CN203371545U - 基于以太网的机械手运动控制系统 - Google Patents

Abstract

一种基于以太网的机械手运动控制系统，包括基于工控机的上层模块和以ARM处理器为核心的下层运动控制器模块，所述上层模块与所述下层运动控制器模块之间通过以太网方式进行通信连接；所述上层模块包括工控机，所述下层运动控制器模块包括ARM处理器、以太网通信接口、I\O口、外部存储器、驱动模块和步进电机，所述ARM处理器与以太网通信接口、I\O口、外部存储器、驱动模块连接，所述以太网通信接口与所述以太网连接，所述驱动模块与电机连接。本实用新型提出了一种实时性良好、高性能高精度的基于以太网的机械手运动控制系统。

Description

基于以太网的机械手运动控制系统

技术领域

本实用新型涉及机械手运动控制领域，具体涉及一种机械手运动控制系统。

背景技术

目前，国内机械手行业发展迅速，随着生产力的发展和装备技术的进步，对机械手控制技术的要求越来越高，传统结构的机械手控制系统已不能满足对机械手实施高性能控制的要求。高性能的运动控制系统需实时的通过运动规划和插补，将理想的运动曲线转变为电机的运动。控制单元与伺服驱动单元之间需要传输大量的数据，但是目前的机械手控制系统大多采用串口、运动轴卡的方式来连接，这种连接方式存在传输距离有限、数据交换速率低、存在信息交换瓶颈等缺点，所以插补数据一般只能通过离线方式发送给运动控制器，大大影响了机械手控制系统精度和性能的提升。近年来，网络技术发展迅速，商用以太网以其高速度、低成本、技术成熟等特点也慢慢走向了运动控制领域，运动控制技术与网络技术的相结合代表着未来运动控制的发展方向。

发明内容

为了克服目前机械手控制系统的传输速率低，不能满足高速高精度运动控制的需求等问题，本实用新型提出了一种实时性良好、高性能高精度的基于以太网的机械手运动控制系统。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种基于以太网的机械手运动控制系统，包括基于工控机的上层模块和以ARM处理器为核心的下层运动控制器模块，所述上层模块与所述下层运动控制器模块之间通过以太网方式进行通信连接；

所述上层模块包括工控机，所述工控机用以完成人机交互、输入数据处理和与下位机通信，所述下层运动控制器模块负责与上位机进行通讯、进一步处理加工数据、伺进行服控制、I\O模块输入输出等；

所述下层运动控制器模块包括ARM处理器、以太网通信接口、I\O口、外部存储器、驱动模块和步进电机，所述ARM处理器与以太网通信接口、I\O口、外部存储器、驱动模块连接，所述以太网通信接口与所述以太网连接，所述驱动模块与电机连接。

进一步，所述下层运动控制器模块还包括编码器输入接口和编码器模块，所述ARM处理器与编码器输入接口、编码器模块连接，所述编码器输入接口与所述编码器模块连接，所述电机与所述编码器模块连接。

本实用新型的有益效果主要表现在：将系统插补需要的大量运算一部分交给了上位机处理，精插补和最终插补命令的执行交给底层ARM实现，充分利用实时以太网高速实时大容量的数据传输能力，将上层位计算机强大的处理能力和下层ARM微处理器精确的强实时控制能力相结合，大大提高了机械手运动控制系统的速度和精度。此外，本实用新型可以很好的实现远程控制，使工控机远离恶劣的工业生产环境，提高系统可靠性，为生产操作人员提供良好的工作环境。

附图说明

图1是本实用新型的整体结构示意图。

图2是本实用新型控制原理框图。

图3是本实用新型两级插补原理框图。

图4是本实用新型以太网通信模型。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作进一步描述。

参照图1～图4，一种基于以太网的机械手运动控制系统，包括基于工控机的上层模块和以ARM处理器为核心的下层运动控制器模块，所述上层模块与所述下层运动控制器模块之间通过以太网方式进行通信连接。

所述上层模块包括工控机，所述工控机用以完成人机交互、输入数据处理和与下位机通信，所述下层运动控制器模块负责与上位机进行通讯、进一步处理加工数据、伺进行服控制、I\O模块输入输出等；

所述下层运动控制器模块包括ARM处理器、以太网通信接口、I\O口、外部存储器、驱动模块和步进电机，所述ARM处理器与以太网通信接口、I\O口、外部存储器、驱动模块连接，所述以太网通信接口与所述以太网连接，所述驱动模块与电机连接。

ARM微处理采用STM32F407控制器，该MCU主频可达168M，支持单周期DSP指令和浮点单元，能够很好完成数据插补，产生驱动电机的脉冲信号，可代替传统的DSP，节约成本，控制方便。STM32F407内含MAC控制器，配备DM9161A以太网物理接口芯片后，可实现以太网通信功能。

参照图2，该图为本实用新型控制原理框图，上位机对于用户输入的数据进行处理，当数据处理程序将一个程序数据段处理完毕后，控制系统就知道了这段曲线的种类、起点、终点、以及进给速度值。从而可在线段的起点和终点之间进行粗插补工作。然后上位机将粗处理的数据通过高速以太网发送到下位机的缓冲区，下位机从缓冲区中读取数据，一边进行精插补一边将插补结果输出，产生脉冲到驱动器实现对电机的精确控制。以太网通信功能的实现是在ARM平台上搭载嵌入式实时操作系统μC/OS-II，并通过在μC/OS-II上移植开源的TCP/IP协议栈LwIP来实现。

在μC/OS-II系统中我们通过建立相应的任务完成通信数据处理、，通信指令处理、插补算法模块、以太网通信等功能，其中插补运算模块的优先级最高，其次是通信数据处理模块和通信指令处理模块，最后是以太网通信模块。插补运算模块的任务定义每8ms处理一次，即定义该任务的挂起时间是8ms，提供较高的实时性。

参照图3，该图为两级插补原理框图。上层模块的粗插补采用数据采样插补算法中的时间分割法。下层模块采用DDA(数字积分法)圆弧插补。

参照图4，该图为以太网通信模型。传统以太网采用冲突检测载波监听多点访问（CSMA/CD）机制来解决通讯介质层的接入，并采用重发机制进行差错控制。以太网的这种随机竞争接入机制导致了非确定性的产生。以太网的这种通信不确定性会导致系统控制性能下降，控制效果不稳定，甚至会引起系统振荡；在有紧急事件发生时，还可能因报警信息不能得到及时响应而导致灾难事故的发生。所以本系统在以太网MAC（媒体接入控制器）层上增加一个实时调度层，按报文紧急程度建立调度表，保证报警、急停等非周期紧急数据优先处理。对于周期性插补数据。当数据包进入实时调度层，数据用队列进行缓冲。本系统对周期性数据和非周期性数据分别定义了缓冲队列。队列遵循FIFO的原则，主要采用指针数组的循环队列方式实现，数组中的指针指向等待发送的数据。对于在缓冲队列中的数据，将根据数据的紧急程度，按照调度表发送数据包。

Claims (2)

1.一种基于以太网的机械手运动控制系统，其特征在于：包括基于工控机的上层模块和以ARM处理器为核心的下层运动控制器模块，所述上层模块与所述下层运动控制器模块之间通过以太网方式进行通信连接；

所述上层模块包括工控机，所述下层运动控制器模块包括ARM处理器、以太网通信接口、I\O口、外部存储器、驱动模块和步进电机，所述ARM处理器与以太网通信接口、I\O口、外部存储器、驱动模块连接，所述以太网通信接口与所述以太网连接，所述驱动模块与电机连接。

2.如权利要求1所述的基于以太网的机械手运动控制系统，其特征在于：所述下层运动控制器模块还包括编码器输入接口和编码器模块，所述ARM处理器与编码器输入接口、编码器模块连接，所述编码器输入接口与所述编码器模块连接，所述电机与所述编码器模块连接。

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