CN108687776A - 一种机器人控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开一种机器人控制系统，涉及工业自动化技术领域。所述机器人控制系统包括主站控制器、从站节点、机器轴模组和EtherCAT总线；所述主站控制器通过所述EtherCAT总线与所述从站节点连接；所述从站节点与所述机器轴模组连接；其中，所述总站控制器通过所述EtherCAT总线向所述从站节点发送控制指令，所述从站节点接收所述控制指令，并根据所述控制指令控制所述机器轴模组工作；所述从站节点采集所述机器轴模组的状态反馈信息，并将所述状态反馈信息通过所述EtherCAT总线发送至所述主站控制器，所述主站控制器根据所述状态反馈信息向所述从站节点发送控制指令；本发明实施例提供的机器人控制系统具体有实时性、可靠性和模块化扩展性的特点。

Description

一种机器人控制系统

技术领域

本发明实施例属于工业自动化技术领域，尤其涉及一种机器人控制系统。

背景技术

目前的机器人控制系统大都采用CANbus(ControLLer Area Net-work Bus控制器局域网)总线或者Rs485(485信号通用串口协议)总线，CANbus或者Rs485总线虽然通信稳定，有较高的抗干扰性能，但其无法满足高档数控装置对实时性和可靠性的要求；另外，目前的机器人控制系统所采用CANbus总线或者Rs485总线可拓展性较差，硬件接线复杂。

发明内容

基于上述背景，本发明实施例提供一种机器人控制系统，以解决现有机器人控制方案实时性差、可靠性低，不方便进行模块化扩展的问题。

本发明实施例采用的技术方案为：

一种机器人控制系统，所述机器人控制系统包括主站控制器、从站节点、机器轴模组和EtherCAT(Ether Control Automation Technology，以太网控制自动化技术)总线；所述主站控制器通过所述EtherCAT总线与所述从站节点连接；所述从站节点与所述机器轴模组连接；

其中，所述总站控制器通过所述EtherCAT总线向所述从站节点发送控制指令，所述从站节点接收所述控制指令，并根据所述控制指令控制所述机器轴模组工作；

所述从站节点采集所述机器轴模组的状态反馈信息，并将所述状态反馈信息通过所述EtherCAT总线发送至所述主站控制器，所述主站控制器根据所述状态反馈信息向所述从站节点发送控制指令。

进一步的，所述从站节点至少一个，且每个所述从站节点对应地设有至少一个所述机器轴模组。

进一步的，所述从站节点包括模组引导状态机，所述模组引导状态机根据所述控制指令进行状态转换，从而控制所述机器轴模组进行工作状态转换。

进一步的，所述从站节点包括至少一个所述模组引导状态机，且每个所述模组引导状态机对应一个所述机器轴模组。

进一步的，所述系统还包括三环控制装置，所述三环控制装置根据所述控制指令对所述机器轴模组进行参数设置，控制所述机器轴模组工作。

进一步的，所述从站节点至少一个，每个所述从站节点对应地设有至少一个所述机器轴模组，且每个所述机器轴模组对应一个所述三环控制装置。

进一步的，所述三环控制装置包括位置环控制装置、速度环控制装置和电流环控制装置；

所述位置环控制装置根据输入位置与反馈位置差值对所述机器轴模组进行位置调整，包括位置检测装置、速度前馈装置、位置环调节装置；

所述速度环控制装置根据所述位置环控制装置的输出与反馈速度差值对所述机器轴模组进行速度调节，包括速度检测装置、位置转矩前馈装置、速度环调节装置；

所述电流环控制装置根据所述速度环的输出驱动并调节所述机器轴模组，包括转矩滤波装置、转矩调节装置。

进一步的，所述位置环控制装置还包括位置指令滤波装置，所述速度环控制装置还包括电机最大速度限幅装置，所述电流环控制装置还包括转矩指令限制装置。

进一步的，所述系统还包括动态PI(比例积分)调节装置，所述动态PI调节装置根据所述控制指令对所述机器轴模组进行实时的调整。

进一步的，所述从站节点至少一个，每个所述从站节点对应地设有至少一个所述机器轴模组，且每个所述机器轴模组对应设有一个所述动态PI调节装置。

本发明提供的机器人控制系统，所述机器人控制系统的主站控制器与从站节点之间采用了EtherCAT总线进行通信，可减少机器人硬件接线，提高机器人控制的实时性与精度，简化机器人系统模块化功能扩展的复杂程度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明或现有技术中的方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一个简单介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种机器人控制系统结构示意图；

图2为本发明实施例提供的模组引导状态机的状态转换图；

图3为本发明实施例提供的三环控制装置的结构示意图；

图4为本发明实例所提供的动态PI调节装置的控制示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。

在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本发明的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。

本发明实施例提供一种机器人控制系统，所述机器人控制系统包括主站控制器、从站节点、机器轴模组和EtherCAT总线；主站控制器通过EtherCAT总线与从站节点通信连接；从站节点与机器轴模组通信连接；主站控制器在进行控制时，通过EtherCAT总线向从站节点发送控制指令，其中所述控制指令为周期性发起；

一方面，主站控制器通过EtherCAT总线向从站节点发送控制指令，从站节点接收控制指令，并根据所述控制指令控制机器轴模组工作；具体的，所述控制指令包括从站节点地址信息和数据信息，所述控制指令长度最长可为1486个字节，从站节点接收所述控制指令，并根据所述控制指令的从站节点地址信息读取对应的数据信息，以对机器轴模组执行控制操作；

另一方面，从站节点采集机器轴模组的状态反馈信息，通过EtherCAT总线将状态反馈信息发送至主站控制器；

从主站控制器发送控制指令开始，到接收到机器轴模组的状态反馈信息为止，形成一个控制周期，具体的，所述控制周期由主站控制器发起，首先主站控制器发出下行报文，所述下行报文包括所述控制指令，在下行报文经过从站节点时，从站节点根据从站节点地址信息读取相应的数据信息，根据所述数据信息对机器轴模组进行相应控制，并将机器轴模组的状态反馈信息插入到下行报文中，此处在从站节点处大约产生10ns的通讯延迟，随后从站节点将插入了状态反馈信息的下行报文作为上行报文通过EtherCAT总线返回主站控制器，此时通讯结束，完成一个控制周期。

在本发明实施例中，从站节点至少设有一个，每个从站节点设有至少一个机器轴模组。作为优选，在本发明实施例中从站节点设为三个，具体可参阅图1所示的机器人控制系统结构示意图，每个所述从站节点对应地设有两个所述机器轴模组，即为六轴的机器人控制系统；相应的，所述系统的控制周期由主站控制器发起，主站控制器发出下行报文，在下行报文经过各从站节点时，各从站节点根据节点地址信息读取各自的数据信息，具体的，第一个从站节点在读取数据信息后，将其对应的两个机器轴模组的状态反馈信息插入到所述下行报文中控制指令的数据信息中，并通过EtherCAT总线将插有所述状态反馈信息的下行报文发送至第二个从站节点，第二个从站节点接收到所述插有所述状态反馈信息的下行报文后进行同样的处理，直到最后一个从站节点，每个从站节点处大约产生10ns的通讯延迟，最后一个从站节点处理完毕后，将插入了各个机器轴模组的状态反馈信息的下行报文作为上行报文经过各个从站节点返回，通过EtherCAT总线回发至主站控制器，主站控制器接收上行报文后，读取上行报文中的状态反馈信息，并对状态反馈信息进行处理，所述处理包括对各个机器轴模组的参数进行调整，主站控制器根据处理结果，准备发送下一周期的控制指令，从而周期性地对各机器轴模组进行实时、动态控制。作为优选，在本发明实施例中，所述系统的控制周期为1ms，基于EtherCAT总线的高实时性，能够实现1ms的刷新频率对六个机器轴模组进行控制。

进一步地，在本发明实施例中，从站节点包括模组引导状态机，主站控制器通过EtherCAT总线对模组引导状态机进行控制，模组引导状态机根据主站控制器的控制指令进行状态转换，并根据所述转换状态控制机器轴模组的工作状态，机器轴模组在模组引导状态机的控制下进行工作状态的转换，且机器轴模组必须遵循模组引导状态机所设定的状态转换流程才能运行到指定工作状态。

下面以一个实例说明模组引导状态机对各个模组的工作状态的引导控制，参阅图2，图示为本发明实施例所提供的所述模组引导状态机的状态转换图，所述模组引导状态机的转换状态包括开始、初始化机器轴模组、机器轴模组无故障、机器轴模组准备好、等待打开机器轴模组使能、机器轴模组正在运行、快速停机、故障和故障停机，其中，每个状态对应相应的控制状态字，下面以一组具体的状态字进行说明：

1、由开始状态到初始化机器轴模组状态：此状态转换过程为自然过渡，无需所述控制指令，初始化机器轴模组时，机器轴模组完成初始化以及参数自检工作，此时机器轴模组的工作参数不能通过控制指令进行设置，同时也不能执行驱动功能，在本发明实施例中，所述开始状态的状态字设为6041h，所述初始化机器轴模组状态设为0x0000，此时所述状态字从6041h切换为0x0000。

2、由初始化机器轴模组状态到机器轴模组无故障状态：此状态转换过程为自然过渡，无需控制指令，状态字切换为0x0250，若所述初始化机器轴模组状态出现错误，直接进入到故障停机状态；

3、由机器轴模组无故障状态到机器轴模组准备好状态：控制指令将控制字置成0x06，所述状态字切换为0x0231；

4、由机器轴模组准备好状态到等待打开机器轴模组使能状态：控制指令将所述控制字置成0x07，所述状态字切换为0x0233；在对机器轴模组的控制过程中，此时所述主站控制器通过EtherCAT总线对机器轴的松开电磁抱闸进行独立控制，以使能机器轴的电机。

5、由等待打开机器轴模组使能状态到机器轴模组运行状态：所述控制指令将所述控制字置成0x0F，所述状态字切换为0x0237；在对机器轴模组的控制过程中，本发明实施例提供的机器轴模组内置有力矩处理电路，所述力矩处理电路连接力矩传感器，通过所力矩传感器来测量机器轴力矩，并通过EtherCAT总线发送给主站控制器，可实现机器轴的精确力矩控制；

6、由机器轴模组运行状态到快速停机状态：控制指令将所述控制字置成0x02，所述状态字切换为0x0217；在对机器轴模组的控制过程中，此时所述主站控制器通过EtherCAT总线对机器轴发出松开电磁抱闸的控制指令，以锁死机器轴的电机。

7、除故障状态外其他任意状态下，机器轴模组一旦发生故障，自动切换到故障停机状态，无需控制指令，所述状态字切换为0x021F；在进入故障停机状态后，直接进入故障状态，无需控制指令，所述状态字切换为0x0218；

8、由故障状态切换到机器轴模组无故障状态，控制指令将所述控制字置成0x80，所述状态字切换为0x0250。

上述每个状态转换对应的控制字和状态字可以预先自由设定。

在本发明实施例中，每个所述从站节点对应地设有不少于一个机器轴模组，相应的，每个从站节点包括不少于一个模组引导状态机；作为在本发明实施例的优选方案，每个从站节点对应地设有两个所述机器轴模组和两个模组引导状态机，每个从站节点上的两个模组引导状态机与两个机器轴模组一一对应。

本实施例提供的机器人控制系统，每个从站节点分别采集每个机器轴模组的状态反馈信息，从而可独立实现对每个机器轴模组的完全控制，主站控制器采用基于PC的实时操作系统，在实时系统下完成对主站协议栈的解析，控制周期能达到1ms，基于EtherCAT总线，主站控制器与从站节点之间的通讯具有实时性和稳定性，解决了传统工业机器人上总线不够实时、易丢包等缺点。

进一步地，所述机器人控制系统还包括三环控制装置，该三环控制装置根据主站控制器发出的控制指令对机器轴模组进行参数设置，从而控制对应的机器轴模组工作。参阅图3，图示为本发明实施例提供的三环控制装置的结构示意图，在本实施例中，三环控制装置包括位置环控制装置、速度环控制装置和电流环控制装置；其中，位置环控制装置根据输入位置与反馈位置差值对机器轴模组进行位置调整，包括位置检测装置、速度前馈装置和位置环调节装置，其中，位置检测装置用于反馈机器轴当前的位置信息，速度前馈装置用于速度前馈增益和速度前馈滤波，位置环调节装置根据输入位置与反馈位置差值进行运算调整，并将调整结果输入到速度环控制装置；可选的，位置环控制装置还包括位置指令滤波装置。

速度环控制装置包括速度检测装置、转矩前馈装置和速度环调节装置，速度检测装置用于反馈机器轴当前的速度信息，转矩前馈装置用于转矩前馈增益和转矩前馈滤波，速度环调节装置根据位置环控制装置的输入与反馈速度差值进行运算调整，并将调整结果输入到电流环控制装置；可选的，速度环控制装置还包括电机最大速度限幅装置；

电流环控制装置根据所述速度环的输出驱动并调节所述机器轴模组，包括转矩滤波装置和转矩调节装置；可选的，电流环控制装置还包括转矩指令限制装置。

每个从站节点采集对应的机器轴模组工作状态反馈信息，并将对应的机器轴模组工作状态反馈信息反馈至主站控制器；主站控制器根据机器轴模组工作状态反馈信息向对应的从站节点发送机器轴模组控制指令，从站节点通过读取控制指令中的数据信息，并根据该数据信息对三环控制装置中的速度前馈装置、位置环调节装置、速度环调节装置、转矩前馈装置、转矩滤波装置、转矩调节装置的相关参数进行设置，从而实现对机器轴模组的工作过程的控制。所述相关参数包括位置环调节器增益、速度前馈增益、速度前馈滤波系数、速度环调节器比例积分增益、转矩前馈增益、转矩前馈滤波系数、转矩调节器比例积分增益、转矩调节器滤波系数、指令滤波参数、反馈位置参数和反馈速度参数。

可选的，所述机器人控制系统包括至少一个三环控制装置，每个三环控制装置对应一个机器轴模组，由此可对每个机器轴模组进行独立控制，所述机器人控制系统不仅可以对机器轴模组进行轮廓位置控制，还可以对每个机器轴模组进行轮廓速度控制及轮廓力矩控制。

进一步地，所述机器人控制系统还包括动态PI(比例积分)调节装置，所述动态PI调节装置根据主站控制器的控制指令对相应的机器轴模组进行实时的调整，具体地，主站控制器通过EtherCAT总线对动态PI调节装置进行控制，从而控制对应的机器轴模组的工作状态。

在本发明实施例中，所述机器人控制系统包括不少于一个所述动态PI调节装置，每个动态PI调节装置对应一个机器轴模组；在本发明实施例中以六轴机器人控制为例，具体参见图4，所述机器人控制系统设置有三个从站节点，每个从站节点对应设有两个所述动态PI调节装置和机器轴模组，每个从站节点上的机器轴模组与动态PI调节装置一一对应，所述机器人控制系统包括的动态PI调节装置分别为轴1动态PI调节装置，轴2动态PI调节装置，轴3动态PI调节装置，轴4动态PI调节装置，轴5动态PI调节装置，轴6动态PI调节装置，对应地，机器轴模组1、机器轴模组2、机器轴模组3、机器轴模组4、机器轴模组5和机器轴模组6通过EtherCAT总线周期性地将状态反馈信息返回到主站控制器中，所述状态反馈信息包括速度反馈信息、负载反馈信息，主站控制器读取所述速度反馈信息、负载反馈信息，并根据所述速度反馈信息及负载信息进行处理，并将处理结果分别发送至轴1动态PI调节装置，轴2动态PI调节装置，轴3动态PI调节装置，轴4动态PI调节装置，轴5动态PI调节装置和轴6动态PI调节装置，进一步地，轴1动态PI调节装置，轴2动态PI调节装置，轴3动态PI调节装置，轴4动态PI调节装置，轴5动态PI调节装置，轴6动态PI调节装置根据接收的处理结果分别对所述机器轴模组1、机器轴模组2、机器轴模组3、机器轴模组4、机器轴模组5和机器轴模组6的速度环调节器比例积分增益进行实时调整，从而实现机器轴模组1、机器轴模组2、机器轴模组3、机器轴模组4、机器轴模组5和机器轴模组6在高速、低速、轻载、重载不同情况下的速度环调节器比例积分增益的实时调整，提高机器人整体的动态性能。

本发明提供了的机器人控制系统采用EtherCAT总线进行通信，可减少机器人硬件接线，提高机器人控制的实时性与精度；同时通过EtherCAT总线对三环控制装置的参数的设定，从而实现对机器轴模组的工作的控制；通过提供模组引导状态机控制各机器轴模组的工作状态转换，防止各机器轴模组工作出现意外；通过动态PI调节装置实时的控制各机器轴模组工作，保证机器人整体的动态性能；此外，采用模块化的设计，简化了机器人系统功能扩展的复杂程度。

以上仅为本发明的实施例，但并不限制本发明的专利范围，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来而言，其依然可以对前述各具体实施方式所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等效替换。凡是利用本发明说明书及附图内容所做的等效结构，直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理在本发明专利保护范围之内。

Claims (10)

1.一种机器人控制系统，其特征在于，所述机器人控制系统包括主站控制器、从站节点、机器轴模组和EtherCAT总线；所述主站控制器通过所述EtherCAT总线与所述从站节点连接；所述从站节点与所述机器轴模组连接；

其中，所述总站控制器通过所述EtherCAT总线向所述从站节点发送控制指令，所述从站节点接收所述控制指令，并根据所述控制指令控制所述机器轴模组工作；

所述从站节点采集所述机器轴模组的状态反馈信息，并将所述状态反馈信息通过所述EtherCAT总线发送至所述主站控制器，所述主站控制器根据所述状态反馈信息向所述从站节点发送控制指令。

2.根据权利要求1所述的机器人控制系统，其特征在于，所述从站节点至少一个，且每个所述从站节点对应地设有至少一个所述机器轴模组。

3.根据权利要求1所述的机器人控制系统，其特征在于，所述从站节点包括模组引导状态机，所述模组引导状态机根据所述控制指令进行状态转换，从而控制所述机器轴模组进行工作状态转换。

4.根据权利要求3所述的机器人控制系统，其特征在于，所述从站节点包括至少一个所述模组引导状态机，且每个所述模组引导状态机对应一个所述机器轴模组。

5.根据权利要求1或3所述的机器人控制系统，其特征在于，所述系统还包括三环控制装置，所述三环控制装置根据所述控制指令对所述机器轴模组进行参数设置，控制所述机器轴模组工作。

6.根据权利要求5所述的机器人控制系统，其特征在于，所述从站节点至少一个，每个所述从站节点对应地设有至少一个所述机器轴模组，且每个所述机器轴模组对应一个所述三环控制装置。

7.根据权利要求5所述的机器人控制系统，其特征在于，所述三环控制装置包括位置环控制装置、速度环控制装置和电流环控制装置；

所述位置环控制装置根据输入位置与反馈位置差值对所述机器轴模组进行位置调整，包括位置检测装置、速度前馈装置、位置环调节装置；

所述速度环控制装置根据所述位置环控制装置的输出与反馈速度差值对所述机器轴模组进行速度调节，包括速度检测装置、位置转矩前馈装置、速度环调节装置；

所述电流环控制装置根据所述速度环的输出驱动并调节所述机器轴模组，包括转矩滤波装置、转矩调节装置。

8.根据权利要求5所述的机器人控制系统，其特征在于，所述位置环控制装置还包括位置指令滤波装置，所述速度环控制装置还包括电机最大速度限幅装置，所述电流环控制装置还包括转矩指令限制装置。

9.根据权利要求5所述的机器人控制系统，其特征在于，所述系统还包括动态PI调节装置，所述动态PI调节装置根据所述控制指令对所述机器轴模组进行实时的调整。

10.根据权利要求9所述的机器人控制系统，其特征在于，所述从站节点至少一个，每个所述从站节点对应地设有至少一个所述机器轴模组，且每个所述机器轴模组对应设有一个所述动态PI调节装置。