CN204748631U - 一种基于rs485总线的嵌入式轻型机械臂控制系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种基于RS485总线的嵌入式轻型机械臂控制系统，包括一机械臂嵌入式控制器、一示教器及至少一个节点装置，所述机械臂控制器与示教器通信连接，所述机械臂嵌入式控制器与至少一个节点装置通过4-20Mbps的RS485总线通信连接。本实用新型利用高速RS485总线的速度优势提高控制频率，同时采用嵌入式系统架构大大提升了控制系统的可靠性和成本优势。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种机械臂控制系统，特别涉及一种基于RS485总线的嵌入式轻型机械臂控制系统。
背景技术
轻型机械臂具有重量轻、便于移动、组合灵活、成本低廉的优点，非常适合多品种、小批量的现代生产方式，并且均采用模块化组合方式，具有批量生产的优势。现有轻型机械臂控制系统大多采用基于PC的上位机控制器和CAN总线，由于PC机成本及功耗、散热等问题以及CAN总线的多主多从网络逻辑结构，在应用于轻型机械臂的控制时，并不十分理想。以CAN为例，一个6轴机械臂，外加2个通用IO模块，合计8个节点，每个节点数据量为8字节，CAN通讯报文大约为110位，即便按照CAN总线最快的1Mbps计算，完整的一次8节点通信，至少需要2毫秒。实际工作中，由于考虑可靠性和CAN总线冲突避让问题，一般需要4至5毫秒。不但难以实现高精度的力矩控制，连高精度的高速轨迹控制都难以实现。
实用新型内容
本实用新型的目的在于克服现有技术中所存在的上述不足，提供一种基于RS485总线的嵌入式轻型机械臂控制系统，利用高速RS485总线的速度优势提高控制频率，同时采用嵌入式系统架构大大提升了控制系统的的可靠性和成本优势。
为了实现上述目的，本实用新型提供了以下技术方案：
一种基于RS485总线的嵌入式轻型机械臂控制系统，其特征在于，包括一机械臂嵌入式控制器、一示教器及至少一个节点装置，所述机械臂控制器与示教器通信连接，所述机械臂嵌入式控制器与至少一个节点装置通过4-20Mbps的RS485总线通信连接。
优选的，所述机械臂嵌入式控制器包括一嵌入式处理器、一可编程逻辑核心的RS485协议处理芯片和一RS485高速隔离收发器。
优选的，所述嵌入式处理器采用Freescale的MCIMX6Q6AVT10AC多核嵌入式处理器，所述可编程逻辑核心的RS485协议处理芯片采用Altera的EP4CE6E22I7可编程逻辑芯片，所述RS485高速隔离收发器采用ISO3088芯片。
优选的，所述节点装置由节点模块和应用模块构成，所述节点模块包括一可编程逻辑器件核心的RS485协议处理芯片和一RS485高速隔离收发器，所述应用模块为伺服驱动模块、数字输入输出模块或模拟输入输出模块。
优选的，所述可编程逻辑核心的RS485协议处理芯片采用Lattice的iCE40LP1K可编程逻辑芯片，所述RS485高速隔离收发器采用ISO3088芯片。
优选的，所述节点模块和应用模块之间采用并行总线和串行总线通信。
优选的，所述伺服驱动模块采用ST的STM32F405RG处理器芯片。
优选的，所述机械臂嵌入式控制器通过LVDS信号传送人机界面显示信息到示教器显示，同时示教器的键盘和触摸输入信息通过RS422总线传输到机械臂嵌入式控制器。
优选的，其特征在于，所述RS485总线采用10Mbps通信速率。
优选的，其特征在于，所述节点装置为1-32个。
与现有技术相比，本实用新型的有益效果：
1.本实用新型的控制系统性能优越，由于采用了可高达10Mbps的高速RS485总线，并使用FPGA和CPLD加速协议处理，使控制周期由4-5毫秒缩短到1毫秒以内，同时节点数量可以增加至32个，具有良好的扩展能力；
2.本实用新型的控制系统采用实时嵌入式系统的控制器核心，使控制器软件和示教器软件运行于同一个多核处理器上，免去了示教器的复杂设计、简化了控制器和示教器之间复杂的通信协议，不但提高了可靠性，而且成本更加低廉。
附图说明
图1为本实用新型的嵌入式轻型机械臂控制系统结构图
图2为本实用新型的机械臂嵌入式控制器结构图
图3为本实用新型节点的节点模块结构图
具体实施方式
下面结合试验例及具体实施方式对本实用新型作进一步的详细描述。但不应将此理解为本实用新型上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本实用新型内容所实现的技术均属于本实用新型的范围。
本发明的体系结构如图1所示，由3大组成部分构成：机械臂控制器本体，示教器和节点，节点数量与机械臂轴数及IO数量有关，最大节点由RS485通信速率决定，当RS485总线运行于10Mbsp时，节点可达32个。
如图2所示，控制器本体由两部分核心组成：基于Freescale公司MCIMX6Q6AVT10AC多核嵌入式处理器的核心控制电路及基于Altera公司EP4CE6E22I7现场可编程门阵列的RS485通信协议加速处理单元。MCIMX6Q6AVT10AC运行实时Linux操作系统及机器人运动控制相关算法和I/O逻辑处理软件，以及基于QT环境的人机界面软件，上述操作系统以及相关算法和软件均为本领域所公知的，在此不做赘述。人机界面的显示信息通过LVDS信号传送到示教器显示，同时示教器的键盘、触摸等输入信息通过RS422总线传输到控制器本体。运动控制和I/O控制相关信息由处理器传送到FPGA后，FPGA对数据打包、传输，并自动接收来自各节点的应答数据包，存放到内部缓冲区供处理器读取。FPGA对发送数据打包后，变为1bit数据流，经过进入高速隔离RS485收发器ISO3088。ISO3088最高隔离、收发速度为20Mbps，完全满足10Mbps的要求。
示教器负责显示人机界面信息，并将用户按键信息传送给控制器，由于控制器采用的是实时操作系统，因此示教器只有LVDS到液晶屏使用的TTL信号的转换电路，结构简单，可靠性高。
节点分为若干种类型，最基本的是控制电机用的伺服驱动节点，然后是通用数字输入输出节点和模拟输入输出节点等。虽然节点具体功能不同，但是均由两个部分构成：节点模块和应用模块。
各个节点使用相同的节点模块，都由高速隔离RS485收发器ISO3088及Lattice公司的iCE40LP1K-QN84复杂可编程逻辑器件组成。iCE40LP1K-QN84负责接收总线上的数据，并判断是否为发送给本节点的数据，然后将本节点状态或者输入信息发送到总线上以供控制器接收。iCE40LP1K-QN84收发的数据，最终由节点上的处理器来进行处理。节点模块和应用模块之间使用并行和串行总线通信，并且采用开放式协议，用户可以自己设计制造符合标准的应用模块。
节点的应用模块，根据最终应用不同分为几类，如驱动直流无刷电机的低压电机驱动模块、实现数字量输入输出的数字I/O模块、实现模拟量输入输出的模拟I/O模块等。节点处理器选用ST公司的STM32F4系列处理器STM32F405RG，主频168MHz，带有单精度浮点指令，非常适合电机驱动。同时其封装为QFP64，体积小，配合QFN84封装的iCE40LP1K-QN84，节点的主要控制部分电路集成度高、占用电路板面积小，非常适合空间狭窄的电机/驱动一体化设计。
为提高控制器通信效率，减少处理器时间消耗，RS485总线采用时间按分段的通信方式，每个节点只能再规定时间内通信，因此使用控制器端的FPGA和节点端的CPLD来加速协议处理，在协议处理过程中不需要CPU介入，只有协议处理完毕后，FPGA或者CPLD才产生中断逻辑，通知CPU进行数据处理。采用可编程逻辑器件进行RS485协议处理属于本领域所公知的，在此不做赘述。
Claims (10)
1.一种基于RS485总线的嵌入式轻型机械臂控制系统，其特征在于，包括一机械臂嵌入式控制器、一示教器及至少一个节点装置，所述机械臂控制器与示教器通信连接，所述机械臂嵌入式控制器与至少一个节点装置通过4-20Mbps的RS485总线通信连接。
2.根据权利要求1所述的基于RS485总线的嵌入式轻型机械臂控制系统，其特征在于，所述机械臂嵌入式控制器包括一嵌入式处理器、一可编程逻辑核心的RS485协议处理芯片和一RS485高速隔离收发器。
3.根据权利要求2所述的基于RS485总线的嵌入式轻型机械臂控制系统，其特征在于，所述嵌入式处理器采用Freescale的MCIMX6Q6AVT10AC多核嵌入式处理器，所述可编程逻辑核心的RS485协议处理芯片采用Altera的EP4CE6E22I7可编程逻辑芯片，所述RS485高速隔离收发器采用ISO3088芯片。
4.根据权利要求1-3任一项所述的基于RS485总线的嵌入式轻型机械臂控制系统，其特征在于，所述节点装置由节点模块和应用模块构成，所述节点模块包括一可编程逻辑器件核心的RS485协议处理芯片和一RS485高速隔离收发器，所述应用模块为伺服驱动模块、数字输入输出模块或模拟输入输出模块。
5.根据权利要求4所述的基于RS485总线的嵌入式轻型机械臂控制系统，其特征在于，所述可编程逻辑核心的RS485协议处理芯片采用Lattice的iCE40LP1K可编程逻辑芯片，所述RS485高速隔离收发器采用ISO3088芯片。
6.根据权利要求4所述的基于RS485总线的嵌入式轻型机械臂控制系统，其特征在于，所述节点模块和应用模块之间采用并行总线和串行总线通信。
7.根据权利要求4所述的基于RS485总线的嵌入式轻型机械臂控制系统，其特征在于，所述伺服驱动模块采用ST的STM32F405RG处理器芯片。
8.根据权利要求1-3任一项所述的基于RS485总线的嵌入式轻型机械臂控制系统，其特征在于，所述机械臂嵌入式控制器通过LVDS信号传送人机界面显示信息到示教器显示，同时示教器的键盘和触摸输入信息通过RS422总线传输到机械臂嵌入式控制器。
9.根据权利要求1-3任一项所述的基于RS485总线的嵌入式轻型机械臂控制系统，其特征在于，所述RS485总线采用10Mbps通信速率。
10.根据权利要求1-3任一项所述的基于RS485总线的嵌入式轻型机械臂控制系统，其特征在于，所述节点装置为1-32个。
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| CN201520191404.3U CN204748631U (zh) | 2015-03-31 | 2015-03-31 | 一种基于rs485总线的嵌入式轻型机械臂控制系统 |
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Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN104760049A (zh) * | 2015-03-31 | 2015-07-08 | 南通艾利特自动化有限公司 | 一种基于rs485总线的嵌入式轻型机械臂控制系统 |
| CN109062051A (zh) * | 2018-08-28 | 2018-12-21 | 苏州艾利特机器人有限公司 | 一种提高机器人动力学参数辨识精度的方法 |
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