本發(fā)明涉及計算機智能制造控制技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種用于協(xié)作機器人的驅(qū)控一體化控制系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

協(xié)作機器人，是一種可以在一定區(qū)域內(nèi)安全的與人類進行直接交互的機器人。一般來說，協(xié)作機器人的操作相對較為簡單，是工業(yè)機器人的一個分系，在價格上也比傳統(tǒng)工業(yè)機器人便宜很多。

與傳統(tǒng)工業(yè)機器人不同，協(xié)作機器人在體型上就跟它不在一個檔次。為了達(dá)到“協(xié)作”的目的，機器人與人類之間的工作距離就不能太遠(yuǎn)，因而，協(xié)作機器人尺寸都是偏小的，甚至可以直接放置在正常工作臺。

此外，作為協(xié)作人類而存在，靈活性是必不可缺的。以庫卡的協(xié)作機器人lbriiwa為例，它一共擁有7個關(guān)節(jié)扭矩傳感器，這使得它的“獨臂”能夠360度靈活轉(zhuǎn)動，特別適用于柔性、靈活度和精準(zhǔn)度要求較高的行業(yè)。

以中國為例，企業(yè)版圖中共擁有超過5000萬家企業(yè)，其中中小企業(yè)就占了99％，而低成本自動化向來都是中小企業(yè)夢寐以求的生產(chǎn)模式。

傳統(tǒng)工業(yè)機器人的價格一般位于10萬～40萬人民幣之間，使用壽命為5～8年，而要將其應(yīng)用到自家生產(chǎn)線，那將要多出2～3倍的部署花費，這個支出對于利潤微薄的中小企業(yè)而言是承受不起的；而協(xié)作機器人的價格一般介于2～3萬美元，但因為省去了部署的過程，從而就比傳統(tǒng)工業(yè)機器人少去了那個“大頭”的支出。由此基于成本的比較，協(xié)作機器人顯然更適合中小企業(yè)，其需求也就隨之上升。

對于一些講究細(xì)致的工作，其準(zhǔn)確性與靈活性在很大程度上能夠滿足工作的需求，而它緩慢的速度也為人類提供了一些安全保障。像3c產(chǎn)品的裝配，一邊是協(xié)作機器人準(zhǔn)確地零件放置，一邊是人類的快速組裝，兩處相得益彰，大大提高了生產(chǎn)線的效率。

據(jù)國際機器人聯(lián)合會(ifr)統(tǒng)計，2015年全球工業(yè)機器人銷量超過24萬臺，同比增長8％。2006-2015年，全球工業(yè)機器人銷量年均增速約為14％。2015年我國工業(yè)機器人市場規(guī)模繼續(xù)保持世界第一，達(dá)到6.6萬臺，約占全球銷量的1/4，同比增長16％，保有量增長至25.6萬臺。

在傳統(tǒng)的工業(yè)機器人逐漸取代單調(diào)、重復(fù)性高、危險性強的工作之時，協(xié)作機器人也將會慢慢滲入各個工業(yè)領(lǐng)域，與人共同工作。abb在2014年推出了其首款協(xié)作機器人yumi，目標(biāo)市場為消費電子行業(yè)。同年，庫卡發(fā)布了他們的協(xié)作機器人lbriiwa，安川motoman也發(fā)布了他們的協(xié)作機器人產(chǎn)品dexterbot。相對于傳統(tǒng)的剛性機器人，具備高安全、精密質(zhì)輕的協(xié)作性機器人成為未來機器人發(fā)展的重要方向。

目前工業(yè)機器人大多仍采用一個運動控制器加多個伺服驅(qū)動器的分布式控制方式，在實際應(yīng)用中存在系統(tǒng)硬件冗余度高、信號傳輸易受干擾、及價格昂貴等問題。同時，分布式架構(gòu)的設(shè)計，導(dǎo)致信號在傳輸速率上存在瓶頸，限制工業(yè)機器人的實時性和快速性，而協(xié)作機器人需要在短時間內(nèi)判斷是否與人接觸并即時做出響應(yīng)。同時，速度前饋、加速度前饋、柔順控制等新的控制算法由于控制器與驅(qū)動器的分離而只能停留在仿真階段。

因此，針對協(xié)作機器人合作性、共存性、安全性的控制需求，研究用于協(xié)作機器人的驅(qū)控一體化控制平臺，開發(fā)集驅(qū)動、感知、控制于一體的模塊化控制單元，結(jié)合多核架構(gòu)的實時操作系統(tǒng)，基于反射內(nèi)存技術(shù)實現(xiàn)電機驅(qū)動數(shù)據(jù)的高速共享，形成用于協(xié)作機器人的驅(qū)控一體化控制器具有重大的意義。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題在于，提供了一種用于協(xié)作機器人的驅(qū)控一體化控制器。針對市場對協(xié)作機器人合作性、共存性、安全性的控制需求，提供一種支持以反射內(nèi)存共享實現(xiàn)多電機驅(qū)控一體化系統(tǒng)的技術(shù)方案，為協(xié)作機器人速度前饋、加速度前饋、柔順控制等新的控制算法提供實現(xiàn)平臺。

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種用于協(xié)作機器人的驅(qū)控一體化控制系統(tǒng)，包括電機驅(qū)動模塊和多核實時控制器，并通過反射內(nèi)存機制實現(xiàn)電機狀態(tài)參數(shù)和控制參數(shù)的實時交互。

所述控制系統(tǒng)，優(yōu)選進一步包括：上位機；所述多核實時控制器為x86實時控制器；所述電機驅(qū)動模塊為一個或多個與被控電機相連的fpga驅(qū)控模塊。

所述上位機，可以為運行windows操作系統(tǒng)的pc平臺，并構(gòu)建基于matlab軟件的仿真環(huán)境，能夠開展基于協(xié)作機器人的控制算法研究。

所述上位機可以通過以太網(wǎng)與所述多核實時控制器相連。

，所述多核實時控制器，優(yōu)選為基于qnx實時操作系統(tǒng)的x86架構(gòu)平臺，支持ethercat總線協(xié)議，為所述上位機提供可以運行matlab實時代碼的仿真環(huán)境；硬實時操作系統(tǒng)qnx嚴(yán)格時間片輪轉(zhuǎn)機制，用于保證高速控制算法、同時避免其他進程/線程搶占資源。

所述多核實時控制器優(yōu)選采用快速模型分割技術(shù)，用于保證大量i/o集成和在線監(jiān)控。

所述電機驅(qū)動模塊，優(yōu)選為基于fpga開發(fā)的包含電機的集成模塊；其中，fpga芯片采集編碼器信息和電流反饋信息，通過反射內(nèi)存卡與控制器交互控制信息，并通過數(shù)字模擬io給出控制信號到功率驅(qū)動電路，控制電機的運行。

所述電機驅(qū)控模塊，優(yōu)選用于將雙級位置傳感器、力矩傳感器反饋的信號，電機電流反饋信號通過反射內(nèi)存卡實時傳遞給所述多核實時控制器；并結(jié)合所研究的協(xié)作機器人控制算法，將控制指令通過數(shù)字模擬io給出控制信號到功率驅(qū)動電路，控制電機的運行，實現(xiàn)電機的柔順控制和位置控制。

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明還提供了一種如前述任一項所述用于協(xié)作機器人的驅(qū)控一體化控制系統(tǒng)的制備方法，包括以下步驟：首先在matlab環(huán)境中進行協(xié)作機器人控制算法的仿真測試；然后將仿真模型根據(jù)不同的運算量分配到控制器的不同內(nèi)容中運行，仿真模型中需要加入反射內(nèi)存卡的驅(qū)動模塊，用以實現(xiàn)與底層fpga驅(qū)控模塊的信息交互；通過在線調(diào)參的方式，多控制算法的參數(shù)進行在線調(diào)整，直到獲取理想的協(xié)作機器人控制效果。

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明又提供了一種如前述任一項所述用于協(xié)作機器人的驅(qū)控一體化控制系統(tǒng)的制備方法，包括以下步驟：

步驟s1：算法設(shè)計，建立協(xié)作機器人模型，設(shè)計控制器并仿真；

步驟s2：模型改造，在上述模型中添加反射內(nèi)存卡驅(qū)動模塊，同時進行模型分割；

步驟s3：自動代碼生成與下載，將改造后的模型下載到控制器中，在qnx環(huán)境下運行；

步驟s4：動態(tài)參數(shù)調(diào)整，針對實際的控制效果，在線修改協(xié)作機器人控制參數(shù)；

步驟s5：重復(fù)上一操作，直到獲得理想的控制效果；

步驟s6：程序固化，將驗證好的控制算法固化到控制器中，即可推出理想的協(xié)作機器人控制系統(tǒng)。

本發(fā)明產(chǎn)生的有益效果包括：

1、本發(fā)明控制系統(tǒng)不針對某一個別型號的機器人，其標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化的設(shè)計理念適用于多種機型的機器人控制應(yīng)用。

2、本發(fā)明的協(xié)作機器人控制器，集驅(qū)動、感知、控制于一體，可以進行柔順控制等新的協(xié)作機器人控制算法的實物驗證。

3、本發(fā)明可以很好地應(yīng)對協(xié)作機器人合作性、共存性、安全性的控制需求，是一種新的快速設(shè)計解決方案，利于推廣使用。

附圖說明

圖1為本發(fā)明實施例所述的用于復(fù)雜信息物理融合系統(tǒng)的機器人柔性控制系統(tǒng)硬件組成框圖；

圖2為本發(fā)明實施例所述的fpga電機數(shù)據(jù)采集與驅(qū)動模塊結(jié)構(gòu)圖；

圖3為本發(fā)明實施例所述的協(xié)作機器人控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖；

圖4為本發(fā)明實施例所述的驅(qū)控一體化控制系統(tǒng)制備方法流程圖。

具體實施方式

為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚、明確，以下參照附圖并舉實施例對本發(fā)明進一步詳細(xì)說明，但本發(fā)明并不局限于這些實施例。

本發(fā)明所述fpga(field-programmablegatearray)，即現(xiàn)場可編程門陣列，它是在pal、gal、cpld等可編程器件的基礎(chǔ)上進一步發(fā)展的產(chǎn)物。它是作為專用集成電路(asic)領(lǐng)域中的一種半定制電路而出現(xiàn)的，既解決了定制電路的不足，又克服了原有可編程器件門電路數(shù)有限的缺點。

以硬件描述語言(verilog或vhdl)所完成的電路設(shè)計，可以經(jīng)過簡單的綜合與布局，快速的燒錄至fpga上進行測試，是現(xiàn)代ic設(shè)計驗證的技術(shù)主流。這些可編輯元件可以被用來實現(xiàn)一些基本的邏輯門電路(比如and、or、xor、not)或者更復(fù)雜一些的組合功能比如解碼器或數(shù)學(xué)方程式。在大多數(shù)的fpga里面，這些可編輯的元件里也包含記憶元件例如觸發(fā)器(flip-flop)或者其他更加完整的記憶塊。

系統(tǒng)設(shè)計師可以根據(jù)需要通過可編輯的連接把fpga內(nèi)部的邏輯塊連接起來，就好像一個電路試驗板被放在了一個芯片里。一個出廠后的成品fpga的邏輯塊和連接可以按照設(shè)計者而改變，所以fpga可以完成所需要的邏輯功能。

fpga一般來說比asic(專用集成電路)的速度要慢，實現(xiàn)同樣的功能比asic電路面積要大。但是他們也有很多的優(yōu)點比如可以快速成品，可以被修改來改正程序中的錯誤和更便宜的造價。廠商也可能會提供便宜的但是編輯能力差的fpga。因為這些芯片有比較差的可編輯能力，所以這些設(shè)計的開發(fā)是在普通的fpga上完成的，然后將設(shè)計轉(zhuǎn)移到一個類似于asic的芯片上。另外一種方法是用cpld(complexprogrammablelogicdevice，復(fù)雜可編程邏輯器件)。

在本發(fā)明的一實施例中，本發(fā)明用于協(xié)作機器人的驅(qū)控一體化控制系統(tǒng)，其中包括基于fpga的電機驅(qū)動模塊，基于x86的多核實時控制器，通過反射內(nèi)存機制實現(xiàn)電機狀態(tài)參數(shù)和控制參數(shù)的實時交互。

在本發(fā)明的另一實施例中，如圖1所示，為用于復(fù)雜信息物理融合系統(tǒng)的機器人柔性控制系統(tǒng)硬件組成框圖。其中包括：上位機、x86實時控制器以及一個或多個與電機相連的fpga驅(qū)控模塊。

所述的上位機，是運行windows操作系統(tǒng)的普通pc平臺，構(gòu)建的基于matlab軟件的仿真環(huán)境，可以開展基于協(xié)作機器人的控制算法研究。上位機通過以太網(wǎng)與控制機相連。

所述的控制器，是基于qnx實時操作系統(tǒng)的x86架構(gòu)平臺，支持ethercat總線協(xié)議，為上位機提供可以運行matlab實時代碼的仿真環(huán)境，硬實時操作系統(tǒng)(qnx)嚴(yán)格時間片輪轉(zhuǎn)機制，保證高速控制算法、同時避免其他進程/線程搶占資源；基于多核處理器的快速模型分割技術(shù)，保證大量i/o集成和在線監(jiān)控。

所述的fpga驅(qū)控模塊，是基于fpga開發(fā)的包含電機的集成模塊，fpga芯片采集編碼器信息和電流反饋信息，通過反射內(nèi)存卡與控制器交互控制信息，并通過數(shù)字模擬io給出控制信號到功率驅(qū)動電路，控制電機的運行。

在本發(fā)明的再一實施例中，如圖2所示，為本發(fā)明實施例所述的fpga電機數(shù)據(jù)采集與驅(qū)動模塊結(jié)構(gòu)圖。其中，fpga驅(qū)控模塊，將雙級位置傳感器、力矩傳感器反饋的信號，電機電流反饋信號通過反射內(nèi)存卡實時傳遞給控制器，結(jié)合所研究的協(xié)作機器人控制算法，將控制指令通過數(shù)字模擬io給出控制信號到功率驅(qū)動電路，控制電機的運行，實現(xiàn)電機的柔順控制、位置控制等。

在本發(fā)明的又一實施例中，如圖3所示，為本發(fā)明實施例所述的協(xié)作機器人控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。本發(fā)明協(xié)作機器人控制系統(tǒng)，是基于x86架構(gòu)設(shè)計開發(fā)的多核系統(tǒng)，運行qnx實時操作系統(tǒng)，運行的運行時支持matlab自動代碼生成機制，可以運行設(shè)計的協(xié)作機器人控制算法，通過反射內(nèi)存卡采集fpga模塊的電機數(shù)據(jù)信息，并將控制指令反饋給fpga模塊，形成完整的協(xié)作機器人控制回路。

如圖4所示，為本發(fā)明實施例所述的驅(qū)控一體化控制系統(tǒng)制備方法流程圖。本發(fā)明協(xié)作機器人控制系統(tǒng)的制備流程是：首先在matlab環(huán)境中進行協(xié)作機器人控制算法的仿真測試，然后將仿真模型根據(jù)不同的運算量分配到控制器的不同內(nèi)容中運行，仿真模型中需要加入反射內(nèi)存卡的驅(qū)動模塊，用以實現(xiàn)與底層fpga驅(qū)控模塊的信息交互。可以通過在線調(diào)參的方式，多控制算法的參數(shù)進行在線調(diào)整，直到獲取理想的協(xié)作機器人控制效果。

以下將描述本發(fā)明一個實施實例，研發(fā)人員針對協(xié)作機器人開發(fā)的步驟具體為：

步驟s1：算法設(shè)計，建立協(xié)作機器人模型，設(shè)計控制器并仿真。

步驟s2：模型改造，在上述模型中添加反射內(nèi)存卡驅(qū)動模塊，同時進行模型分割。

步驟s3：自動代碼生成與下載，將改造后的模型下載到控制器中，在qnx環(huán)境下運行。

步驟s4：動態(tài)參數(shù)調(diào)整，針對實際的控制效果，在線修改協(xié)作機器人控制參數(shù)。

步驟s5：重復(fù)上一操作，直到獲得理想的控制效果。

步驟s6：程序固化，將驗證好的控制算法固化到控制器中，即可推出理想的協(xié)作機器人控制系統(tǒng)。

綜上所述，本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題在于針對協(xié)作機器人合作性、共存性、安全性的控制需求，提供一種支持以反射內(nèi)存共享實現(xiàn)多電機驅(qū)控一體化的系統(tǒng)設(shè)計方案，為協(xié)作機器人速度前饋、加速度前饋、柔順控制等新的控制算法提供實現(xiàn)平臺。適用范圍廣，開發(fā)周期短，能給協(xié)作機器人研發(fā)生產(chǎn)帶來更多的便利。本發(fā)明對于協(xié)作機器人的軸數(shù)沒有限制，可以根據(jù)實際需要進行擴展，很好地應(yīng)對協(xié)作機器人開發(fā)的多種需求，增加了協(xié)作機器人開發(fā)的靈活性，是一種新的快速設(shè)計解決方案，利于推廣使用。

以上所述，僅是本發(fā)明的幾個實施例，并非對本發(fā)明做任何形式的限制，雖然本發(fā)明以較佳實施例揭示如上，然而并非用以限制本發(fā)明，任何熟悉本專業(yè)的技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的范圍內(nèi)，利用上述揭示的技術(shù)內(nèi)容做出些許的變動或修飾均等同于等效實施案例，均屬于技術(shù)方案范圍內(nèi)。