CN114102605B - 基于EtherCAT的灵巧手实时控制系统 - Google Patents

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Abstract

基于EtherCAT的灵巧手实时控制系统，属于机器人技术和通信领域。解决了现有的HIT/DLR II灵巧手控制系统通信链路较长、且需要专用的平台进行通信，导致通用性差的问题。本发明包括顶层PC机控制端和底层手掌控制端；且顶层PC机控制端和底层手掌控制端之间遵循EtherCAT通信协议；顶层PC机控制端包括EtherCAT主站单元，该EtherCAT主站单元采用计算机实现；底层手掌控制端包括EtherCAT从站数据收发单元、EtherCAT从站单元和串行通信收发单元。本发明主要用于对机器人手掌进行控制。

Description

基于EtherCAT的灵巧手实时控制系统
技术领域
本发明属于机器人技术和通信领域。
背景技术
当代的HIT/DLR II灵巧手采用层次化的硬件系统，手掌电路板仅仅用作通信集线器，所有的数据处理、底层控制算法交由DSP-PCI卡处理。带有PCI接口的DSP-PCI卡必须插在机箱中，才能通过DPRAM与灵巧手专用的platform平台进行通信、通用性差，灵巧手对外端口为点对点串行通信接口(PPSeCo)，为自定义通信协议，不方便与市面上的商业机械臂对接，进一步限制了灵巧手的通用性。由于硬件系统的限制，手指数据先发给手掌，手掌发给DSP-PCI卡，然后发给主机，通信链路较长。底层控制器位于DSP-PCI卡，处理器采用DSP+FPGA架构，在主机端，不在手上。主机需要搭配DSP-PCI卡，所以主机要有PCI插槽，笔记本不能控制灵巧手。且当代的HIT/DLR II灵巧手主机运行在Windows系统下，只能提供操作界面，就是数据输入和显示，对于工业机器人控制来说Windows开发环境不友好，拓展性差，实时性差，因此，以上问题亟需解决。
发明内容
本发明目的是为了解决现有的HIT/DLR II灵巧手控制系统通信链路较长、且需要专用的平台进行通信，导致通用性差的问题，提供了一种基于EtherCAT的灵巧手实时控制系统。
基于EtherCAT的灵巧手实时控制系统，包括顶层PC机控制端和底层手掌控制端；且顶层PC机控制端和底层手掌控制端之间遵循EtherCAT通信协议；
顶层PC机控制端包括EtherCAT主站单元，该EtherCAT主站单元采用计算机实现；
底层手掌控制端包括EtherCAT从站数据收发单元、EtherCAT从站单元和串行通信收发单元；
EtherCAT从站数据收发单元，用于实时接收机械手上5个手指的关节位置、关节力矩以及触觉信息；其中，将接收的5个手指的关节位置、关节力矩以及触觉信息通过EtherCAT从站数据收发单元发送至EtherCAT主站单元，同时还将接收的5个手指的关节位置、关节力矩发送至EtherCAT从站单元；
EtherCAT主站单元，用于显示5个手指的关节位置、关节力矩以及触觉信息；还用于对接收的5个手指的触觉信息进行处理，获得5个手指的指尖力信息；还用于根据5个手指的指尖力信息、关节位置和关节力矩生成目标控制信号，该目标控制信号通过EtherCAT从站数据收发单元发送至EtherCAT从站单元；
EtherCAT从站单元，用于根据接收的目标控制信号、以及5个手指的关节位置和关节力矩，生成5个手指的PWM控制信号，该5个手指的PWM控制信号通过EtherCAT从站数据收发单元发送至5个手指的关节电机，对5个手指的关节电机进行控制。
本发明带来的有益效果是：
本发明所述的基于EtherCAT的灵巧手实时控制系统用于对手指进行控制，其不对手指本身做任何改动，且本发明所述的基于EtherCAT的灵巧手实时控制系统作为全新的HIT/DLR II手掌板，取代现有技术的手掌板和DSP-PCI卡。
本发明打造了一套从手指到主机的全实时控制系统，拥有两套实时控制部分，即：位于手掌端的EtherCAT从站单元和位于主机的EtherCAT主站单元。控制任务同时分配给EtherCAT从站单元和EtherCAT主站单元两个控制部分共同完成，具体应用时还可以全部由顶层完成。底层手掌控制端位于灵巧手，控制器代码不对外开放。顶层PC机控制端基于ROS开发，对用户开放，可以根据灵巧手开放程度灵活调配两个控制端(即：顶层PC机控制端和底层手掌控制端)的控制任务，并不会影响通信速度和实时性。
本发明摆脱庞大的机箱限制，手指数据发给底层手掌控制端，底层手掌控制端可与EtherCAT主站单元直接通信，通信结构链路短、通信结构简单。
顶层PC机控制端和底层手掌控制端间采用EtherCAT通信协议实现，由于EtherCAT为通用标准协议，现有技术上机器人通信系统大多采用为EtherCAT协议通信，本申请与现有机器人进行对接，通用性强。
本发明采用现有技术的计算机作为EtherCAT主站单元，使得底层手掌控制端与顶层PC机控制端的通信对接不受限制，避免了现有技术中采用灵巧手专用的platform平台进行通信、通用性差的缺陷，进一步提高了本发明系统的通用性。
附图说明
图1是本发明所述基于EtherCAT的灵巧手实时控制系统的原理示意图。
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作出创造性劳动的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。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
实施例1：
参见图1说明本实施方式，本实施方式所述的基于EtherCAT的灵巧手实时控制系统，包括顶层PC机控制端1和底层手掌控制端2；且顶层PC机控制端1和底层手掌控制端2之间遵循EtherCAT通信协议；
顶层PC机控制端1包括EtherCAT主站单元，该EtherCAT主站单元采用计算机实现；
底层手掌控制端2包括EtherCAT从站数据收发单元2-1、EtherCAT从站单元2-2和串行通信收发单元2-3；
EtherCAT从站数据收发单元2-1，用于实时接收机械手上5个手指的关节位置、关节力矩以及触觉信息；其中，将接收的5个手指的关节位置、关节力矩以及触觉信息通过EtherCAT从站数据收发单元2-1发送至EtherCAT主站单元，同时还将接收的5个手指的关节位置、关节力矩发送至EtherCAT从站单元2-2；
EtherCAT主站单元，用于显示5个手指的关节位置、关节力矩以及触觉信息；还用于对接收的5个手指的触觉信息进行处理，获得5个手指的指尖力信息；还用于根据5个手指的指尖力信息、关节位置和关节力矩生成目标控制信号，该目标控制信号通过EtherCAT从站数据收发单元2-1发送至EtherCAT从站单元2-2；
EtherCAT从站单元2-2，用于根据接收的目标控制信号、以及5个手指的关节位置和关节力矩，生成5个手指的PWM控制信号，该5个手指的PWM控制信号通过EtherCAT从站数据收发单元2-1发送至5个手指的关节电机，对5个手指的关节电机进行控制。
具体应用时，通过本发明所述的基于EtherCAT的灵巧手实时控制系统用于对手指进行控制，其不对手指本身做任何改动，且本发明所述的基于EtherCAT的灵巧手实时控制系统作为全新的HIT/DLR II手掌板，取代现有技术的手掌板和DSP-PCI卡。
本发明摆脱庞大的机箱限制，手指数据发给底层手掌控制端2，底层手掌控制端2与EtherCAT主站单元直接通信，整个系统通信结构链路短、通信结构简单。
顶层PC机控制端1和底层手掌控制端2间采用EtherCAT通信协议实现，由于EtherCAT为通用标准协议，现有技术上机器人通信系统大多采用为EtherCAT协议通信，本申请与现有机器人进行对接，通用性强。
本发明采用现有技术的计算机作为EtherCAT主站单元，使得底层手掌控制端2与顶层PC机控制端1的通信对接不受限制，避免了现有技术中采用灵巧手专用的platform平台进行通信、通用性差的缺陷，进一步提高了本发明系统通用性。
进一步的，底层手掌控制端2采用SoC FPGA实现。
具体应用时，底层手掌控制端2位于手掌端，处理器采用一个FPGA实现，软件开发方便，灵巧手同时集成了驱动器、控制器，本身就可以是一个完整的功能单元。
更进一步的，顶层PC机控制端1基于机器人操作系统实现，且顶层PC机控制端1运行在Linux操作系统下，在Linux操作系统下添加xenomai实时补丁获得EtherCAT主站单元实时运行环境。
本优选实施方式中，PC机控制端1的主机运行在Linux操作系统下，打上实时补丁后可以进行实时控制，顶层PC机控制端1在机器人操作系统ROS下开发，相比之前平台开发环境更友好，通用性好，拓展性好，易于开发新功能，灵巧手的应用场景得到了极大的提高。
更进一步的，EtherCAT主站单元采用神经网络对5个手指的触觉信息进行处理，获得5个手指的指尖力信息。
更进一步的，采用指尖触觉传感器采集手指触觉信息，采用关节力矩传感器采集关节力矩，采用关节位置传感器采集关节位置。
更进一步的，手指到底层手掌控制端2的通信周期200us，顶层PC机控制端1和底层手掌控制端2间的通信周期1ms，顶层PC机控制端1的工作周期为1ms。
更进一步的，顶层PC机控制端1采用工业网卡与底层手掌控制端2进行通信。
本优选实施方式中，采用工业网卡作为EtherCAT主站单元通信接口，主机配备工业网卡就行，所以主机可以是笔记本。
虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其他所述实施例中。

Claims (6)

1.基于EtherCAT的灵巧手实时控制系统，其特征在于，包括顶层PC机控制端(1)和底层手掌控制端(2)；且顶层PC机控制端(1)和底层手掌控制端(2)之间遵循EtherCAT通信协议；
顶层PC机控制端(1)包括EtherCAT主站单元，该EtherCAT主站单元采用计算机实现；
底层手掌控制端(2)包括EtherCAT从站数据收发单元(2-1)、EtherCAT从站单元(2-2)和串行通信收发单元(2-3)；
EtherCAT从站数据收发单元(2-1)，用于实时接收机械手上5个手指的关节位置、关节力矩以及触觉信息；其中，将接收的5个手指的关节位置、关节力矩以及触觉信息通过EtherCAT从站数据收发单元(2-1)发送至EtherCAT主站单元，同时还将接收的5个手指的关节位置、关节力矩发送至EtherCAT从站单元(2-2)；
EtherCAT主站单元，用于显示5个手指的关节位置、关节力矩以及触觉信息；还用于对接收的5个手指的触觉信息进行处理，获得5个手指的指尖力信息；还用于根据5个手指的指尖力信息、关节位置和关节力矩生成目标控制信号，该目标控制信号通过EtherCAT从站数据收发单元(2-1)发送至EtherCAT从站单元(2-2)；
EtherCAT从站单元(2-2)，用于根据接收的目标控制信号、以及5个手指的关节位置和关节力矩，生成5个手指的PWM控制信号，该5个手指的PWM控制信号通过EtherCAT从站数据收发单元(2-1)发送至5个手指的关节电机，对5个手指的关节电机进行控制；
底层手掌控制端(2)采用SoC FPGA实现。
2.根据权利要求1所述的基于EtherCAT的灵巧手实时控制系统，其特征在于，顶层PC机控制端(1)基于机器人操作系统实现，且顶层PC机控制端(1)运行在Linux操作系统下，在Linux操作系统下添加xenomai实时补丁获得EtherCAT主站单元实时运行环境。
3.根据权利要求1所述的基于EtherCAT的灵巧手实时控制系统，其特征在于，EtherCAT主站单元采用神经网络对5个手指的触觉信息进行处理，获得5个手指的指尖力信息。
4.根据权利要求1所述的基于EtherCAT的灵巧手实时控制系统，其特征在于，采用指尖触觉传感器采集手指触觉信息，采用关节力矩传感器采集关节力矩，采用关节位置传感器采集关节位置。
5.根据权利要求1所述的基于EtherCAT的灵巧手实时控制系统，其特征在于，手指到底层手掌控制端(2)的通信周期200us，顶层PC机控制端(1)和底层手掌控制端(2)间的通信周期1ms，顶层PC机控制端(1)的工作周期为1ms。
6.根据权利要求1所述的基于EtherCAT的灵巧手实时控制系统，其特征在于，顶层PC机控制端(1)采用工业网卡与底层手掌控制端(2)进行通信。
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