CN113110364A - 一种基于工业以太网的服务机器人控制系统 - Google Patents

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王伟东
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Abstract

一种基于工业以太网的服务机器人控制系统，属于机器人控制技术领域。所述EtherCAT主站与其中一个伺服驱动器连接，所述多个伺服驱动器中每相邻两个伺服驱动器之间均连接，且其中两个伺服驱动器与IO模块连接。本发明解决了目前传统机器人控制接口等问题，让不同制造商制造的机器人控制器可以连接在同一主站上，达到统一控制的目的；具有非常好的可扩展性，可以很好的解决目前传统控制器扩展难，网络能力差等问题，本发明整个系统响应时间不超过1ms；可以高效的将上位机传输来的命令送到机器人中，达到控制的目的，提高了系统的实时性，并且可以将机器人的状态实时的传输给上位机，实现更加有效的控制。

Description

一种基于工业以太网的服务机器人控制系统
技术领域
本发明涉及一种基于工业以太网的服务机器人控制系统，属于机器人控制技术领域。
背景技术
随着科学的进步，国内生产水平不断进步。生产制造业自动化、智能化水平不断提高，工业机器人的应用领域正在扩展到我们日常生活的方方面面。
传统工业机器人的伺服脉冲控制器缺乏网络通信能力，并且同一制造商不用代的工业机器人也难以做到互相兼容，而且结构封闭，软件必须基于专门的硬件来实现，任何功能的增加和修改都需要较高的成本，系统设计维护困难。为了满足用于不同应用场合的控制需求，机器人伺服脉冲控制器朝着开放化、网络化的方向不断发展。
现代工业机器人控制系统一般采用上位机和下位机的二级分布结构，上位机主要是进行机器人的轨迹规划，关节的正逆解计算以及系统管理等；下位机则是负责关节的运动，一个下位机控制一个机器人关节，其运动由下位机CPU执行，这些CPU和上位机用过总线的方式进行联系，这种上下位机二级分布式结构的控制器工作速度和控制性能较其它种类控制器有明显的提高。
虽然这种控制方式给多轴运动(比如工业机器人)控制带来了极大的便利，但是也为各轴之间的高精度以及高速度的同步运动带来了巨大挑战。随着运动控制系统的不断升级和从站数的不断增多，信息交互的实时性和从站之间的同步性成为网络化运动控制系统向高速高精发展的主要障碍。
实时性上，当从站数量众多的时候，从站间的数据传递造成了大量时间，这不仅要求从站可以快速响应控制命令也要求数据处理、转发能够高效及时。
同步性上，由于各个从站都网络化地分散在各个控制轴上，每隔从站都工作在各自的时钟下，而这些时钟的计时频率、计时环境不可能完全一致。
而EtherCAT作为实时工业以太网现场总线协议的一种，因其具有较高的可靠性，延时低等特点，广泛应用在网络化实时控制系统当中，特别是对有实时性、同步性等有极高要求的中伺服控制系统。同时，EtherCAT作为现场总线国际标准接口之一，在硬实时性要求搞的场合具有广泛的市场占有率，研究EtherCAT主站在伺服脉冲控制器上的应用对提高机器人控制得精确性上有重要意义。
发明内容
为解决背景技术中存在的问题，本发明提供一种基于工业以太网的服务机器人控制系统。
实现上述目的，本发明采取下述技术方案：一种基于工业以太网的服务机器人控制系统，包括EtherCAT主站、IO模块以及多个伺服驱动器；所述EtherCAT主站与其中一个伺服驱动器连接，所述多个伺服驱动器中每相邻两个伺服驱动器之间均连接，且其中两个伺服驱动器与IO模块连接。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本发明通过EtherCAT主站与FPGA芯片实现上位机与控制器之间的通信，达到控制机器人的作用。解决了目前传统机器人控制接口等问题，让不同制造商制造的机器人控制器可以连接在同一主站上，达到统一控制的目的；
2、本发明通过EtherCAT主站进行控制，具有非常好的可扩展性，可以很好的解决目前传统控制器扩展难，网络能力差等问题，本发明整个系统响应时间不超过1ms；
3、本发明通过EtherCAT主站相比于其他控制主站传输的速度更快，效率更高，可以很好的节约信息传输的时间，采用FPGA芯片进行主站数据接收并解析成脉冲信号，可以高效的将上位机传输来的命令送到机器人中，达到控制的目的，提高了系统的实时性，并且可以将机器人的状态实时的传输给上位机，实现更加有效的控制。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是使用TwinCAT和Wireshark软件对EtherCAT主站上的数据进行抓包分析的数据图；
图3是本发明的控制示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是发明的一部分实施例，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。
一种基于工业以太网的服务机器人控制系统，包括EtherCAT主站1、IO模块3以及多个伺服驱动器2；所述EtherCAT主站1通过EtherCAT数据帧与其中一个伺服驱动器2连接，所述多个伺服驱动器2中每相邻两个伺服驱动器2之间均通过EtherCAT数据帧连接，且其中两个伺服驱动器2与IO模块3连接。
所述EtherCAT主站1上的数据通过TwinCAT和Wireshark软件进行抓包分析，确保整个系统通信基本正常工作。
所述EtherCAT主站1上的数据利用FPGA芯片移植软核进行解析，并使用Verilog编程语言编写相应的程序对数据进行分析，进而形成对应的脉冲信号，达到机器人控制的目的。
所述IO模块3是根据编码器的原理以及通过编码器检测的伺服电机的角度和位移搭建的，用以反馈机器人的状态量，实现闭环控制，提高控制的精确度。
本发明的使用包括如下步骤：
S1：深入分析伺服驱动总线控制的需求，并根据FPGA硬件结合EtherCAT协议设计了机器人控制器的软硬件总体方案；
S2：研究EtherCAT协议中的关键内容，从实现原理、实时性设计以及如何实现数据传输等方面深入研究；
S3：使用TwinCAT和Wireshark软件对EtherCAT主站上的数据进行抓包分析，确保整个系统通信基本正常工作；
S4：利用FPGA芯片，移植软核实现对EtherCAT主站传来的数据进行解析，并使用Verilog编程语言编写相应的程序对数据进行分析进而形成对应的脉冲信号，达到机器人控制的目的；
S5：研究FOC算法模块，主要通过Cordic算法实现三角函数，其核心思想是通过初始角度值进行旋转并特定角度进行比较计算，然后进行足够次数的迭代，最终可以得到一个较为精确的三角函数值；
S6：深入研究编码器的原理，通过编码器来检测伺服电机的角度和位移等，并搭建相应的IO模块，用以反馈机器人的状态量，实现闭环控制，提高控制的精确度；
S7：搭建了EtherCAT通信的互操作性测试实验平台，对设计的伺服驱动EtherCAT接口进行功能和性能的测试。
本发明的EtherCAT主站系统的主控芯片选用的是赛灵思公司的FPGA芯片来对机器人的控制逻辑，并使用内部软核处理器来实现对LAN9252的控制和通信。其中，LAN9252的功能是将主站发来的数据通过主站发送给FPGA，同时把FPGA反馈的信息发回给主站。在实现了以上功能的基础上，向FPGA中移植LAN9252的IP核，进一步提高系统的实时性。为实现对机器人的精确控制，本发明还需要进行编码器以及解码电路的设计，通过解析编码器传来的数据，可以得到伺服电机的角度和位移，实现闭环控制并且还将伺服系统的状态通过IO模块3反馈给FPGA芯片，进一步提高控制的精度。
1.EtherCAT通信控制方案
对于从控制器的选择，除了有倍福官方的芯片ET1100、ET1200，也有很多第三方公司自行设计的芯片。其中，第三方公司设计的芯片中使用较为广泛的是美国微芯公司的LAN9252，同时购买渠道也非常方便。ET1100、ET1200和LAN9252的对比如表2.1所示。
Figure BDA0003085596890000051
由于芯片LAN9252里面集成了两个以太网PHY，相对于其它芯片来说，集成度更高且购买方便、性价比高，所以本发明采用芯片LAN9252来实现EatherCAT通信。LAN9252内部集成了两个支持100Mbps工作速率的以太网PHY和一个EatherCAT从控制器，支持单片机、扩展、数字I/O三种不同的模式。本发明首先选择单片机模式，与主控芯片FPGA采用高速异步主站HBI的方式进行通信，最后再FPGA内部移植LAN9252的IP核进一步提高系统的完善性。
2.通信主站的选择
Figure BDA0003085596890000061
从上表可以看出，EtherCAT主站与其他工业以太网相比EtherCAT具有刷新周期短，传输效率高，实时性与同步性好的特点。ABB公司的Prytz,Gunnar在2008提出了通过改变数据传输量与从站数量分析最小循环时间(MCT)，对比EtherCAT与PROFINETT性能的方法。依照这个分析方法，Vitturi,S、Peretti,L等人对EtherCAT与Powerlink性能进行了对比，这两项研究也说明了EtherCAT协议在性能上具有优势。因此本设计选择EtherCAT作为本设计的通信主站。
3.伺服控制方法
EtherCAT主站下发的控制指令通过EtherCAT通信传输至集成EtherCAT从站节点，控制指令需伺服控制模块解析产生与伺服驱动器匹配的脉冲信号和电平信号，分别下发至伺服驱动器，从而进行电机控制。同时伺服控制模块也用来读取伺服驱动器返回的编码器数据，警报信号等数据，并将数据传回EtherCAT通信控制模块。选择处理和解析控制指令和反馈伺服驱动器参数的处理器。本论文做了以下比较：
1)具有丰富寄存器的ARM处理器。虽然ARM处理器有很多基本电路外设，但是其主要应用于手持式设备和嵌入式产品，且没有充足的I/O引脚与多个伺服驱动器相连接。
2)具有强大的信号运算能力的DSP数据处理器。DSP可加快数据处理速度，通常用于图像处理，算法实现等方面。本课题为电机控制而设计控制器，对数据处理速度没有达到DSP处理速度，并且DSP处理器成本较高，同时也不能为本课题所设计的伺服控制器提供充足的I/O引脚。
3)利用FPGA作为伺服控制及数据处理器。FPGA具有灵活性高，定制化程度高等特点。FPGA既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。并且内部有丰富的触发器和I/O引脚，并行结构更适用于多轴伺服电机控制。因此FPGA更加适合作为本课题伺服控制器的数据处理以及搭建硬件电路的核心芯片。因此本课题选择片上资源丰富的Xilinx系列FPGA芯片。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同条件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (6)

1.一种基于工业以太网的服务机器人控制系统，其特征在于：包括EtherCAT主站(1)、IO模块(3)以及多个伺服驱动器(2)；所述EtherCAT主站(1)与其中一个伺服驱动器(2)连接，所述多个伺服驱动器(2)中每相邻两个伺服驱动器(2)之间均连接，且其中两个伺服驱动器(2)与IO模块(3)连接。
2.根据权利要求1所述的一种基于工业以太网的服务机器人控制系统，其特征在于：所述EtherCAT主站(1)上的数据通过TwinCAT和Wireshark软件进行抓包分析。
3.根据权利要求2所述的一种基于工业以太网的服务机器人控制系统，其特征在于：所述EtherCAT主站(1)上的数据利用FPGA芯片移植软核进行解析，并使用Verilog编程语言编写相应的程序对数据进行分析，进而形成对应的脉冲信号，达到机器人控制的目的。
4.根据权利要求3所述的一种基于工业以太网的服务机器人控制系统，其特征在于：所述IO模块(3)是根据编码器的原理以及通过编码器检测的伺服电机的角度和位移搭建的，用以反馈机器人的状态量，实现闭环控制。
5.根据权利要求4所述的一种基于工业以太网的服务机器人控制系统，其特征在于：所述EtherCAT主站(1)下发的控制指令通过EtherCAT通信传输至集成EtherCAT从站节点，控制指令通过伺服控制模块解析产生与伺服驱动器(2)匹配的脉冲信号和电平信号，分别下发至各个伺服驱动器(2)，从而进行电机控制。
6.根据权利要求5所述的一种基于工业以太网的服务机器人控制系统，其特征在于：所述伺服控制模块用于读取伺服驱动器(2)返回的编码器数据以及警报信号数据，并将编码器数据以及警报信号数据传回EtherCAT通信控制模块。
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