CN106054845A - 基于工业以太网的服务机器人控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于工业以太网的服务机器人控制系统，包括设置在服务机器人上的运动控制系统主站、EtherCAT接口和若干个从站，运动控制系统主站通过EtherCAT接口与从站依次线性连接，从站的单元模块包括转动智能关节模块、直线智能关节模块、数字I/O控制模块、模拟量控制模块和传感器采集模块中的一种或几种。采用EtherCAT工业以太网与工业自动控制相结合的方法，利用EtherCAT拓扑组网，每个电机或信息采集模块为一个从站模块，各模块可以根据需求进行自由添加和裁剪，实现不同服务机器人的灵活组合以及对不同控制对象的智能控制，并通过EtherCAT工业以太网实现控制对象数量的快速可扩展，具有网络化、智能化和实时性好等优点。

Description

基于工业以太网的服务机器人控制系统

技术领域

本发明涉及服务机器人技术领域，特别是涉及一种基于工业以太网的服务机器人控制系统。

背景技术

随着社会的发展和人类文明程度的提高，运用现代高科技产品——服务机器人来改善生活质量和生活自由度成为必然趋势。

如图1所示，现有的传统服务机器人控制系统主要采用树形拓扑模式，控制器要与所有的关节电机驱动器或传感器进行连接，控制器负责所有电机的运动控制插补计算和状态控制，控制器负责所有的传感器信息采集控制，还要进行人机界面控制，这种服务机器人的系统构建模式下有以下几点问题：

1.控制系统的核心处理器需要很高的性能，因为他要处理所有的关节电机插补运算，需要的运算量非常大；

2.针对不同数量的电机或传感器，控制系统都要增加接口设计和布线设计，因此，对应每一款服务机器人都需要重新设计和制作控制器的硬件系统；

3.这种结构带来大量的线缆连接，系统可靠性比较差，对机器人的空间要求非常严格；

4.每款机器人都要进行软件的重新设计，其中各个关节的插补运算和协同动作要求有非常专业的设计人员进行设计，软件设计工作量大，扩展非常不灵活。

如图2所示，传统总线是采用CAN总线、PROFIBUS等总线对系统进行拓展，用总线把各个关节驱动器和传感器进行连接，这种控制方法解决了一部分的系统总线难题，简化了系统复杂度，提高了系统可靠性。控制器负责所有电机的运动控制插补计算和状态控制，控制器负责所有的传感器信息采集控制。控制器通过USB总线与用户主控进行通信。这种服务机器人的系统构建模式下有以下几点问题：

1.控制系统的核心处理器需要很高的性能，因为它要处理所有的关节电机插补运算，需要的运算量非常大；

2.由于传统总线传输速率不高，并且传统总线没有针对运动控制特殊设计的同步机制，所以系统针对每个关机的插补数据传输受到一定限制，系统响应实时性不高、数据传输慢；

3.每款机器人都要进行软件的重新设计，其中各个关节的插补运算和协同动作要求有非常专业的设计人员进行设计，软件设计工作量大。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：为了克服现有技术中的不足，针对市场上缺乏服务机器人控制系统这一现状，结合服务机器人结构紧凑、内部空间小、运动关节分散的现状，依据机器人技术、工业以太网技术、智能伺服控制技术，本发明提供一种基于工业以太网的服务机器人控制系统，具有网络化、智能化和实时性好等优点。

本发明解决其技术问题所要采用的技术方案是：一种基于工业以太网的服务机器人控制系统，包括设置在服务机器人上的运动控制系统主站、EtherCAT接口和若干个系统从站，所述运动控制系统主站通过EtherCAT接口与所述系统从站依次线性连接，每个系统从站为一个单元模块，所述系统从站的单元模块包括转动智能关节模块、直线智能关节模块、数字I/O控制模块、模拟量控制模块和传感器采集模块中的一种或几种，所述系统从站均具有自己的智能控制系统。

转动智能关节模块和直线智能关节模块主要是采用了集EtherCAT接口、控制模块和驱动模块为一体的智能伺服电机，从而可以通过EtherCAT工业以太网总线控制各个关节的智能伺服电机，各个智能关节有自己的控制系统，可以自主根据命令完成动作，不需要主站插补，降低了控制系统核心处理器的性能要求；采用EtherCAT工业以太网作为主通讯接口，最高通讯速率可达100M，最多容纳从站关节机构65535个，满足多关节服务机器人对通讯速度、实时性和同步性的要求；每个电机或信息采集模块为一个从站模块，各模块可以根据需求进行自由添加和裁剪，实现不同服务机器人的灵活组合以及对不同控制对象的智能控制；各个关节和模块的连接采用EtherCAT总线，不需要大量的布线，降低了布线的难度，更加适用于空间受限的服务机器人。

转动智能关节模块：转动智能关节模块集成智能控制系统、电机、电机驱动电路、减速器、绝对值编码器等部分，负责控制关节电机按照指令进行旋转运动。

直线智能关节模块：直线智能关节模块集成智能控制系统、电机、电机驱动电路、减速器、绝对值编码器等部分，负责控制关节电机按照指令进行直线往复运动。

数字IO控制模块：集成控制单元，可以通过总线命令采集输入数字信号，并能输出IO量，例如，要控制几个继电器和电磁阀的开关信号，则此模块可以通过主站和工业以太网依次传输过来的相应命令执行输出操作。例如，外部有几个接近开关等输入元器件被触发，则模块通过总线把输入元器件的信息及时传递给主站。

模拟量控制模块：把需要采集的模拟量信号进行数字化处理后通过总线传送给主站，也可根据主站发来的数字信号经过D/A转换变成模拟量输出。

传感器采集模块：集成常用的机器人传感器和控制系统、信号采集系统等，例如：加速度传感器、压电传感器、红外传感器、超声波传感器、激光测距传感器、温湿度传感器、光敏阵列传感器、气压传感器等等。

系统扩展模块：针对暂时未涉及到的功能模块，该系统留有标准硬件接口、标准软件协议，后期可以根据应用设计新的模块无缝接入系统，使系统拥有良好的扩展性。

子系统主站模块：该模块是主系统的从站模块，但是在该模块上另外集成了一套工业以太网的主站硬件接口，他可以往下扩展连接一套自己的从站模块，这样的设计模式可以搭建更为复杂的多级工业以太网系统。使系统扩展功能更加强大。

进一步，所述系统从站的单元模块还包括子系统主站，所述子系统主站通过EtherCAT接口与子系统从站依次线性连接，每个子系统从站为一个单元模块，所述子系统从站的单元模块包括转动智能关节模块、直线智能关节模块、数字I/O控制模块、模拟量控制模块和传感器采集模块中的一种或几种。在主系统下可以设置子系统，可以直接采用主系统的从站作为子系统的主站，由子系统主站控制子系统的各个从站，实现模块化的管理。

进一步，所述转动智能关节模块、直线智能关节模块、数字I/O控制模块、模拟量控制模块和传感器采集模块中同一种单元模块的数量为一个或多个。

进一步，所述系统从站和所述子系统从站的单元模块还包括系统扩展模块，所述系统扩展模块的数量为一个或多个。

进一步，所述运动控制系统主站和所述子系统主站设有存储在FLASH存储器内的运动控制软件库，所述运动控制软件库包括运动控制函数库、控制协议管理、智能诊断系统、信息采集处理和EtherCAT工业以太网通信管理。通过内置运动控制软件库完成常规和特定结构服务机器人的多轴运动控制算法，二次开发者可以通过调用软件库运动控制函数接口即可完成复杂的运动控制设计。运动控制软件库可以不断扩充，自由裁剪。通过软件库的设计可以大量节省服务机器人开发者的劳动量和设计时间，同时也降低了开发者的专业技术要求，不需要开发者进行复杂的数学建模和软件设计。

进一步，还包括电源模块，所述电源模块为整个控制系统提供工作电源。

根据服务机器人的运动形式，对于转动的关节采用转动式智能伺服电机，对于直线运动的末端执行器采用直线式智能伺服电机，转动式智能伺服电机和直线式智能伺服电机均是集电机、驱动器、传动部件、检测元件和控制器于一体的智能伺服电机，具有集成度高、结构紧凑、智能化和使用方便等优点。

进一步，所述转动智能关节模块包括转动式智能伺服电机，所述转动式智能伺服电机包括一体集成在壳体内部的控制模块、驱动模块和一体化传动电机，所述一体化传动电机两端分别设有主动输出轴和从动输出轴，所述主动输出轴从壳体一端伸出，所述从动输出轴从壳体另一端伸出，所述控制模块位于所述驱动模块上方，且所述控制模块与所述驱动模块上下对插连接形成一个整体并固定在所述一体化传动电机一侧的壳体上。

进一步，所述直线智能关节模块包括直线式智能伺服电机，所述直线式智能伺服电机包括滚珠丝杠和减速器，所述滚珠丝杠与所述减速器的输出轴一体连接。

运动控制系统采用EtherCAT工业以太网接口，具有网络化、智能化、实时性等优点，并通过开发的运动控制软件库实现对服务机器人的快速开发，最高通讯速率可达100M，最多可容纳从站关节机构65535个。运动控制系统通过EtherCAT工业以太网控制服务机器人各个运动部件，完成传感器数据采集。用户通过用户系统调用智能运动控制软件库函数接口实现对服务机器人、运动控制系统以及运动单元的参数设置和状态监测，并向运动控制系统发送控制命令，运动控制系统收到命令后将命令解析为对应各个智能伺服电机及控制模块的运动，并按照设定的控制参数通过EtherCAT工业以太网完成对各个智能伺服电机及控制模块的控制。机器人工作过程中，智能伺服电机及控制模块通过EtherCAT工业以太网实时主动的向运动控制系统反馈运动状态及参数。通过基于EtherCAT工业以太网的传感器采集模块完成对服务机器人常见传感器如倾角、加速度、超声、测距等的连接及应用。

本发明的有益效果是：本发明提供的一种基于工业以太网的服务机器人控制系统，采用EtherCAT工业以太网与工业自动控制相结合的方法，利用EtherCAT拓扑组网，每个电机或信息采集模块为一个从站模块，各模块可以根据需求进行自由添加和裁剪，实现不同服务机器人的灵活组合以及对不同控制对象的智能控制，并通过EtherCAT工业以太网实现控制对象数量的快速可扩展具有网络化、智能化和实时性好等优点；

对各种典型服务机器人控制对象进行归类，将不同服务机器人的控制对象进行归一化处理，封装为不同种类的标准控制对象；对不同种类的服务机器人运动控制进行抽象，建立其运动控制模型、控制功能树、参数树，基于此开发出服务机器人智能运动控制软件函数库，在同一套硬件平台上采用智能控制软件库实现不同种类服务机器人控制，适用性广。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1是树形拓扑模式机器人控制系统的原理示意图；

图2是CAN总线机器人控制系统的原理示意图；

图3是本发明最佳实施例的原理示意图；

图4是系统主站的原理示意图；

图5是系统从站的原理示意图。

具体实施方式

现在结合附图对本发明作详细的说明。此图为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。

如图3所示，本发明的一种基于工业以太网的服务机器人控制系统，包括电源模块以及设置在服务机器人上的系统主站、EtherCAT接口和若干个系统从站，电源模块为整个控制系统的各个部分提供工作电源，可以根据不同的模块提供不同的电源；系统主站通过USB总线与服务机器人用户系统连接，用户系统由用户编程实现对服务机器人的系统主站的通信控制和外围功能控制，系统主站通过EtherCAT接口与所述系统从站依次线性连接。系统主站集成运动控制软件库，运动控制软件库存储在FLASH存储器内，负责对系统从站单元模块的通信和控制，运动控制软件库包括运动控制函数库、控制协议管理、智能诊断系统、信息采集处理、EtherCAT工业以太网通信管理、电机驱动运算、位置反馈运算、模块诊断系统，所述系统从站均具有自己的智能控制系统。

系统从站具体实现关节模块的运动和传感器采集等功能，每个系统从站为一个单元模块，系统从站的单元模块包括转动智能关节模块、直线智能关节模块、数字I/O控制模块、模拟量控制模块、传感器采集模块、子系统主站和系统扩展模块中的一种或几种，系统中同一种单元模块的数量为一个或多个。

子系统主站通过EtherCAT接口与子系统从站依次线性连接，每个子系统从站也为一个单元模块，所述子系统从站的单元模块包括转动智能关节模块、直线智能关节模块、数字I/O控制模块、模拟量控制模块、传感器采集模块和系统扩展模块中的一种或几种，子系统从站中还可以扩展下一级的子控制系统，逐级进行扩展，子系统中同一种单元模块的数量也为一个或多个。

系统从站和子系统从站不仅仅包括上述单元模块，还可以包括其他类型的单元模块，可以根据客户需求任意扩展。

如图4所示，系统主站采用嵌入式系统平台ARM+LIUNX的系统软硬件方式构建，主从站之间的通信为EtherCAT标准的工业以太网，主要传输控制数据、各轴插补数据、智能传感器信息采集等信息，系统主站与用户系统通过USB总线进行实时交互，根据用户命令实时进行运动控制计算，联动各个关节电机，以达到要求的运动姿态、轨迹规划，速度控制等功能。

系统主站除了完成通信等功能外，主要集成了运动控制软件库功能，给用户提供多种结构服务机器人的一站式解决方案，用户只需要通过协议操作软件库函数接口，即可完成复杂的机器人多关节控制。机器人主站自主协调各个电机完成机器人运动，这种方式下，机器人系统独立完成所有运算，解放了开放人员的工作量，减少了服务机器人的开发时间。

系统主站还设有电源管理用于与外部电源连接为系统主站供电。

如图5所示，系统从站采用ARM嵌入式系统平台作为控制核心，针对不同的关节电机集成对应要求的减速器、电机驱动系统、编码器等单元。系统从站根据系统主站的具体控制和数据命令实时驱动电机并进行相应动作。系统从站可以及时反馈给系统主站自身的运行状态，以供系统主站对机器人系统进行智能诊断。

主从站之间用EtherCAT工业以太网通信，各个从站模块的同步时间小于1us，保证了多关机机器人插补运算的实时性，同时采用线性拓扑模式，使得各关节布线异常简单、可靠。在EtherCAT标准下，从站的数量可以自由增加和减少，系统扩展具有很好的灵活性，系统从站也集成有软件库，主要包括电机驱动运算、位置反馈处理、以太网通信管理和模块诊断系统等。

系统从站还设有电源管理用于与外部电源连接为系统主站供电。

转动智能关节模块包括转动式智能伺服电机，所述转动式智能伺服电机包括一体集成在壳体内部的控制模块、驱动模块和一体化传动电机，所述一体化传动电机两端分别设有主动输出轴和从动输出轴，所述主动输出轴从壳体一端伸出，所述从动输出轴从壳体另一端伸出，所述控制模块位于所述驱动模块上方，且所述控制模块与所述驱动模块上下对插连接形成一个整体并固定在所述一体化传动电机一侧的壳体上。

直线智能关节模块包括直线式智能伺服电机，所述直线式智能伺服电机包括滚珠丝杠和减速器，所述滚珠丝杠与所述减速器的输出轴一体连接。

以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关的工作人员完全可以在不偏离本发明的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims (8)

1.一种基于工业以太网的服务机器人控制系统，其特征在于：包括设置在服务机器人上的运动控制系统主站、EtherCAT接口和若干个系统从站，所述运动控制系统主站通过EtherCAT接口与所述系统从站依次线性连接，每个系统从站为一个单元模块，所述单元模块包括转动智能关节模块、直线智能关节模块、数字I/O控制模块、模拟量控制模块和传感器采集模块中的一种或几种，所述系统从站均具有自己的智能控制系统。

2.如权利要求1所述的基于工业以太网的服务机器人控制系统，其特征在于：所述单元模块还包括子系统主站，所述子系统主站通过EtherCAT接口与子系统从站依次线性连接，每个子系统从站为一个单元模块，所述单元模块包括转动智能关节模块、直线智能关节模块、数字I/O控制模块、模拟量控制模块和传感器采集模块中的一种或几种。

3.如权利要求2所述的基于工业以太网的服务机器人控制系统，其特征在于：所述转动智能关节模块、直线智能关节模块、数字I/O控制模块、模拟量控制模块和传感器采集模块中同一种单元模块的数量为一个或多个。

4.如权利要求2所述的基于工业以太网的服务机器人控制系统，其特征在于：所述系统从站和所述子系统从站的单元模块还包括系统扩展模块，所述系统扩展模块的数量为一个或多个。

5.如权利要求2所述的基于工业以太网的服务机器人控制系统，其特征在于：所述运动控制系统主站和所述子系统主站设有存储在FLASH存储器内的运动控制软件库，所述运动控制软件库包括运动控制函数库、控制协议管理、智能诊断系统、信息采集处理和EtherCAT工业以太网通信管理。

6.如权利要求1-5任一项所述的基于工业以太网的服务机器人控制系统，其特征在于：还包括电源模块，所述电源模块为整个控制系统提供工作电源。

7.如权利要求1所述的基于工业以太网的服务机器人控制系统，其特征在于：所述转动智能关节模块包括转动式智能伺服电机，所述转动式智能伺服电机包括一体集成在壳体内部的控制模块、驱动模块和一体化传动电机，所述一体化传动电机两端分别设有主动输出轴和从动输出轴，所述主动输出轴从壳体一端伸出，所述从动输出轴从壳体另一端伸出，所述控制模块位于所述驱动模块上方，且所述控制模块与所述驱动模块上下对插连接形成一个整体并固定在所述一体化传动电机一侧的壳体上。

8.如权利要求1所述的基于工业以太网的服务机器人控制系统，其特征在于：所述直线智能关节模块包括直线式智能伺服电机，所述直线式智能伺服电机包括滚珠丝杠和减速器，所述滚珠丝杠与所述减速器的输出轴一体连接。