一種用于6自由度并聯(lián)機(jī)器人的專用運(yùn)動(dòng)控制器硬件平臺(tái)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種用于6自由度并聯(lián)機(jī)器人的專用運(yùn)動(dòng)控制器硬件平臺(tái)，一方面采用總線方式實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)電機(jī)的控制，具體的底層驅(qū)動(dòng)由智能設(shè)備完成，有效地保證控制精度，并能夠?qū)υO(shè)備狀態(tài)、故障等進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，具有良好的一致性和可擴(kuò)展性；另一方面，外部傳感器的采樣功能由輔助功能芯片F(xiàn)PGA來(lái)完成，而作為主控芯片的ARM微控制器則只是在需要的時(shí)候通過(guò)外部接口獲取需要的數(shù)據(jù)，這樣的功能分配能有效的降低主控芯片的開銷，將更多的資源用于控制系統(tǒng)安全性和精確的控制；另外，在運(yùn)動(dòng)控制器中集成了6自由度并聯(lián)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)算法，能使專用運(yùn)動(dòng)控制器在各種場(chǎng)合通過(guò)簡(jiǎn)單命令實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)構(gòu)的控制并獲取必要的數(shù)據(jù)。
【專利說(shuō)明】—種用于6自由度并聯(lián)機(jī)器人的專用運(yùn)動(dòng)控制器硬件平臺(tái)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及機(jī)器人學(xué)和多軸運(yùn)動(dòng)控制器【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種面向6自由度并聯(lián)機(jī)器人的專用運(yùn)動(dòng)控制器硬件平臺(tái)。

【背景技術(shù)】
[0002]六自由度并聯(lián)機(jī)器人被廣泛地應(yīng)用于運(yùn)動(dòng)模擬、高精度位姿調(diào)整和數(shù)控加工等系統(tǒng)中。六自由度并聯(lián)機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)通常采用六個(gè)具有滑動(dòng)自由度的伺服電動(dòng)缸實(shí)現(xiàn)。為了實(shí)現(xiàn)六個(gè)電動(dòng)缸的高精度控制并兼顧它們之間的運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)，從而實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的精密運(yùn)動(dòng)控制，研究六自由度并聯(lián)機(jī)器人的專用運(yùn)動(dòng)控制器是非常必要的。
[0003]六自由度并聯(lián)機(jī)器人有六條驅(qū)動(dòng)分支，屬于多軸運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，各個(gè)軸的協(xié)調(diào)運(yùn)行至關(guān)重要，通常情況下各軸之間的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性會(huì)有一定的差異，尤其在高速輪廓控制(Contouring Control)時(shí)會(huì)造成顯著的誤差，必須設(shè)計(jì)一個(gè)運(yùn)動(dòng)控制器以整體考慮的觀點(diǎn)來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。因此，該六自由度并聯(lián)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)采用兩層結(jié)構(gòu):由高階的運(yùn)動(dòng)控制器與低階的伺服驅(qū)動(dòng)器所組成，運(yùn)動(dòng)控制器負(fù)責(zé)運(yùn)動(dòng)控制命令譯碼、各個(gè)位置控制軸彼此間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)、加減速輪廓控制等等，其主要功能在于降低整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)控制的路徑誤差；伺服驅(qū)動(dòng)器負(fù)責(zé)伺服電機(jī)的位置控制，主要功能在于降低伺服軸的隨動(dòng)誤差。上層運(yùn)動(dòng)控制器完成位置環(huán)和速度環(huán)控制，下層伺服驅(qū)動(dòng)器完成力矩環(huán)控制。這樣結(jié)合了分散控制和集中控制的優(yōu)點(diǎn)，既可以滿足各個(gè)軸的需要，又可以使多個(gè)軸整體協(xié)調(diào)運(yùn)行。
[0004]目前，在國(guó)內(nèi)外公開的可用于并聯(lián)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制器有以下四類:
[0005](l)PMAC運(yùn)動(dòng)控制器。PMAC(programmable mult1-axes controller)是美國(guó)DeltaTau公司九十年代推出的開放式多軸運(yùn)動(dòng)控制器，它提供運(yùn)動(dòng)控制、離散控制、內(nèi)務(wù)處理、同主機(jī)的交互等數(shù)控的基本功能。其內(nèi)部使用了一片Motorola數(shù)字信號(hào)處理芯片，伺服控制包括PID加Notch和速度、加速度前饋控制，其伺服周期單軸可達(dá)60微秒，二軸聯(lián)動(dòng)為110微秒。產(chǎn)品的種類可從二軸聯(lián)動(dòng)到三十二軸聯(lián)動(dòng)。并且每軸可以分別配置成不同的伺服類型和多種反饋類型。
[0006](2)XMP-SynqNet_PCI運(yùn)動(dòng)控制器。該運(yùn)動(dòng)控制器為美國(guó)運(yùn)動(dòng)工程公司(MEI，Mot1n Engineering Inc)的產(chǎn)品，其內(nèi)部使用了一片Motorola數(shù)字信號(hào)處理芯片，伺服控制包括PID加Notch和速度、加速度前饋控制、PT (位置、時(shí)間)模式及PVT (位置、速度、時(shí)間)模式，其獨(dú)特的SynqNet總線可以最多控制32軸，伺服周期4軸可達(dá)50微秒、8軸可達(dá)100微秒。
[0007](3)固高GT系列多軸運(yùn)動(dòng)控制器。基于DSP和FPGA技術(shù)，固高公司開發(fā)了多個(gè)系列的運(yùn)動(dòng)控制器，其中GT系列可用于多軸的伺服/步進(jìn)電機(jī)控制。該系列運(yùn)動(dòng)控制器適用ISA/PC104總線，最多可以實(shí)現(xiàn)8軸電機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制，伺服周期4軸為200微秒?？刂扑惴镻ID+速度前饋+加速度前饋。
[0008](4)NI運(yùn)動(dòng)控制器。最多可配置8軸的步進(jìn)/伺服電機(jī)，適用于各類運(yùn)動(dòng)應(yīng)用，提供混合運(yùn)動(dòng)軌跡控制和完全協(xié)同的圓形、線性、點(diǎn)到點(diǎn)、齒輪和空間矢量控制。
[0009]上述4類可以用于6自由度并聯(lián)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制器均存在以下兩個(gè)弊端:1)價(jià)格昂貴；2)開放性弱，不能由用戶自行修改控制算法。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明旨在提供一種針對(duì)6自由度并聯(lián)機(jī)器人的高效、專用的多軸運(yùn)動(dòng)控制器，實(shí)現(xiàn)并聯(lián)機(jī)器人的高精度、高協(xié)調(diào)性的精密運(yùn)動(dòng)控制。
[0011]為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案:
[0012]一種用于6自由度并聯(lián)機(jī)器人的專用運(yùn)動(dòng)控制器硬件平臺(tái)，包括輸入輸出模塊，上位機(jī)通訊模塊、采樣模塊、CAN總線模塊、ARM微控制器與FPGA信息傳輸模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊、FPGA邏輯模塊、ARM微控制器模塊:
[0013]所述輸入輸出模塊用于實(shí)現(xiàn)對(duì)外部器件的開關(guān)量控制；
[0014]所述上位機(jī)通訊模塊用于所述ARM微控制器與上位機(jī)進(jìn)行信息交互；
[0015]所述采樣模塊包括限位開關(guān)采樣單元，所述限位開關(guān)采樣單元用于獲取電動(dòng)缸上下限位開關(guān)器件的開關(guān)量信號(hào)；
[0016]所述CAN總線模塊作為ARM微控制器與伺服驅(qū)動(dòng)器連接的接口單元，通過(guò)信號(hào)線與伺服驅(qū)動(dòng)器連接，用于實(shí)現(xiàn)以所述ARM微控制器和6臺(tái)伺服驅(qū)動(dòng)器組成的CAN總線網(wǎng)絡(luò)的信息交互；
[0017]所述ARM微控制器與FPGA信息傳輸模塊包括數(shù)據(jù)交互單元，所述數(shù)據(jù)交互單元采用SPI通訊方式，實(shí)現(xiàn)ARM微控制器與FPGA之間的數(shù)據(jù)交互；
[0018]所述數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊用于保存控制系統(tǒng)的部分關(guān)鍵參數(shù)，采用I2C通信方式完成數(shù)據(jù)的交互；
[0019]所述FPGA邏輯模塊對(duì)所述采樣模塊獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后，通過(guò)所述ARM微控制器與FPGA信息傳輸模塊實(shí)現(xiàn)與所述ARM微控制器模塊的信息交互；
[0020]所述ARM微控制器模塊通過(guò)所述上位機(jī)通訊模塊與上位機(jī)連接，接收上位機(jī)的命令，并通過(guò)所述ARM微控制器與FPGA信息傳輸模塊、所述CAN總線模塊獲取信息，然后通過(guò)所述CAN總線模塊對(duì)伺服驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行控制。
[0021]需要說(shuō)明的是，所述上位機(jī)通訊模塊采用RS422異步串行通訊方式，實(shí)現(xiàn)所述ARM微控制器與上位機(jī)的數(shù)據(jù)信息交互。
[0022]需要說(shuō)明的是，所述采樣模塊還包括磁致伸縮長(zhǎng)度傳感器采樣單元，其采用同步串行接口 SSI進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，用于獲取當(dāng)前6根電動(dòng)缸的伸縮量。
[0023]需要說(shuō)明的是，CAN總線模塊中，所述ARM微控制器為CAN總線網(wǎng)絡(luò)中的主站，六臺(tái)驅(qū)動(dòng)器作為CAN總線網(wǎng)絡(luò)中獨(dú)立的六個(gè)從站。
[0024]需要說(shuō)明的是，所述CAN總線模塊是以CANopen協(xié)議作為高級(jí)應(yīng)用層協(xié)議，實(shí)現(xiàn)整個(gè)總線網(wǎng)絡(luò)信息交互，包括如下功能:
[0025]1)所述主站，可分別控制所述從站包括速度、加速度、運(yùn)動(dòng)量在內(nèi)的基本運(yùn)動(dòng)參數(shù)；根據(jù)需要可以對(duì)所述從站發(fā)送同步信號(hào)，以實(shí)現(xiàn)同步運(yùn)動(dòng)；
[0026]2)所述主站,可對(duì)所述從站的基本CANopen參數(shù)進(jìn)行設(shè)定；
[0027]3)所述主站，可以控制所述從站進(jìn)入各種不同的狀態(tài)；
[0028]4)所述從站，分別發(fā)送伺服電機(jī)絕對(duì)編碼器值給所述主站，供主站中各種功能模塊及相關(guān)算法使用；
[0029]5)所述從站，分別發(fā)送各臺(tái)驅(qū)動(dòng)器及電機(jī)的狀態(tài)給所述主站，發(fā)送的狀態(tài)包括電機(jī)的電流、力矩、速度、驅(qū)動(dòng)器狀態(tài)、驅(qū)動(dòng)器錯(cuò)誤描述、總線狀態(tài)。
[0030]需要說(shuō)明的是，所述ARM微控制器與FPGA信息傳輸模塊還包括中斷信號(hào)單元，用于FPGA對(duì)ARM微控制器的中斷請(qǐng)求。
[0031]需要說(shuō)明的是，所述FPGA邏輯模塊為FPGA最小系統(tǒng)。
[0032]需要進(jìn)一步說(shuō)明的是，所述采樣模塊全部功能、所述ARM微控制器與FPGA信息傳輸模塊部分功能包括中斷、SPI通訊是由FPGA來(lái)完成。
[0033]需要說(shuō)明的是，所述ARM微控制器模塊為ARM最小系統(tǒng)。
[0034]需要進(jìn)一步說(shuō)明的是，所述上位機(jī)通訊模塊、所述CAN總線模塊全部功能、所述ARM微控制器與FPGA信息傳輸模塊部分功能包括中斷、SPI通訊，由ARM微控制器來(lái)完成。
[0035]需要說(shuō)明的是，所述ARM微控制器模塊包括6自由度并聯(lián)機(jī)器人的位置正逆解算法單元，用于實(shí)現(xiàn)6自由度并聯(lián)機(jī)器人姿態(tài)坐標(biāo)到支腿長(zhǎng)度，支腿長(zhǎng)度到姿態(tài)坐標(biāo)的變換。
[0036]需要說(shuō)明的是，所述ARM微控制器模塊還包括運(yùn)動(dòng)控制單元和安全保護(hù)單元，分別用于實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)控制和用于防止運(yùn)動(dòng)過(guò)程中意外情況的發(fā)生。
[0037]本發(fā)明的有益效果在于:
[0038]1、本發(fā)明采用與傳統(tǒng)多軸運(yùn)動(dòng)控制器不同的控制方法，采用總線方式，實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)電機(jī)的控制，具體的底層驅(qū)動(dòng)由技術(shù)比較成熟的智能設(shè)備完成。采用這種控制方式，能有效的保證控制精度，并能夠?qū)υO(shè)備狀態(tài)、故障等進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，具有良好的一致性和可擴(kuò)展性。
[0039]2、本發(fā)明中外部傳感器的采樣功能有輔助功能芯片F(xiàn)PGA來(lái)完成，而作為主控芯片的ARM微控制器則只是在需要的時(shí)候通過(guò)外部接口獲取需要的數(shù)據(jù)，這樣的功能分配能有效的降低主控芯片的開銷，將更多的資源用于控制系統(tǒng)安全性和精確的控制。
[0040]3、本發(fā)明在運(yùn)動(dòng)控制器中集成了 6自由度并聯(lián)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)求解算法，能使專用運(yùn)動(dòng)控制器在各種場(chǎng)合通過(guò)簡(jiǎn)單命令實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)構(gòu)的控制并獲取必要的數(shù)據(jù)。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0041]圖1是6自由度并聯(lián)機(jī)器人控制系統(tǒng)整體示意圖；
[0042]圖2是專用運(yùn)動(dòng)控制器功能模塊示意圖；
[0043]圖3是專用運(yùn)動(dòng)控制器具體功能實(shí)現(xiàn)方案示意圖；
[0044]圖4是專用運(yùn)動(dòng)控制器FPGA邏輯模塊功能示意圖；
[0045]圖5是專用運(yùn)動(dòng)控制器ARM微控制器模塊功能示意圖；
[0046]圖6是專用運(yùn)動(dòng)控制器硬件構(gòu)成示意圖。

【具體實(shí)施方式】
[0047]以下將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的描述，需要說(shuō)明的是，本實(shí)施例以本技術(shù)方案為前提，給出詳細(xì)的實(shí)施方式和操作過(guò)程，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不限于本實(shí)施例。
[0048]如圖1所示，一種用于6自由度并聯(lián)機(jī)器人的專用運(yùn)動(dòng)控制器硬件平臺(tái)(以下簡(jiǎn)稱為專用運(yùn)動(dòng)控制器)所在控制系統(tǒng)采用“上位機(jī)+專用運(yùn)動(dòng)控制器”的控制形式。工業(yè)控制計(jì)算機(jī)IPC作為上位機(jī)實(shí)現(xiàn)控制界面功能，并通過(guò)上位機(jī)通訊模塊采用RS422異步串行通訊方式下發(fā)控制命令給專用運(yùn)動(dòng)控制器，由專用運(yùn)動(dòng)控制器對(duì)命令進(jìn)行解析；然后，根據(jù)當(dāng)前的系統(tǒng)狀態(tài)及相關(guān)數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)一定的解算算法和控制算法處理；專用運(yùn)動(dòng)控制器與六臺(tái)伺服驅(qū)動(dòng)器連接成CAN總線網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)控制命令、位置反饋、狀態(tài)反饋等命令和數(shù)據(jù)的交互；最后，通過(guò)相應(yīng)的硬件端口下發(fā)驅(qū)動(dòng)信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的控制，最終驅(qū)動(dòng)并聯(lián)機(jī)器人機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)。同時(shí)，專用運(yùn)動(dòng)控制將運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的位置、狀態(tài)、數(shù)據(jù)等相關(guān)信息通過(guò)上位機(jī)通訊模塊上傳給上位機(jī)。
[0049]本發(fā)明的專用運(yùn)動(dòng)控制器由多個(gè)硬件和控制模塊構(gòu)成，如圖2所示，專用運(yùn)動(dòng)控制器包括FPGA邏輯模塊、采樣模塊、ARM微控制器與FPGA信息傳輸模塊、ARM微控制器模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊、輸入輸出模塊、CAN總線模塊和上位機(jī)通訊模塊。
[0050]如圖3為專用運(yùn)動(dòng)控制器的具體功能實(shí)現(xiàn)示意圖，圖6為對(duì)應(yīng)的專用運(yùn)動(dòng)控制器硬件構(gòu)成示意圖。
[0051]所述輸入輸出模塊用于ARM微控制器的I/O 口控制，包括指不燈控制、蜂鳴器控制、部分芯片使能控制等。
[0052]本發(fā)明中，上位機(jī)通訊模塊用于上位機(jī)與ARM微控制器之間的信息交互。上位機(jī)通訊模塊采用RS422總線方式進(jìn)行通訊，包括ARM微控制器中的UART通訊單元、422控制芯片及外部接口構(gòu)成。上位機(jī)通訊模塊是連接控制系統(tǒng)和用戶界面的橋梁，上位機(jī)發(fā)送控制命令給ARM微控制器，ARM微控制器通過(guò)解析及數(shù)據(jù)處理后，驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)。ARM微控制器將控制系統(tǒng)的狀態(tài)及相關(guān)必要數(shù)據(jù)回傳給上位機(jī)，便于用戶的使用。在上位機(jī)通訊模塊部分采用預(yù)定義的通訊及校驗(yàn)協(xié)議，能有效保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?br> [0053]本發(fā)明中，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊用于對(duì)控制系統(tǒng)中的關(guān)鍵參數(shù)的保存或讀取。采用I2C通訊方式，由ARM微控制器按照指定的設(shè)置，完成對(duì)外擴(kuò)FLASH存儲(chǔ)芯片的讀寫操作。
[0054]本發(fā)明中，CAN總線模塊是作為ARM微控制器與伺服驅(qū)動(dòng)器連接的接口單元，用于實(shí)現(xiàn)以所述ARM微控制器和六臺(tái)伺服驅(qū)動(dòng)器組成的CAN總線網(wǎng)絡(luò)的信息交互；通過(guò)簡(jiǎn)單的信號(hào)線連接即可構(gòu)成CAN總線網(wǎng)絡(luò)，專用運(yùn)動(dòng)控制器的具體驅(qū)動(dòng)命令和需要獲取的驅(qū)動(dòng)器及電機(jī)的數(shù)據(jù)、狀態(tài)等都是通過(guò)該總線網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)傳輸。CAN總線模塊主要由ARM微控制器中的CAN總線驅(qū)動(dòng)單元、物理隔離電路及CAN收發(fā)器構(gòu)成。
[0055]本發(fā)明中，采樣模塊主要包含磁致伸縮傳感器采樣單元和限位開關(guān)采樣單元，用于實(shí)現(xiàn)對(duì)外部器件信號(hào)的采樣，并完成硬件電路中的信號(hào)轉(zhuǎn)換功能:
[0056]磁致伸縮傳感器采樣單元采用的是SSI通訊方式，用于獲取當(dāng)前6根電動(dòng)缸的伸縮量，由FPGA邏輯模塊發(fā)送同步信號(hào)，經(jīng)過(guò)SSI差分信號(hào)轉(zhuǎn)換電路，將單端信號(hào)轉(zhuǎn)換為差分信號(hào)供給磁致伸縮傳感器，同時(shí)磁致伸縮傳感器根據(jù)時(shí)鐘信號(hào)輸出數(shù)據(jù)信號(hào)，再次經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換電路由FPGA邏輯模塊獲取。
[0057]限位開關(guān)采樣單元用于獲取電動(dòng)缸兩端的電平信號(hào)，經(jīng)過(guò)隔離電路的處理，由FPGA獲取對(duì)應(yīng)電平信號(hào)。
[0058]如圖4、圖5所不，本發(fā)明中,ARM微控制器與FPGA信息傳輸模塊用于實(shí)現(xiàn)FPGA邏輯模塊與ARM微控制器的信息交互，包括SPI通訊單元和外中斷信號(hào)單元。
[0059]SPI通訊單元用于ARM微控制器與FPGA邏輯模塊之間的數(shù)據(jù)傳輸。以ARM微控制器作為SPI的主機(jī)，F(xiàn)PGA作為SPI的從機(jī)，ARM微控制器采用主動(dòng)獲取的方式，對(duì)FPGA采樣并處理得到的傳感器值和限位開關(guān)量進(jìn)行讀取。
[0060]外中斷信號(hào)單元用于FPGA邏輯模塊對(duì)ARM微控制器的主動(dòng)請(qǐng)求，實(shí)現(xiàn)在緊急情況下，ARM微控制器的及時(shí)響應(yīng)。
[0061]本發(fā)明中，F(xiàn)PGA邏輯模塊用于實(shí)現(xiàn)采樣模塊和信息傳輸模塊相關(guān)的通信時(shí)序以及數(shù)據(jù)處理功能。如圖4所示，F(xiàn)PGA作為輔助芯片用于產(chǎn)生采樣模塊需要的時(shí)鐘信號(hào)，并對(duì)收到的信號(hào)進(jìn)行處理。從磁致伸縮傳感器中獲取的數(shù)據(jù)為格雷碼，需要在FPGA內(nèi)部將格雷碼轉(zhuǎn)換成通用的二進(jìn)制編碼；在采樣限位開關(guān)量的時(shí)候，為了防止惡劣工作環(huán)境的影響，需要對(duì)收到的限位開關(guān)信號(hào)進(jìn)行濾波處理，保證采樣值的有效性；FPGA還要實(shí)現(xiàn)SPI的從機(jī)的功能，產(chǎn)生與SPI主機(jī)相匹配的時(shí)序信號(hào)；外中斷信號(hào)單元要根據(jù)限位開關(guān)的情況，產(chǎn)生跳變沿信號(hào)通知ARM微控制器進(jìn)行處理。
[0062]本發(fā)明中，ARM微控制器模塊是指ARM最小系統(tǒng)，由ARM控制芯片、外部時(shí)鐘電路、復(fù)位電路、電源模塊等外部電路構(gòu)成。ARM微控制器模塊要實(shí)現(xiàn)的功能如圖5所示，包括CANopen協(xié)議棧、數(shù)據(jù)處理及解析單元、安全保護(hù)單元、控制器命令實(shí)現(xiàn)單元、并聯(lián)機(jī)器人正逆解算法單元以及各種外部接口的驅(qū)動(dòng)單元。
[0063]ARM微控制器模塊包含的驅(qū)動(dòng)單元用于實(shí)現(xiàn)上面提到的與ARM微控制器相關(guān)聯(lián)的所有模塊的底層驅(qū)動(dòng)，完成最底層的時(shí)序匹配。ARM微控制器將獲取相關(guān)數(shù)據(jù)供給其他單元使用，并將由其他單元生成發(fā)送出去。
[0064]ARM微控制器模塊包含的CANopen協(xié)議棧是作為CAN總線模塊的高級(jí)應(yīng)用層協(xié)議來(lái)使用。CANopen是現(xiàn)在比較成熟且可靠性很高的應(yīng)用層協(xié)議，很適合于傳輸數(shù)據(jù)量不是很大的伺服控制系統(tǒng)。ARM微控制器要實(shí)現(xiàn)CANopen協(xié)議中主站的功能，用于對(duì)6臺(tái)驅(qū)動(dòng)器的控制，通過(guò)發(fā)送控制命令及控制參數(shù)包括速度、位置、加速度及控制字等完成機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)，為了保證機(jī)構(gòu)的協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)還需要按照CANopen協(xié)議規(guī)定，發(fā)送相關(guān)控制報(bào)文及同步報(bào)文。同時(shí)，作為從站的6臺(tái)驅(qū)動(dòng)器按照CANopen協(xié)議上傳絕對(duì)編碼器值、驅(qū)動(dòng)器狀態(tài)、總線狀態(tài)、驅(qū)動(dòng)器錯(cuò)誤描述以及溫度、電路等物理狀態(tài)，由ARM微控制器中的CANopen協(xié)議棧進(jìn)行解析供其它單元使用。
[0065]ARM微控制器模塊包含的數(shù)據(jù)處理及解析單元，用于對(duì)UART、SP1、I2C收到的多字節(jié)數(shù)據(jù)的解析和處理。對(duì)于每種接口，在物理層協(xié)議的基礎(chǔ)上，為保證數(shù)據(jù)的正確性定義了應(yīng)用層協(xié)議，需要通過(guò)解析程序處理獲取實(shí)際傳輸?shù)挠杏脭?shù)據(jù)。
[0066]ARM微控制器模塊包含的并聯(lián)機(jī)器人正逆解算法單元是用于完成并聯(lián)機(jī)器人姿態(tài)坐標(biāo)與支腿長(zhǎng)度的解算任務(wù)，實(shí)現(xiàn)上位機(jī)控制命令與運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)命令的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換關(guān)系。
[0067]ARM微控制器模塊包含的安全保護(hù)單元用于在運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)或控制命令不合適的情況下對(duì)機(jī)構(gòu)采取的保護(hù)措施。
[0068]ARM微控制器模塊包含的控制器命令實(shí)現(xiàn)單元用于根據(jù)上位機(jī)的命令實(shí)現(xiàn)對(duì)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)控制。控制器命令實(shí)現(xiàn)單元涉及到上述的所有單元的功能或者數(shù)據(jù)，根據(jù)不同的命令調(diào)用相關(guān)功能單元，以及由外部接口獲取的各類數(shù)據(jù)；通過(guò)相關(guān)處理，再由CAN總線下發(fā)給驅(qū)動(dòng)器，完成控制命令，實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)。
[0069]本發(fā)明的專用運(yùn)動(dòng)控制器硬件平臺(tái)具有靈活性好集成度高等特點(diǎn)。傳統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)控制器采用PWM方式對(duì)電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，容易產(chǎn)生丟步，穩(wěn)定性不高等問(wèn)題，而且由于設(shè)備廠家的不同，相關(guān)參數(shù)差距很大，導(dǎo)致了控制器的可移植性很差。本發(fā)明的采用總線方式控制，將最底層的電機(jī)驅(qū)動(dòng)交給伺服驅(qū)動(dòng)器完成，這樣的功能下放，既減小了控制芯片的資源開銷，又能保證電機(jī)運(yùn)動(dòng)的準(zhǔn)確性；另外，由于采用的總線協(xié)議是國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，所以在采用不同廠家驅(qū)動(dòng)設(shè)備時(shí)，只要對(duì)驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行簡(jiǎn)單配置，即可將控制器移植到其他類似控制系統(tǒng)。
[0070]本發(fā)明的專用運(yùn)動(dòng)控制器硬件平臺(tái)，使用的ARM控制芯片最高可達(dá)到120MHZ的工作頻率，能極大提高系統(tǒng)的整體速度，為控制器內(nèi)部的各種算法的快速實(shí)現(xiàn)及系統(tǒng)的實(shí)時(shí)響應(yīng)提供了基礎(chǔ)。
[0071]對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，可以根據(jù)以上的技術(shù)方案和構(gòu)思，給出各種相應(yīng)的改變和變形，而所有的這些改變和變形，都應(yīng)該包括在本發(fā)明權(quán)利要求的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種用于6自由度并聯(lián)機(jī)器人的專用運(yùn)動(dòng)控制器硬件平臺(tái)，其特征在于，包括輸入輸出模塊、上位機(jī)通訊模塊、采樣模塊、CAN總線模塊、ARM微控制器與FPGA信息傳輸模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊、FPGA邏輯模塊、ARM微控制器模塊: 所述輸入輸出模塊用于實(shí)現(xiàn)對(duì)外部器件的開關(guān)量控制； 所述上位機(jī)通訊模塊用于所述ARM微控制器與上位機(jī)進(jìn)行信息交互； 所述采樣模塊包括限位開關(guān)采樣單元，所述限位開關(guān)采樣單元用于獲取電動(dòng)缸上下限位開關(guān)器件的開關(guān)量信號(hào)； 所述CAN總線模塊作為ARM微控制器與伺服驅(qū)動(dòng)器連接的接口單元，通過(guò)信號(hào)線與伺服驅(qū)動(dòng)器連接，用于實(shí)現(xiàn)以所述ARM微控制器和6臺(tái)伺服驅(qū)動(dòng)器組成的CAN總線網(wǎng)絡(luò)的信息交互； 所述ARM微控制器與FPGA信息傳輸模塊包括數(shù)據(jù)交互單元，所述數(shù)據(jù)交互單元采用SPI通訊方式，實(shí)現(xiàn)ARM微控制器與FPGA之間的數(shù)據(jù)交互； 所述數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊用于保存控制系統(tǒng)的部分關(guān)鍵參數(shù)，采用I2C通信方式完成數(shù)據(jù)的交互； 所述FPGA邏輯模塊對(duì)所述采樣模塊獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后，通過(guò)所述ARM微控制器與FPGA信息傳輸模塊實(shí)現(xiàn)與所述ARM微控制器模塊的信息交互； 所述ARM微控制器模塊通過(guò)所述上位機(jī)通訊模塊與上位機(jī)連接，接收上位機(jī)的命令，并通過(guò)所述ARM微控制器與FPGA信息傳輸模塊、所述CAN總線模塊獲取信息，然后通過(guò)所述CAN總線模塊對(duì)伺服驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行控制。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于6自由度并聯(lián)機(jī)器人的專用運(yùn)動(dòng)控制器硬件平臺(tái)，其特征在于，所述上位機(jī)通訊模塊采用RS422異步串行通訊方式，實(shí)現(xiàn)所述ARM微控制器與上位機(jī)的數(shù)據(jù)信息交互。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于6自由度并聯(lián)機(jī)器人的專用運(yùn)動(dòng)控制器硬件平臺(tái)，其特征在于，所述采樣模塊還包括磁致伸縮長(zhǎng)度傳感器采樣單元，其采用同步串行接口 SSI進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，用于獲取當(dāng)前6根電動(dòng)缸的伸縮量。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于6自由度并聯(lián)機(jī)器人的專用運(yùn)動(dòng)控制器硬件平臺(tái)，其特征在于，CAN總線模塊中，所述ARM微控制器為CAN總線網(wǎng)絡(luò)中的主站，六臺(tái)伺服驅(qū)動(dòng)器作為CAN總線網(wǎng)絡(luò)中獨(dú)立的六個(gè)從站。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種用于6自由度并聯(lián)機(jī)器人的專用運(yùn)動(dòng)控制器硬件平臺(tái)，其特征在于，所述CAN總線模塊是以CANopen協(xié)議作為高級(jí)應(yīng)用層協(xié)議，實(shí)現(xiàn)整個(gè)總線網(wǎng)絡(luò)信息交互，包括如下功能: 1)所述主站，可分別控制所述從站的包括速度、加速度、運(yùn)動(dòng)量在內(nèi)基本運(yùn)動(dòng)參數(shù)；根據(jù)需要可以對(duì)所述從站發(fā)送同步信號(hào)，以實(shí)現(xiàn)同步運(yùn)動(dòng)； 2)所述主站,可對(duì)所述從站的基本CANopen參數(shù)進(jìn)行設(shè)定； 3)所述主站，可以控制所述從站進(jìn)入各種不同的狀態(tài)； 4)所述從站，分別發(fā)送伺服電機(jī)絕對(duì)編碼器值給所述主站，供主站中各種功能模塊及相關(guān)算法使用； 5)所述從站，分別發(fā)送各臺(tái)驅(qū)動(dòng)器及電機(jī)的狀態(tài)給所述主站，發(fā)送的狀態(tài)包括電機(jī)的電流、力矩、速度、驅(qū)動(dòng)器狀態(tài)、驅(qū)動(dòng)器錯(cuò)誤描述、總線狀態(tài)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于6自由度并聯(lián)機(jī)器人的專用運(yùn)動(dòng)控制器硬件平臺(tái)，其特征在于，所述ARM微控制器與FPGA信息傳輸模塊還包括中斷信號(hào)單元，用于FPGA對(duì)ARM微控制器的中斷請(qǐng)求。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于6自由度并聯(lián)機(jī)器人的專用運(yùn)動(dòng)控制器硬件平臺(tái)，其特征在于，所述FPGA邏輯模塊為FPGA最小系統(tǒng)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1、3、7任一所述的一種用于6自由度并聯(lián)機(jī)器人的專用運(yùn)動(dòng)控制器硬件平臺(tái)，其特征在于，所述采樣模塊全部功能、所述ARM微控制器與FPGA信息傳輸模塊的部分功能包括中斷、SPI通訊是由FPGA來(lái)完成。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于6自由度并聯(lián)機(jī)器人的專用運(yùn)動(dòng)控制器硬件平臺(tái)，其特征在于，所述ARM微控制器模塊為ARM最小系統(tǒng)。
10.根據(jù)權(quán)利要求1、2、4、5、6任一所述的一種用于6自由度并聯(lián)機(jī)器人的專用運(yùn)動(dòng)控制器硬件平臺(tái)，其特征在于，所述上位機(jī)通訊模塊、所述CAN總線模塊全部功能、所述ARM微控制器與FPGA信息傳輸模塊部分功能包括中斷、SPI通訊，由ARM微控制器來(lái)完成。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于6自由度并聯(lián)機(jī)器人的專用運(yùn)動(dòng)控制器硬件平臺(tái)，其特征在于，所述ARM微控制器模塊包括6自由度并聯(lián)機(jī)器人的位置正逆解算法單元，用于實(shí)現(xiàn)6自由度并聯(lián)機(jī)器人姿態(tài)坐標(biāo)到支腿長(zhǎng)度、支腿長(zhǎng)度到姿態(tài)坐標(biāo)的變換。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于6自由度并聯(lián)機(jī)器人的專用運(yùn)動(dòng)控制器硬件平臺(tái)，其特征在于，所述ARM微控制器模塊還包括運(yùn)動(dòng)控制單元和安全保護(hù)單元，分別用于實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)控制和防止運(yùn)動(dòng)過(guò)程中意外情況的發(fā)生。
【文檔編號(hào)】B25J9/18GK104339354SQ201410667271
【公開日】2015年2月11日 申請(qǐng)日期:2014年11月20日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月20日
【發(fā)明者】段學(xué)超, 王海龍, 米建偉, 段清娟, 保宏, 鄭濤, 程璧 申請(qǐng)人:西安電子科技大學(xué)