CN115847402A - 一种融合工业总线与tsn实时网络的机器人控制系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种融合工业总线与TSN实时网络的机器人控制系统，包括各个机器人控制器和各个机器人驱动单元，各个机器人控制器上具有TSN网络接口和工业总线网络接口，各控制器上的TSN网络接口分别通过网线接入TSN交换机，TSN交换机通过TSN实时网络与云端平台进行数据交互，TSN交换机通过非TSN实时网络与以太网交换机进行数据交互，以太网交换机与非TSN计算机进行数据交互，各控制器上的工业总线网络接口分别通过工业总线连接各个机器人驱动单元，机器人驱动单元包括机器人各个关节伺服驱动器。本发明提供的上述方案可有效解决分布式异构网络中控制网络与信息网络的互联互通问题，实现多机智能协同。
Description
技术领域
本发明涉及数据交互和通信领域，具体涉及一种融合工业总线与TSN实时网络的机器人控制系统。
背景技术
机器人发展越来越智能化，控制器也更加复杂化，要求控制总线更加高实时、高带宽、强稳定；同时多机协同运动控制逐渐成为智能制造柔性化生产关键核心技术，需要解决多台机器人之间高效实时稳定通讯的问题。多机之间实时通讯，能够提升机器人工作效率，提高柔性化作业能力，降低生产成本。目前多台机器人之间通过普通的以太网进行数据交互和通讯，这种方式首先无法保证实时性，其次也不能实现运营技术与信息技术的融合。运营技术与信息技术的融合，实现统一的网络架构，能进一步减少开发部署成本，降低控制器等产品网络配置所需的工程时间，降低企业产线管理、运营成本。名称为“一种EtherCAT-TSN工业以太网控制系统”(申请号：201911143470.2)专利申请中公开的技术方案对高实时性、速率要求高、网络速率大，接口比较单一，不能在一个设备里面支持各种总线的协议转换的系统给出解决方案，通过该方案完成各种接口的转换统一。名称为“一种EPA工业总线与时间敏感网络适配系统及方法”(申请号：201911282230.0)专利申请中公开的技术方案可以用于解决EPA以太网不能实时与时间敏感网络连接构建快速通道的技术问题。名称为“一种工业控制网络系统”(申请号：202011222089.8)专利申请中公开的技术方案可以用于解决对于工业设备的IO控制管理问题，通过该方案可以将多个工业IO设备接入该系统中达到统一管理的作用。
但是上述提供的技术方案还均无法解决TSN与工业总线融合的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种融合工业总线与TSN实时网络的机器人控制系统，其可以将TSN与工业总线融合后用于机器人控制器。
本发明采取的技术方案具体如下：
一种融合工业总线与TSN实时网络的机器人控制系统，其特征在于：包括各个机器人控制器和各个机器人驱动单元，各个机器人控制器上具有TSN网络接口和工业总线网络接口，各控制器上的TSN网络接口分别通过网线接入TSN交换机，TSN交换机通过TSN实时网络与云端平台进行数据交互，TSN交换机通过非TSN实时网络与以太网交换机进行数据交互，以太网交换机与非TSN计算机进行数据交互，各控制器上的工业总线网络接口分别通过工业总线连接各个机器人驱动单元，机器人驱动单元包括机器人(机械臂)各个关节伺服驱动器。
具体的方案为：工业总线网络接口为以太网接口1，机器人控制器上还具有以太网接口2，以太网接口1与机器人驱动单元连接，以太网接口2与以太网交换机连接。
在机器人控制器里，将TSN实时网络与工业总线网络进行融合，通过异构网络桥接、高速通道匹配、数据链路映射实现深度融合。
机器人控制器通过TSN网络接口获取其他机器人的运动状态，更新相关待执行任务优先级和运动轨迹规划。具体为：通过TSN网络接口获取其他机器人的数据信息，对数据进行解析，根据解析的结果进行判断、调整机器人运动控制优先级，根据优先级调整机器人运动控制规划方案，调节机器人执行运动控制规划方案。
本发明提供的上述方案，通过设计工业总线与实时网络的一体化架构，保证EtherCAT数据在桥接网络中通过TSN通道高速传输；然后，在TSN网络中设立高精度时间同步与高效数据调度机制，确保数据在分布式网络环境下传输的可靠性和实时性；最后，构建高确定性和低时延的分布式异构网络控制系统，实现分布式智能协同控制。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为各机器人控制器、机器人控制单元、TSN交换机、以太网交换机之间的连接示意图。
图3为调整机器人运动控制优先级和运动控制规划方案的流程示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的及优点更加清楚明白，以下结合实施例对本发明进行具体说明。应当理解，以下文字仅仅用以描述本发明的一种或几种具体的实施方式，并不对本发明具体请求的保护范围进行严格限定。
如图1、2所示，一种融合工业总线与TSN实时网络的机器人控制系统，包括各个机器人控制器和各个机器人驱动单元，各个机器人控制器上具有TSN网络接口和工业总线网络接口，各控制器上的TSN网络接口分别通过网线接入TSN交换机，TSN交换机通过TSN实时网络与云端平台进行数据交互，TSN交换机通过非TSN实时网络与以太网交换机进行数据交互，以太网交换机与非TSN计算机进行数据交互，各控制器上的工业总线网络接口分别通过工业总线连接各个机器人驱动单元，机器人驱动单元包括机器人各个关节伺服驱动器。具体的，工业总线网络接口为以太网接口1，机器人控制器上还具有以太网接口2，以太网接口1与机器人驱动单元连接，以太网接口2与以太网交换机连接。面向群体工业机器人的强实时、高可靠、高带宽数据分发和多机协作的需求，本发明将工业总线与TSN实时网络融合，设计高确定性和低时延网络控制系统框架，解决分布式异构网络中控制网络与信息网络的互联互通问题，实现多机智能协同。
TSN交换机既可以接入TSN实时网络，也可以接入非TSN实时网络，包括运营管理部分非实时网络；实现实时网络与非实时网络兼容，信息技术与运营技术融合。在机器人控制器里，将TSN实时网络与工业总线网络进行融合，通过异构网络桥接、高速通道匹配、数据链路映射实现深度融合。
具体的，采用IEEE802.1as定义的gPTP机制实现时间敏感网络的时间同步，实现精确时钟校准与同步。针对不同优先级的业务数据应用队列调度进行承载质量差异化保证，通过基于时隙化调度或基于QoS的调度方案，最后完成数据转发功能。采用时间敏感型网络中的全集中式配置模型，其中使用集中式网络配置控制器与集中式用户配置控制器，增强服务量的保障能力。
机器人控制器通过TSN网络接口获取其他机器人的运动状态，了解其他机器人运动状态，更新相关待执行任务优先级和运动轨迹规划。机器人控制器通过TSN网络接口与非实时网段设备进行数据信息交互。具体为：机器人控制器在进行运动规划的时候，会根据分布式系统中其他机械臂的运动情况进行实时调整，实现多机协同工作。
具体的，机器人控制器通过TSN网络接口接入TSN交换机，了解到系统中是否有其他机器人；通过以太网口1连接到各个机器人驱动单元，基于实时工业总线实现机器人控制器和驱动单元之间数据交互；通过以太网口2接入普通交换机(以太网交换机)，实现非实时的以太网信息交互；TSN交换机与普通交换机之间通过网线连接，实现TSN实时网段数据与非实时网段数据的交互。
如果了解到系统中没有其他机器人，机器人控制器按照自身运动规划算法进行运动控制；如果了解到系统中有多台机器人设备，各机器人控制器通过TSN网络接口获取其他控制器的实时工业总线数据，机器人控制器在进行运动规划的时候，将其他机器人的运动状态和信息数据作为输入参考信息，更新调整相关待执行任务优先级和运动轨迹规划，提高多机协同作业效率。具体如图3所示。通过TSN网络接口获取其他机器人的数据信息，对数据进行解析，根据解析的结果进行判断、调整机器人运动控制优先级，根据优先级调整机器人运动控制规划方案，调节机器人执行运动控制规划方案。
本发明通过设计工业总线与实时网络的一体化架构，保证EtherCAT数据在桥接网络中通过TSN通道高速传输；然后，在TSN网络中设立高精度时间同步与高效数据调度机制，确保数据在分布式网络环境下传输的可靠性和实时性；最后，构建高确定性和低时延的分布式异构网络控制系统，实现分布式智能协同控制。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。本发明中未具体描述和解释说明的结构、机构以及操作方法，如无特别说明和限定，均按照本领域的常规手段进行实施。
Claims (5)
1.一种融合工业总线与TSN实时网络的机器人控制系统，其特征在于：包括各个机器人控制器和各个机器人驱动单元，各个机器人控制器上具有TSN网络接口和工业总线网络接口，各控制器上的TSN网络接口分别通过网线接入TSN交换机，TSN交换机通过TSN实时网络与云端平台进行数据交互，TSN交换机通过非TSN实时网络与以太网交换机进行数据交互，以太网交换机与非TSN计算机进行数据交互，各控制器上的工业总线网络接口分别通过工业总线连接各个机器人驱动单元，机器人驱动单元包括机器人各个关节伺服驱动器。
2.根据权利要求1所述的融合工业总线与TSN实时网络的机器人控制系统，其特征在于：工业总线网络接口为以太网接口1，机器人控制器上还具有以太网接口2，以太网接口1与机器人驱动单元连接，以太网接口2与以太网交换机连接。
3.根据权利要求1所述的融合工业总线与TSN实时网络的机器人控制系统，其特征在于：在机器人控制器里，将TSN实时网络与工业总线网络进行融合，通过异构网络桥接、高速通道匹配、数据链路映射实现深度融合。
4.根据权利要求1所述的融合工业总线与TSN实时网络的机器人控制系统，其特征在于：机器人控制器通过TSN网络接口获取其他机器人的运动状态，更新相关待执行任务优先级和运动轨迹规划。
5.根据权利要求4所述的融合工业总线与TSN实时网络的机器人控制系统，其特征在于：通过TSN网络接口获取其他机器人的数据信息，对数据进行解析，根据解析的结果进行判断、调整机器人运动控制优先级，根据优先级调整机器人运动控制规划方案，调节机器人执行运动控制规划方案。
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