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，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，都属于本发明保护的范围。

根据本发明的实施例，提供了一种机器人控制装置。参见图1所示本发明的装置的一实施例的结构示意图。该机器人控制装置可以包括：SOC主控板、驱动板和电源板。

其中，电源板，分别与SOC主控板和驱动板连接。驱动板，分别与SOC主控板和电机连接。例如：SOC主控板可以是基于SOC的驱控一体主控板，驱动板可以是四合一伺服驱动板。如SCARA驱控一体控制器可以包括基于SOC的驱控一体主控板、四合一伺服驱动板、电源板。

在一个可选例子中，SOC主控板，可以包括：SOC芯片和接口单元。SOC芯片，内置有双ARM核的FPGA，用作机器人的控制系统，可以用于向驱动板发送驱动信号，并接收驱动板反馈的机器人的电机的运行数据和/或报警数据。其中，该驱动信号，可以是可以用于驱动机器人的电机。

其中，采用性能强大的SOC系统级芯片(具体可以采用的是带双ARM核的FPGA)用作整个SCARA控制器的CPU，而且是唯一的主CPU，通过合理SOC内部各模块的分工，充分发挥每一部分的优势，实现集成示教控制、运动控制、驱动控制及外部扩展等功能一体的机器人驱控一体控制系统。这样，单个SOC芯片实现示教控制、运动控制、电机驱动控制，使整体硬件电路更加精简、降低开发难度。通过精简整体驱控一体控制器的硬件，采用单个性能强大的SOC芯片作为主CPU，在集成示教控制、运动控制、驱动控制的基础上，降低整体控制器的CPU复杂度，降低硬件开发的难度，使整体EMC性能更佳。

可选地，双ARM核的FPGA，可以包括：双ARM核单元和FPGA单元，双ARM核单元和FPGA单元互连。也就是说，SOC内部有双ARM核、FPGA两大部分。

具体地，双ARM核单元，可以包括：第一ARM核模块和第二ARM核模块，第一ARM核模块和第二ARM核模块之间互连。ARM1，可以用于实现机器人的伺服位置环和/或机器人的速度环的算法处理。第二ARM核模块，可以用于实现机器人的示教器显示单元的驱动控制和运动控制的算法处理。也就是说，ARM适合做人机交互和算法控制：本发明的方案中，第一ARM核模块如ARM1用作伺服位置环和速度环算法运算，处理上位给的位置指令及编码器反馈的位置信息、测速算法运算等。第二ARM核模块如ARM2跑实时WinCE操作系统，可以用于机器人插补算法和人机交互单元的控制，实现实时运动控制。这样，通过将运动控制和驱动控制集成在一个芯片内部，二者通过核间通信进行数据交互，速度更快，能做到更小的位置环刷新周期，做到高速下的高精，充分发挥驱控一体技术的优势。

例如：采用带ARM核的FPGA芯片作为控制CPU，其中两个ARM处理器分别可以用于示教和运动控制、驱动算法。具体地，SOC，作为机器人控制系统主CPU，为内置双ARM核的FPGA。其中，第一ARM核模块如ARM1，可以用于伺服位置环、速度环算法处理。第二ARM核模块如ARM2，可以基于WinCE实时操作系统，实现示教器显示单元控制、运动控制算法。

具体地，FPGA单元，可以用于实现机器人的电流环控制和运行逻辑处理，如FPGA可以用于伺服电流环控制及IO处理。

例如：采用带ARM核的FPGA芯片作为控制CPU，其中FPGA可以用于电流环和逻辑处理。也就是说，FPGA适合做并行逻辑处理，本发明的方案可以用于伺服速度环控制，处理速度环给的指令及大量的反馈采样信号、高速IO信号等。

例如：SOC(或SOC芯片)为带双ARM核的FPGA，其中第一ARM核模块如ARM1可以用于伺服的位置环和速度环运算，第二ARM核模块如ARM2作为运控和示教核心处理单元，基于WinCE操作系统，满足机器人对实时性、安全性及稳定性的需求，采用二次开发的系统架构，为客户后续工艺、算法开发和集成应用提供灵活的解决方案。也就是说，SOC芯片本身可以作为一个二次开发的系统架构，可以根据用户需求灵活配置软件设置，使得本发明的方案中的机器人控制装置可以作为一个开放式系统架构。其中，FPGA主要可以用于伺服电机电流环运算和逻辑处理。

其中，本发明的方案所述的驱控一体技术不单单是数据总线是并行，同步时钟也是并行，所以同步时钟的抖动完全是靠FPGA晶振的精度和芯片电气的延时，可以轻轻松松达到纳秒级别，提高控制精度。

由此，通过双ARM核单元和FPGA单元设置在一块主控板上的架构，可以大大提高通信速率，进而为实现更快的伺服采样、更短的插补周期提供可能。

进一步可选地，双ARM核单元采用分布式硬件架构。这样，通过采用分布式硬件架构，硬件各司其职，充分发挥各CPU的优势，使整体性能更佳。

由此，通过使双ARM核单元采用分布式硬件架构，可以充分发挥主控板中SOC芯片的各单元的控制功能，使SOC芯片的整体控制性能得到优化。

进一步可选地，双ARM核单元和FPGA单元之间通过AXI bridge实现通信。也就是说，ARM和FPGA之间通过高速AXI bridge进行数据交互，如ARM核与FPGA之间通过AXIbridge实现高速通信，即ARM核与FPGA之间通过AXI bridge实现高速数据通信。通过这样的分工和架构搭建，可以实现真正意义的驱控一体，做到高速下的高精。

由此，通过双ARM核单元和FPGA单元之间通过AXI bridge实现通信，可以实现驱控一体，且能做到高速通信。

可选地，接口单元，可以包括：示教器接口模块、以太网接口模块、IO接口模块、AD接口模块、IO扩展接口模块、AD扩展接口模块、和/或外设接口模块。

例如：基于SOC的主控板，主要可以包括：SOC及其最小系统，示教器外部接口、以太网接口、总线扩展模块、IO扩展模块、AD模块等。其中，总线扩展模块、IO扩展模块、AD模块等，可以根据使用需求灵活扩展，使得本发明的方案中的机器人控制装置，在SOC芯片的基础上，可以进一步形成一个开放式系统架构。SOC(system on chip)，就是在一块芯片上集成一整个信息处理系统，称为片上系统或系统级芯片。SOC及其最小系统一般包含SOC芯片、存储单元、配置芯片、电源管理模块。

具体地，示教器接口模块，可以用于连接机器人的示教器显示单元。

具体地，示教器外部接口，可以用于连接外部的示教器，其通信方式视所选的SOC芯片和示教器显示屏的种类可以是LVDS、USB或者RS485。示教器显示单元可以用于人机交互，实现用户对机器人的示教。

具体地，以太网接口模块，可以用于连接机器人的以太网单元。以太网单元可以包括视觉模块、总线扩展模块、和/或信息化模块。

其中，以太网接口包含视觉Ethernet接口、信息化接口、总线扩展EtherCAT接口、预留以太网接口。以太网单元可以扩展实际应用，如视觉应用、总线扩展、信息化等。通过集成更多的周边设备，如视觉、激光、力传感器，能满足更高层次的应用，适应性更强。

具体地，IO接口模块，可以用于连接机器人的IO模块。

具体地，AD接口模块，可以用于连接机器人的AD模块。

其中，IO、AD等模块可以丰富外部输入输出。

具体地，IO接口扩展模块，可以用于连接机器人的IO扩展模块。

具体地，AD接口扩展模块，可以用于连接机器人的AD扩展模块。

其中，IO扩展模块、AD模块主要可以用于外部设备的扩展，如：IO数量扩展、外部传感器应用等。

具体地，外设接口模块，可以用于连接机器人的外部设备。

其中，本发明的方案中，采用SOC芯片、以及SOC芯片的外围扩展模块(如总线扩展模块、IO扩展模块、AD模块等)，形成开放式系统架构，便于客户二次开发和系统集成。功能集成度更高，满足用户对视觉、激光、力传感器的应用需求。通过开放的系统架构，便于用户进行各种工艺软件包的开发，或者作为研发平台，便于进行相关算法的开发和验证。

由此，通过在主控板上设置多个接口模块，可以针对各种应用需求灵活扩展，满足多种场合的使用需求。

在一个可选例子中，驱动板，可以用于根据SOC主控板发送的驱动信号，驱动机器人的电机运行；并将机器人的电机的运行数据和/或报警数据反馈给SOC主控板。

可选地，驱动板，采用伺服驱动板。伺服驱动板，与电源板之间共用直流母线。例如：采用共直流母线的设计，可以大大减小整体控制器的体积。

由此，通过使伺服驱动板与电源板之间共用直流母线，可以减小机器人控制装置的整体体积，减小占用空间。

更可选地，伺服驱动板，可以包括：IPM模块，IPM模块的驱动电路，以及IPM模块的采样电路。

其中，IPM模块，可以分别与IPM模块的驱动电路和IPM模块的采样电路连接。IPM模块的采样电路，用于采样电机的运行数据和/或报警数据等，运行数据可以是电机运行电压、电机运行电流、电机编码器数据等，并反馈给主控板。IPM模块，用于接收主控板发送的驱动信号如PWM信号，并对驱动信号进行功率优化处理后传输给IPM模块的驱动电路。IPM模块的驱动电路用于根据IPM模块对驱动信号进行功率优化处理后的处理结果驱动电机。

具体地，IPM驱动电路主要用于逆变，产生UVW三相电压驱动伺服电机运行，同时将报警信息(如过热报警)上传至主控板；采样电路主要有电机三相的电流采样(电机转矩控制、伺服保护)，直流母线电压采样(可以防止电压过高，用于伺服保护)，有时还包含温度信息采集(可以防止温度过高，用于伺服保护)，电机编码器数据直接通过串行通信发给主控板。

更进一步可选地，IPM模块的数量可以为一个以上。一个以上的IPM模块的驱动电路，集成设置。

例如：四合一伺服驱动板，主要可以包含IPM模块及其驱动电路、采样电路，将多个轴的驱动电路放置在一块电路板上，采用共直流母线的设计，可以大大减小整体控制器的体积。这样，采用共直流母线、多轴合一的伺服功率板设计。优化整机外设需求，同时考虑到用户应用扩展，预留大量的IO扩展、以太网、AD等模块。其中，驱动板接收主控板发送的PWM信号，驱动电机运行，同时将电压和电流采样信号、报警信号、电机编码器数据反馈给主控板，完成伺服电机闭环控制。

其中，机器人运动控制最关键的是多轴数据同步性，工业现场以太网是通过分布式时钟补偿，各个轴的同步信号可以做到微秒级的抖动。

由此，通过IPM模块、IPM模块的驱动电路、IPM模块的采样电路共同构成多合一伺服驱动板，结合工业现场以太网是通过分布式时钟补偿，实现各个轴的同步信号可以做到微秒级的抖动，可以保证控制精度。

在一个可选例子中，电源板，可以用于为SOC主控板和驱动板供电。

由此，通过采用单一芯片实现对整个机器人的控制，不仅大大降低机器人控制系统的硬件复杂度。

可选地，电源板，可以包括：滤波模块、整流模块、储能模块和/或电压转换模块。

其中，滤波模块、整流模块、储能模块和电压转换模块，适配与交流电源连接。如：交流电源，可以依次与滤波模块、整流模块、储能模块和电压转换模块连接。

具体地，滤波模块，可以用于对交流电源的输出电流、和/或整流模块的输出电流进行滤波处理。

具体地，整流模块，可以用于对交流电源的输出电流进行整流处理。

具体地，储能模块，可以用于对机器人的直流母线电源进行稳压和/或滤波处理。

具体地，电压转换模块，可以用于对机器人的直流母线电源进行电压转换处理。

其中，电源板，主要可以包含滤波电路、整流桥、储能大电容和电压转换电路，电压转换电路输出主控板电源和驱动板控制电源，储能电容阵可以用于高压直流母线电源稳压和滤波。例如：电源板可以用于所有的模块的供电，整流后的高压直流母线可以用于多合一的功率板逆变。四合一驱动板集成4个功率变换单元，驱动4个电机运行。

由此，通过电源板对主控板和驱动板的集中供电，可以保证供电的同步性和可靠性。

经大量的试验验证，采用本发明的技术方案，通过采用单个SOC芯片作为主CPU，实现示教控制、运动控制、电机驱动控制，在集成示教控制、运动控制、驱动控制的基础上，降低整体控制器的CPU复杂度，降低硬件开发的难度。

根据本发明的实施例，还提供了对应于机器人控制装置的一种机器人。该机器人可以包括：以上所述的机器人控制装置。

水平多关节机器人，即SCARA(Selectively Compliance Assembly Robot Arm，SCARA)机器人，具有四个关节，该四个关节具体可以包括三个旋转关节和一个移动关节。其中，三个旋转关节相互平行，可以实现平面内的定位与定向。一个移动关节，可以实现末端的升降。SCARA机器人的特点是结构紧凑、节省空间、运动速度快，重复定位精度高等；可以大量用于那些需要往复高速运动、空间受限、且机器人末端移动轨迹简单的场合。

机器人驱控一体技术，是将多轴伺服驱动与运动控制合为一体，实现机器人运控、驱动与应用工艺三者之间的有机结合。该技术方案主要有三点优势：其一集成式设计，将运动控制器和伺服驱动器集成在一个控制器内，多轴伺服功率模块设计在一块电路板上，整体控制器的体积大大减小，现场应用更加灵活；其二减少接线，控制器与机器人本体之间只有动力线和编码器线，在提高抗干扰能力、降低故障率的同时节约成本；其三，通过共享内存进行数据交互，采用并行总线，通信速率更高，控制性能更好。正是基于上述优点，驱控一体技术成为SCARA机器人发展的大势所趋。据悉，目前国内外主流厂如日系的爱普生、三菱、雅马哈，国内的众为兴、台达都推出了自己的驱控一体相关产品。

对于一些驱控一体相关产品而言，还存在许多不足，比如：一是整体硬件复杂度高，开发难度大，如三菱控制器主控板使用的处理芯片数量高达7块，高密度走线对电磁干扰(Electromagnetic Interference，EMI)性能的提升带来很大的挑战；二是有很大一部分驱控一体只是在硬件层次实现驱动部分和运动控制部分合为一体，实际上还是总线型控制方案，不同的是将之前的外部线缆连接变成了PCB板载走线，没有体现驱控一体的技术优势，也就无法实现机器人控制性能真正的提升；三是可扩展性差，相关函数接口不进行开放，用户二次工艺开发不方便；四是各功能集成度低，无法很好的融合伺服控制、运动控制、视觉、力传感技术，不能满足更高应用的要求，增加了用户的使用难度和开发成本。

在一个可选例子中，为了至少解决驱控一体控制方案由于整体硬件复杂度高从而导致开发难度大的问题，本发明的方案，提供一种SCARA驱控一体控制器。

在一个可选例子中，本发明的方案中，单个SOC芯片实现示教控制、运动控制、电机驱动控制，使整体硬件电路更加精简、降低开发难度。通过精简整体驱控一体控制器的硬件，采用单个性能强大的SOC芯片作为主CPU，在集成示教控制、运动控制、驱动控制的基础上，降低整体控制器的CPU复杂度，降低硬件开发的难度，使整体EMC性能更佳。

在一个可选例子中，本发明的方案中，采用带ARM(即ARM处理器，Advanced RISCMachine)核的FPGA(Field Programmable Gate Array)芯片作为控制CPU，其中两个ARM处理器分别用于示教和运动控制、驱动算法，FPGA用于电流环和逻辑处理，ARM核与FPGA之间通过AXI bridge实现高速通信，采用分布式硬件架构，硬件各司其职，充分发挥各CPU的优势，使整体性能更佳。通过将运动控制和驱动控制集成在一个芯片内部，二者通过核间通信进行数据交互，速度更快，能做到更小的位置环刷新周期，做到高速下的高精，充分发挥驱控一体技术的优势；通过集成更多的周边设备，如视觉、激光、力传感器，能满足更高层次的应用，适应性更强。

其中，AXI bridge可以转接PCIe总线提供AXI4嵌入式系统和PCIe系统。它包括内存从AXI4映射到AXI4-Stream桥和AXI4-Stream的PCIe集成块。从桥作为一个从设备连接AXI4 Interconnect(IP)处理一些AXI4的读或者写请求操作。主桥作为主设备连接AXI4Interconnect(IP)处理PCIe产生的读或写TLPs。

在一个可选例子中，本发明的方案中，开放式系统架构，便于客户二次开发和系统集成；功能集成度更高，满足用户对视觉、激光、力传感器的应用需求。通过开放的系统架构，便于用户进行各种工艺软件包的开发，或者作为研发平台，便于进行相关算法的开发和验证。

在一个可选具体实施方式中，可以参见图2所示的例子，对本发明的方案的具体实现过程进行示例性说明。

本发明的方案，提供一种基于系统级芯片(System on a Chip，SOC)的SCARA驱控一体控制器，涉及到的SCARA驱控一体控制器包括基于SOC的驱控一体主控板、四合一伺服驱动板、电源板。下面分别介绍各个板的工作原理及功能。

在一个可选例子中，基于SOC的主控板，主要可以包括：SOC及其最小系统，示教器外部接口、以太网接口、总线扩展模块、IO扩展模块、AD模块等。SOC(system on chip)，就是在一块芯片上集成一整个信息处理系统，称为片上系统或系统级芯片。

可选地，SOC及其最小系统一般包含SOC芯片、存储单元、配置芯片、电源管理模块。SOC，作为机器人控制系统主CPU，为内置双ARM核的FPGA。其中，第一ARM核模块如ARM1用于伺服位置环、速度环算法处理；第二ARM核模块如ARM2基于WinCE实时操作系统，实现示教器显示单元控制、运动控制算法；FPGA用于伺服电流环控制及IO处理。ARM核与FPGA之间通过AXI bridge实现高速数据通信。

可选地，示教器外部接口，可以用于连接外部的示教器，其通信方式视所选的SOC芯片和示教器显示屏的种类可以是LVDS、USB或者RS485。示教器显示单元用于人机交互，实现用户对机器人的示教。

可选地，以太网接口包含视觉Ethernet接口、信息化接口、总线扩展EtherCAT接口、预留以太网接口。以太网单元可以扩展实际应用，如视觉应用、总线扩展、信息化等。

可选地，IO扩展模块、AD模块主要用于外部设备的扩展，如：IO数量扩展、外部传感器应用等。IO、AD等模块可以丰富外部输入输出。

其中，本发明的方案中用到的SOC为带双ARM核的FPGA，其中第一ARM核模块如ARM1用于伺服的位置环和速度环运算，第二ARM核模块如ARM2作为运控和示教核心处理单元，基于WinCE操作系统，满足机器人对实时性、安全性及稳定性的需求，采用二次开发的系统架构，为客户后续工艺、算法开发和集成应用提供灵活的解决方案。FPGA主要用于伺服电机电流环运算和逻辑处理。ARM核与FPGA之间通过AXI bridge进行数据通信。

这样，采用性能强大的SOC系统级芯片(具体可以采用的是带双ARM核的FPGA)用作整个SCARA控制器的CPU，而且是唯一的主CPU，通过合理SOC内部各模块的分工，充分发挥每一部分的优势，实现集成示教控制、运动控制、驱动控制及外部扩展等功能一体的机器人驱控一体控制系统。

也就是说，SOC内部有双ARM核、FPGA两大部分。ARM适合做人机交互和算法控制：本发明的方案中，第一ARM核模块如ARM1用作伺服位置环和速度环算法运算，处理上位给的位置指令及编码器反馈的位置信息、测速算法运算等；第二ARM核模块如ARM2跑实时WinCE操作系统，用于机器人插补算法和人机交互单元的控制，实现实时运动控制；FPGA适合做并行逻辑处理，本发明用于伺服速度环控制，处理速度环给的指令及大量的反馈采样信号、高速IO信号等。ARM和FPGA之间通过高速AXI bridge进行数据交互。通过这样的分工和架构搭建，可以实现真正意义的驱控一体，做到高速下的高精。其实现代机器人伺服控制系统的控制流程大同小异，基本都是运动控制+伺服三环控制，本发明只是提供一种合理、高效的控制系统架构，实现更加紧凑、性能更优的机器人控制。

在一个可选例子中，四合一伺服驱动板，主要可以包含IPM模块及其驱动电路、采样电路，将多个轴的驱动电路放置在一块电路板上，采用共直流母线的设计，可以大大减小整体控制器的体积。这样，采用共直流母线、多轴合一的伺服功率板设计；优化整机外设需求，同时考虑到用户应用扩展，预留大量的IO扩展、以太网、AD等模块。其中，驱动板接收主控板发送的PWM信号，驱动电机运行，同时将电压和电流采样信号、报警信号、电机编码器数据反馈给主控板，完成伺服电机闭环控制。

在一个可选例子中，电源板，主要可以包含滤波电路、整流桥、储能大电容和电压转换电路。其中电压转换电路输出主控板电源和驱动板控制电源，储能电容阵用于高压直流母线电源稳压和滤波。

其中，电源板用于所有的模块的供电，整流后的高压直流母线用于多合一的功率板逆变；四合一驱动板集成4个功率变换单元，驱动4个电机运行。

可见，本发明的方案，采用单一芯片实现对整个机器人的控制，不仅大大降低机器人控制系统的硬件复杂度，更重要的是通过这样的架构，可以大大提高通信速率，进而为实现更快的伺服采样、更短的插补周期提供可能。此外，机器人运动控制最关键的是多轴数据同步性，工业现场以太网是通过分布式时钟补偿，各个轴的同步信号可以做到微秒级的抖动。而本发明所述的驱控一体技术不单单是数据总线是并行，同步时钟也是并行，所以同步时钟的抖动完全是靠FPGA晶振的精度和芯片电气的延时，可以轻轻松松达到纳秒级别，提高控制精度。

由于本实施例的机器人所实现的处理及功能基本相应于前述图1所示的装置的实施例、原理和实例，故本实施例的描述中未详尽之处，可以参见前述实施例中的相关说明，在此不做赘述。

经大量的试验验证，采用本发明的技术方案，通过采用带ARM核的FPGA芯片作为控制CPU，其中两个ARM处理器分别用于示教和运动控制、驱动算法，FPGA用于电流环和逻辑处理，通过将运动控制和驱动控制集成在一个芯片内部，二者通过核间通信进行数据交互，速度更快，精度更高。

综上，本领域技术人员容易理解的是，在不冲突的前提下，上述各有利方式可以自由地组合、叠加。

以上所述仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。

Claims (8)

1.一种机器人控制装置，其特征在于，包括：SOC主控板、驱动板和电源板；其中，

SOC主控板，包括：SOC芯片和接口单元；SOC芯片，内置有双ARM核的FPGA，用于向驱动板发送驱动信号，并接收驱动板反馈的机器人的电机的运行数据和/或报警数据；

驱动板，用于根据SOC主控板发送的驱动信号，驱动机器人的电机运行；并将机器人的电机的运行数据和/或报警数据反馈给SOC主控板；

电源板，用于为SOC主控板和驱动板供电。

2.根据权利要求1所述的机器人控制装置，其特征在于，双ARM核的FPGA，包括：双ARM核单元和FPGA单元，双ARM核单元和FPGA单元互连；其中，

双ARM核单元，包括：第一ARM核模块和第二ARM核模块，第一ARM核模块和第二ARM核模块之间互连；

第一ARM核模块，用于实现机器人的伺服位置环和/或机器人的速度环的算法处理；

第二ARM核模块，用于实现机器人的示教器显示单元的驱动控制和运动控制的算法处理；

FPGA单元，用于实现机器人的电流环控制和运行逻辑处理。

3.根据权利要求2所述的机器人控制装置，其特征在于，其中，

双ARM核单元采用分布式硬件架构；

和/或，

双ARM核单元和FPGA单元之间通过AXI bridge实现通信。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的机器人控制装置，其特征在于，接口单元，包括：示教器接口模块、以太网接口模块、IO接口模块、AD接口模块、IO扩展接口模块、AD扩展接口模块、和/或外设接口模块；其中，

示教器接口模块，用于连接机器人的示教器显示单元；

以太网接口模块，用于连接机器人的以太网单元；以太网单元包括视觉模块、总线扩展模块、和/或信息化模块；

IO接口模块，用于连接机器人的IO模块；

AD接口模块，用于连接机器人的AD模块；

IO接口扩展模块，用于连接机器人的IO扩展模块；

AD接口扩展模块，用于连接机器人的AD扩展模块；

外设接口模块，用于连接机器人的外部设备。

5.根据权利要求1至3中任一项所述的机器人控制装置，其特征在于，驱动板，采用伺服驱动板；伺服驱动板，与电源板之间共用直流母线。

6.根据权利要求5所述的机器人控制装置，其特征在于，伺服驱动板，包括：IPM模块，IPM模块的驱动电路，以及IPM模块的采样电路；其中，

IPM模块的数量为一个以上；一个以上的IPM模块的驱动电路，集成设置。

7.根据权利要求1至3中任一项所述的机器人控制装置，其特征在于，电源板，包括：滤波模块、整流模块、储能模块和/或电压转换模块；其中，

滤波模块，用于对交流电源的输出电流、和/或整流模块的输出电流进行滤波处理；

整流模块，用于对交流电源的输出电流进行整流处理；

储能模块，用于对机器人的直流母线电源进行稳压和/或滤波处理；

电压转换模块，用于对机器人的直流母线电源进行电压转换处理。

8.一种机器人，其特征在于，包括：如权利要求1至7中任一项所述的机器人控制装置。

Images