CN111687830A - 一种机器人驱控一体机多轴总线链接方法及其驱动系统 - Google Patents

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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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Abstract

本发明涉及一种机器人驱控一体机多轴总线链接方法，包括以下步骤：将驱控一体化运动控制器与伺服驱动器以总线方式通信连接；运动轨迹经过周期分解及轨迹运算后，得到本周期机器人需要移动的绝对位置；通过总线的方式，把得到的绝对位置坐标发送到伺服驱动器，实现机器人的定位。本发明还提供有相应的硬件系统。本发明的技术方案通过改变传统技术中的脉冲量传输控制方式，而采用总线方式，解决了传统方法中脉冲在通过光耦隔离传输过程中存在的丢失、增加脉冲的问题，使得机器人的运动定位更加准确无速度波动，提高了运动控制器与伺服连接的可靠性，增加了数据量带宽，实现了1ms以下的位置控制周期。

Description

一种机器人驱控一体机多轴总线链接方法及其驱动系统
技术领域
本发明涉及机器人驱控技术领域，尤其涉及一种机器人驱控一体机多轴总线链接方法及其驱动系统。
背景技术
现有机器人驱控一体系统，运动控制器与伺服驱动器之间的连接，一般是通过常规的脉冲量控制的。运动轨迹经过周期分解、轨迹运算后，得到本周期机器人需要移动的位移量和速度，通过脉冲发生器调整脉冲的个数以及频率，发送到伺服驱动器，实现位移量和速度的控制。如附图1所示。
这种现有方法中，在软件上，运动轨迹经过周期分解，还需要经过复杂的轨迹运算，才能得到本周期机器人需要移动的位移量和速度，然后，经过脉冲发生器的脉冲均匀化动作，把脉冲均匀的发送到伺服驱动器，实现位移量和速度的控制。脉冲均匀化技术存在最高频率限制，一般不会超过5MHz，否则会出现脉冲不均匀的后果，导致速度波动。频率越高需要的FPGA性能越高，会大大增加器件的成本。
硬件上，每一轴的脉冲通过光耦隔离传输，在有干扰的环境下，会存在丢失脉冲、或者增加脉冲的可能性，使得机器人运动定位不准确，也会造成速度波动。
系统层面，因为脉冲是一个一个传输，伺服需要周期累加才能得到脉冲数量，算出位移量，这就会产生滞后现象。需要降低位置控制周期时间，例如从4ms下降到1ms，甚至500us，这样就会大量增加运动控制器的运算量，需要更高级别的CPU才能完成运算。
发明内容
本发明的目的是解决脉冲传输方式的各种缺陷，通过改变传输方式，用总线的方式，替换脉冲传输方式，不再需要脉冲均匀化模块，没有了最高脉冲频率的限制，用数字代替脉冲，杜绝丢脉冲的可能性。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：
本发明首先提供一种机器人驱控一体机多轴总线链接方法，其包括以下步骤：
4)将驱控一体化运动控制器与伺服驱动器以总线方式通信连接；
5)运动轨迹经过周期分解及轨迹运算后，得到本周期机器人需要移动的绝对位置；
6)通过总线的方式，把步骤2)得到的绝对位置坐标发送到伺服驱动器，实现机器人的定位。
上述技术方案中，步骤1)所采用的总线方式连接中，所述运动控制器作为总线的主站，伺服驱动器作为从站，由主站发送运动数据以及各种运动控制命令，所述从站接收属于自己的数据，并做应答。
上述技术方案中，所述从站不自动占用总线。
进一步地，上述技术方案中，所述主站的接口与所述从站的接口一致，采用高速RS485物理层，半双工串行通信。其优选通信速度为5MHz。
进一步地，上述技术方案中，所述主站与从站采用起止同步方式通信，通信帧尾采用CRC传送错误检测检验。
作为优选的技术方案，上述技术方案中，所述主站与所述从站通信帧与帧之间间隔规定大于10us，字节与字节之间无间隔。
作为优选的技术方案，上述技术方案中，所述字节规定1起始位8数据位1停止位。
作为优选的技术方案，上述技术方案中，所述通信帧结构如下：
主站发送：
CMD DATA0 DATA1 DATA2 DATA3 DATA4 DATA5 CRC8
从站响应：
CMD DATA0 DATA1 DATA2 DATA3 DATA4 DATA5 CRC8
其中，命令码CMD结构：
bit7 bit6 bit5 bit4 bit3 bit2 bit1 bit0
bit7-bit6：帧起始标识符，固定为01；
bit5-bit3：帧命令，定义如下：
000：写40bit绝对位置，从站返回速度、电流等3个快速状态；
001：空指令，从站返回40bit实际位置，以及8bit伺服状态；
010：写40bit绝对位置，从站返回40bit绝对位置，以及8bit伺服状态；
011：读伺服的UN状态信息，伺服返回UN数据，以及8bit伺服状态；
bit2-bit0：伺服的ID号：
000：表示#0号伺服；
001：表示#1号伺服；
010：表示#2号伺服；
011：表示#3号伺服；
100：表示#4号伺服；
101：表示#5号伺服；
110：表示#6号伺服；
111：表示#7号伺服。
本发明还提供一种机器人驱控一体机多轴总线驱动系统，其结构特别之处在于：
运动控制器与伺服驱动器之间采用总线方式通信连接，所述运动控制器作为总线的主站，设置总线接口；所述伺服驱动器作为从站，设置从线接口；所述总线接口与从线接口一致，采用高速RS485物理层，半双工串行通信；由主站发送运动数据以及各种运动控制命令，所述从站接收属于自己的数据，并做应答。
为了更加突出本发明与传统技术方案的区别点，在此处对比强调如下：
传统技术方案中，运动控制器设有脉冲发生器，通过发送脉冲信号到伺服驱动器来实现通信。具体的，运动控制器通过脉冲发生器调整脉冲的个数以及频率，发送到伺服驱动器，来实现对机器人位移量和速度的控制。
本发明的技术方案中，所述运动控制器与伺服驱动器之间采用总线通信方式替代了脉冲传输方式，如此一来，不再需要脉冲均匀化模块，也不再受到最高脉冲频率的限制，实现了数字代替脉冲，便杜绝了脉冲丢失的可能性。且同时，本发明技术方案减少了物理连接线缆，从而可以降低成本。
终上所述，本发明的机器人驱控一体机多轴总线链接方法通过改变传统技术中的脉冲量传输控制方式，而采用总线方式，解决了传统方法中脉冲在通过光耦隔离传输过程中存在的丢失、增加脉冲的问题，使得机器人的运动定位更加准确无速度波动，提高了运动控制器与伺服连接的可靠性，增加了数据量带宽，实现了1ms以下的位置控制周期。
并且，与传统的脉冲传输方式相比较，本发明的技术方案同时也减少物理连接线缆，不需要昂贵的高性能硬件设备，降低了成本。
而且，本发明具有实时性强、抗电磁干扰能力强、占用PCB面积少等特点，采用双线差分串行通讯，检错能力强，同时自定义的通讯协议，简单容易实现，相对专用以太网总线协议，实现成本非常低廉。
本发明的技术方案可以大量使用于SCARA机器人、螺丝机锁付系统、4轴工业机器人等系统上，能够实现无超差的快速定位，位置指令无丢失，经过大量的重复定位测试以及机器人实况测试，指令位置准确度达到100％。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为传统技术方案中运动控制器与伺服驱动器通信示意图；
图2为本发明技术方案中运动控制器与伺服驱动器通信连接示意图；
图3为本发明技术方案中的物理接口及数据链路层示意图。
具体实施方式
为了更详细地介绍本发明的技术方案，以下结合附图来进行说明。
本发明的一种机器人驱控一体机多轴总线链接方法，其包括以下步骤：
1)将驱控一体化运动控制器与伺服驱动器以总线方式通信连接；
2)运动轨迹经过周期分解及轨迹运算后，得到本周期机器人需要移动的绝对位置；
3)通过总线的方式，把步骤2)得到的绝对位置坐标发送到伺服驱动器，实现机器人的定位。
具体的，如图2所示，上述技术方案中，步骤1)所采用的总线方式连接中，所述运动控制器作为总线的主站，伺服驱动器作为从站，由主站发送运动数据以及各种运动控制命令，所述从站接收属于自己的数据，并做应答。
上述技术方案中，所述从站不自动占用总线。本发明的机器人驱控一体机多轴总线链接方法，其物理接口以及数据链路层如图3所示。
进一步地，上述技术方案中，所述主站的接口与所述从站的接口一致，采用高速RS485物理层，半双工串行通信。其优选通信速度为5MHz。
进一步地，上述技术方案中，所述主站与从站采用起止同步方式通信，通信帧尾采用CRC传送错误检测检验。
作为优选的技术方案，上述技术方案中，所述主站与所述从站通信帧与帧之间间隔规定大于10us，字节与字节之间无间隔。
作为优选的技术方案，上述技术方案中，所述字节规定1起始位8数据位1停止位。
作为优选的技术方案，上述技术方案中，所述通信帧结构如下：
主站发送：
CMD DATA0 DATA1 DATA2 DATA3 DATA4 DATA5 CRC8
从站响应：
CMD DATA0 DATA1 DATA2 DATA3 DATA4 DATA5 CRC8
其中，命令码CMD结构：
bit7 bit6 bit5 bit4 bit3 bit2 bit1 bit0
bit7-bit6：帧起始标识符，固定为01；
bit5-bit3：帧命令，定义如下：
000：写40bit绝对位置，从站返回速度、电流等3个快速状态；
001：空指令，从站返回40bit实际位置，以及8bit伺服状态；
010：写40bit绝对位置，从站返回40bit绝对位置，以及8bit伺服状态；
011：读伺服的UN状态信息，伺服返回UN数据，以及8bit伺服状态；
bit2-bit0：伺服的ID号：
000：表示#0号伺服；
001：表示#1号伺服；
010：表示#2号伺服；
011：表示#3号伺服；
100：表示#4号伺服；
101：表示#5号伺服；
110：表示#6号伺服；
111：表示#7号伺服。
在本发明的技术方案中，所述运动控制器与伺服驱动器之间传递的是绝对位置，40位有符号数，表示范围相当于±549755813888脉冲当量，一帧共80bit数据，5MHz，共耗时16us，双向32us，反馈延时10us，即一轴通讯时间42us，轴间隔时间10us，因此，4轴总通讯最小时间是260us，6轴总通讯最小时间是312us，加上冗余量，1ms的位置控制周期是可以实现的。
如图2所示，本发明还提供一种机器人驱控一体机多轴总线驱动系统，其结构特别之处在于：
运动控制器与伺服驱动器之间采用总线方式通信连接，所述运动控制器作为总线的主站，设置总线接口；所述伺服驱动器作为从站，设置从线接口；所述总线接口与从线接口一致，采用高速RS485物理层，半双工串行通信；由主站发送运动数据以及各种运动控制命令，所述从站接收属于自己的数据，并做应答。
为了更加突出本发明与传统技术方案的区别点，在此处对比强调如下：
如图1所示，传统技术方案中，运动控制器设有脉冲发生器，通过发送脉冲信号到伺服驱动器来实现通信。具体的，运动控制器通过脉冲发生器调整脉冲的个数以及频率，发送到伺服驱动器，来实现对机器人位移量和速度的控制。
本发明的技术方案中，所述运动控制器与伺服驱动器之间采用总线通信方式替代了脉冲传输方式，如此一来，不再需要脉冲均匀化模块，也不再受到最高脉冲频率的限制，实现了数字代替脉冲，便杜绝了脉冲丢失的可能性。且同时，本发明技术方案减少了物理连接线缆，从而可以降低成本。
本发明的技术方案并非采用
终上所述，本发明的机器人驱控一体机多轴总线链接方法通过改变传统技术中的脉冲量传输控制方式，而采用总线方式，解决了传统方法中脉冲在通过光耦隔离传输过程中存在的丢失、增加脉冲的问题，使得机器人的运动定位更加准确无速度波动。
并且，与传统的脉冲传输方式相比较，本发明的技术方案同时也减少物理连接线缆，不需要昂贵的高性能硬件设备，降低了成本。
而且，本发明具有实时性强、抗电磁干扰能力强、占用PCB面积少等特点，采用双线差分串行通讯，检错能力强，同时自定义的通讯协议，简单容易实现，相对专用以太网总线协议，实现成本非常低廉。
本发明的技术方案可以大量使用于SCARA机器人、螺丝机锁付系统、4轴工业机器人等系统上，能够实现无超差的快速定位，位置指令无丢失，经过大量的重复定位测试以及机器人实况测试，指令位置准确度达到100％。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (9)

1.一种机器人驱控一体机多轴总线链接方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)将驱控一体化运动控制器与伺服驱动器以总线方式通信连接；
2)运动轨迹经过周期分解及轨迹运算后，得到本周期机器人需要移动的绝对位置；
3)通过总线的方式，把步骤2)得到的绝对位置坐标发送到伺服驱动器，实现机器人的定位。
2.根据权利要求1所述的机器人驱控一体机多轴总线链接方法，其特征在于，步骤1)所采用的总线方式连接中，所述运动控制器作为总线的主站，伺服驱动器作为从站，由主站发送运动数据以及各种运动控制命令，所述从站接收属于自己的数据，并做应答。
3.根据权利要求2所述的机器人驱控一体机多轴总线链接方法，其特征在于，所述从站不自动占用总线。
4.根据权利要求3所述的机器人驱控一体机多轴总线链接方法，其特征在于，所述主站的接口与所述从站的接口一致，采用高速RS485物理层，半双工串行通信。
5.根据权利要求4所述的机器人驱控一体机多轴总线链接方法，其特征在于，所述主站与从站采用起止同步方式通信，通信帧尾采用CRC传送错误检测检验。
6.根据权利要求5所述的机器人驱控一体机多轴总线链接方法，其特征在于，所述主站与所述从站通信帧与帧之间间隔大于10us，字节与字节之间无间隔。
7.根据权利要求6所述的机器人驱控一体机多轴总线链接方法，其特征在于，所述字节规定1起始位8数据位1停止位。
8.根据权利要求7所述的机器人驱控一体机多轴总线链接方法，其特征在于，所述通信帧结构如下：
主站发送：
CMD DATA0 DATA1 DATA2 DATA3 DATA4 DATA5 CRC8
从站响应：
CMD DATA0 DATA1 DATA2 DATA3 DATA4 DATA5 CRC8
其中，命令码CMD结构：
bit7 bit6 bit5 bit4 bit3 bit2 bit1 bit0
bit7-bit6：帧起始标识符，固定为01；
bit5-bit3：帧命令，定义如下：
000：写40bit绝对位置，从站返回速度、电流等3个快速状态；
001：空指令，从站返回40bit实际位置，以及8bit伺服状态；
010：写40bit绝对位置，从站返回40bit绝对位置，以及8bit伺服状态；
011：读伺服的UN状态信息，伺服返回UN数据，以及8bit伺服状态；
bit2-bit0：伺服的ID号：
000：表示#0号伺服；
001：表示#1号伺服；
010：表示#2号伺服；
011：表示#3号伺服；
100：表示#4号伺服；
101：表示#5号伺服；
110：表示#6号伺服；
111：表示#7号伺服。
9.一种机器人驱控一体机多轴总线驱动系统，其特征在于：
运动控制器与伺服驱动器之间采用总线方式通信连接，所述运动控制器作为总线的主站，设置总线接口；所述伺服驱动器作为从站，设置从线接口；所述总线接口与从线接口一致，采用高速RS485物理层，半双工串行通信；由主站发送运动数据以及各种运动控制命令，所述从站接收属于自己的数据，并做应答。
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