一種基于CANopen的機(jī)械臂關(guān)節(jié)電機(jī)控制方法及系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于CANopen的機(jī)械臂關(guān)節(jié)電機(jī)控制方法及系統(tǒng)，該方法包括以下幾個(gè)步驟：步驟1：將各機(jī)械臂關(guān)節(jié)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)器連接于CAN總線上，CAN總線進(jìn)入預(yù)操作狀態(tài)；步驟2：基于PDO協(xié)議對(duì)電機(jī)進(jìn)行PDO配置；步驟3：選擇電機(jī)運(yùn)行模式；步驟4：對(duì)關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)軌跡采用高階多項(xiàng)式插值得到控制量；步驟5：對(duì)電機(jī)發(fā)送控制指令，完成對(duì)機(jī)械臂關(guān)節(jié)電機(jī)的控制；該方法適用于所有CAN總線下支持CANopen協(xié)議的電機(jī)伺服控制系統(tǒng)，由于現(xiàn)場總線的引入，省去了大量的數(shù)據(jù)線和接口，使得系統(tǒng)調(diào)試和維護(hù)更加的簡便。基于該方法的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、易于實(shí)現(xiàn)，通過CAN網(wǎng)絡(luò)對(duì)電機(jī)控制，實(shí)現(xiàn)了關(guān)節(jié)電機(jī)位置環(huán)和速度環(huán)控制。
【專利說明】-種基于CANopen的機(jī)械臂關(guān)節(jié)電機(jī)控制方法及系統(tǒng)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及伺服電機(jī)控制技術(shù)，特別涉及一種基于CANopen的機(jī)械臂關(guān)節(jié)電機(jī)控 制方法及系統(tǒng)。

【背景技術(shù)】
[0002] CAN是Controller Area Network的縮寫，是ISO國際標(biāo)準(zhǔn)化的串行通信協(xié)議，廣 泛應(yīng)用于汽車產(chǎn)業(yè)。從ISO網(wǎng)絡(luò)模型的角度來看同，CAN只定義物理層和數(shù)據(jù)鏈路層，沒有 規(guī)定應(yīng)用層，本身并不完整，需要一個(gè)高層協(xié)議來定義CAN報(bào)文中的11/29位標(biāo)識(shí)符、8字節(jié) 數(shù)據(jù)的使用。CANopen協(xié)議是CAN-in-Automation (CiA)定義的標(biāo)準(zhǔn)之一，并且在發(fā)布后不 久就獲得了廣泛的承認(rèn)，尤其是在歐洲，CANopen協(xié)議被認(rèn)為是在基于CAN的工業(yè)系統(tǒng)中占 領(lǐng)導(dǎo)地位的標(biāo)準(zhǔn)。大多數(shù)重要的設(shè)備對(duì)象，例如數(shù)字和模擬的輸入輸出模塊、驅(qū)動(dòng)設(shè)備、操 作設(shè)備、控制器、可編程控制器或編碼器，都在被稱為"設(shè)備描述"的協(xié)議中進(jìn)行描述。"設(shè) 備描述"定義了不同類型的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備及其相應(yīng)的功能，依靠CANopen協(xié)議的支持，可以對(duì)不 同廠商的設(shè)備通過總線進(jìn)行配置。
[0003] CiA Draft Standard 301 和 CiA Draft Standard Proposal 402 分別為 CANopen 協(xié)議中的通訊子協(xié)議和面向運(yùn)動(dòng)控制的設(shè)備子協(xié)議。CiA Draft Standard 301中主要是 對(duì)通訊對(duì)象的描述，CAN總線的管理和TOO的配置都要使用到其中的對(duì)象字典；CiA Draft Standard Proposal 402描述了運(yùn)動(dòng)控制設(shè)備對(duì)象，比如電機(jī)運(yùn)動(dòng)的轉(zhuǎn)速、編碼器位置值和 電機(jī)轉(zhuǎn)矩等對(duì)象，這些對(duì)象以對(duì)象字典的形式存放，只要修改對(duì)象字典的值就可以實(shí)現(xiàn)對(duì) 電機(jī)的控制。
[0004] 然而，現(xiàn)有技術(shù)中機(jī)械臂的PTP運(yùn)動(dòng)控制復(fù)雜，因此如何基于CANopen協(xié)議實(shí)現(xiàn)對(duì) 機(jī)器人關(guān)節(jié)電機(jī)的控制，并且使得關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)平滑、穩(wěn)定，始終保持在關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)容許的范圍內(nèi) 是有待解決的問題。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明提出了一種基于CANopen的機(jī)械臂關(guān)節(jié)電機(jī)控制方法及系統(tǒng)，通過采用通 用于CANopen下的電機(jī)伺服控制方法，同時(shí)利用高階多項(xiàng)式插值算法對(duì)關(guān)節(jié)軌跡插值得到 每個(gè)時(shí)間點(diǎn)關(guān)節(jié)角度、速度、加速度等控制量，確保機(jī)械臂關(guān)節(jié)連續(xù)、平穩(wěn)、無抖動(dòng)的運(yùn)動(dòng)。
[0006] 本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：
[0007] -種基于CANopen的機(jī)械臂關(guān)節(jié)電機(jī)控制方法，包括以下幾個(gè)步驟：
[0008] 步驟1 :將各機(jī)械臂關(guān)節(jié)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)器連接于CAN總線上，并對(duì)所有驅(qū)動(dòng)器上電， CAN總線進(jìn)入預(yù)操作狀態(tài)；
[0009] 步驟2 :控制端通過CAN卡將電機(jī)控制量對(duì)應(yīng)的對(duì)象字典映射到CAN總線上的每 個(gè)驅(qū)動(dòng)器的PD0單元，基于PD0協(xié)議進(jìn)行PD0配置，并將CAN總線設(shè)為可操作狀態(tài)；
[0010] 所述電機(jī)控制量包括電機(jī)轉(zhuǎn)速和電流，電機(jī)所在關(guān)節(jié)的目標(biāo)位置、加速度、減速 度、位置反饋量及速度反饋量；
[0011] 步驟3 :按照控制需求，利用控制端從位置模式或速度模式中選擇電機(jī)運(yùn)行模式；
[0012] 步驟4:依照控制目標(biāo)，對(duì)關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)軌跡采用高階多項(xiàng)式插值得到每個(gè)時(shí)間點(diǎn)關(guān) 節(jié)位置、速度及加速度的控制量；
[0013] 步驟5 :依據(jù)步驟4得到的控制量，通過PD0通訊方式對(duì)工作在位置模式或速度模 式下的電機(jī)發(fā)送控制指令，完成對(duì)機(jī)械臂關(guān)節(jié)電機(jī)的控制；
[0014] 所述電機(jī)控制指令包括位置指令、速度指令以及加減速度指令。
[0015] PD0(process data object)通訊方式適用于高速數(shù)據(jù)傳輸，一個(gè)報(bào)文最多可以傳 輸8個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)，電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制中驅(qū)動(dòng)器狀態(tài)、電機(jī)運(yùn)行速度、電機(jī)位置值、加減速度等控 制量對(duì)實(shí)時(shí)性要求很高，且數(shù)據(jù)量大，將這些控制量對(duì)應(yīng)的對(duì)象字典衍射到R/TPD0上可以 滿足實(shí)時(shí)性要求，標(biāo)識(shí)符采用默認(rèn)方式定義。PD0的配置是由服務(wù)數(shù)據(jù)對(duì)象SDCKservice data object)通訊方式實(shí)現(xiàn)的，SD0通訊方式通過索引和子索引來訪問設(shè)備的對(duì)象字典，數(shù) 據(jù)攜帶量小，適合于參數(shù)設(shè)置、功能配置等工作。
[0016] 基于PD0協(xié)議將電機(jī)控制的對(duì)象字典映射為下表中所示的標(biāo)識(shí)符及傳輸方式： [0017]表 1
[0018]

【權(quán)利要求】
1. 一種基于CANopen的機(jī)械臂關(guān)節(jié)電機(jī)控制方法，其特征在于，包括以下幾個(gè)步驟： 步驟1 :將各機(jī)械臂關(guān)節(jié)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)器連接于CAN總線上，并對(duì)所有驅(qū)動(dòng)器上電，CAN總 線進(jìn)入預(yù)操作狀態(tài)； 步驟2 :控制端通過CAN卡將電機(jī)控制量對(duì)應(yīng)的對(duì)象字典映射到CAN總線上的每個(gè)驅(qū) 動(dòng)器的PD0單元，基于PD0協(xié)議進(jìn)行PD0配置，并將CAN總線設(shè)為可操作狀態(tài)； 所述電機(jī)控制量包括電機(jī)轉(zhuǎn)速和電流，電機(jī)所在關(guān)節(jié)的目標(biāo)位置、加速度、減速度、位 置反饋量及速度反饋量； 步驟3 :按照控制需求，利用控制端從位置模式或速度模式中選擇電機(jī)運(yùn)行模式； 步驟4:依照控制目標(biāo)，對(duì)關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)軌跡采用高階多項(xiàng)式插值得到每個(gè)時(shí)間點(diǎn)關(guān)節(jié)位 置、速度及加速度的控制量； 步驟5 :依據(jù)步驟4得到的控制量，通過PD0通訊方式對(duì)工作在位置模式或速度模式下 的電機(jī)發(fā)送控制指令，完成對(duì)機(jī)械臂關(guān)節(jié)電機(jī)的控制； 所述電機(jī)控制指令包括位置指令、速度指令以及加減速度指令。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于CANopen的機(jī)械臂關(guān)節(jié)電機(jī)控制方法，其特征在于，基于 PD0協(xié)議將電機(jī)控制的對(duì)象字典映射為下表中所示的標(biāo)識(shí)符及傳輸方式：
其中，R/TPDOx為接收或發(fā)送對(duì)象，節(jié)點(diǎn)id為驅(qū)動(dòng)器在CAN總線上的節(jié)點(diǎn)標(biāo)號(hào)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于CANopen的機(jī)械臂關(guān)節(jié)電機(jī)控制方法，其特征在于，利用 同步信號(hào)傳輸驅(qū)動(dòng)器實(shí)時(shí)獲取機(jī)械臂關(guān)節(jié)電機(jī)的工作狀態(tài)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于CANopen的機(jī)械臂關(guān)節(jié)電機(jī)控制方法，其特征在于，對(duì)各 機(jī)械臂關(guān)節(jié)的軌跡P(t)采用高階多項(xiàng)式插值得到每個(gè)時(shí)間點(diǎn)關(guān)節(jié)位置、速度及加速度： P(t) = a〇+a3t3+a4t4+a 5t5 且需要滿足以下約束條件： P(〇) = P〇,P/ (0) = 〇,Ρ/7 (0) = Ρ" 〇 P(td)=Pd，P' （td) = Ρ' d，Ρ" (td) = Ρ" d 其中，αο = Ρ〇，αι = Ρ' 0，

其中，t表示機(jī)械臂關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)時(shí)間，td表示機(jī)械臂關(guān)節(jié)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)時(shí)間，匕和Pd分別為機(jī) 械臂關(guān)節(jié)初始位置和目標(biāo)位置，P' ^和P d分別為機(jī)械臂關(guān)節(jié)初始位置速度和目標(biāo)位置 速度，P" ^和P" d分別為機(jī)械臂關(guān)節(jié)初始位置加速度和目標(biāo)位置加速度。
5. -種基于CANopen的機(jī)械臂關(guān)節(jié)電機(jī)控制系統(tǒng)，其特征在于，包括CAN卡、上位機(jī)及 CAN總線，上位機(jī)、CAN卡及CAN總線依次相連，各機(jī)械臂關(guān)節(jié)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)器連接于CAN總線 上；上位機(jī)采用權(quán)利要求1-4任一項(xiàng)所述的基于CANopen的機(jī)械臂關(guān)節(jié)電機(jī)控制方法，通過 CAN卡對(duì)連接在CAN總線上的各機(jī)械臂關(guān)節(jié)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行roo配置，基于roo協(xié)議和配 制的控制量，對(duì)機(jī)械臂關(guān)節(jié)電機(jī)進(jìn)行控制。
【文檔編號(hào)】B25J9/18GK104290096SQ201410469982
【公開日】2015年1月21日 申請(qǐng)日期:2014年9月16日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月16日
【發(fā)明者】王耀南, 高小龍 申請(qǐng)人:湖南大學(xué)