模块化机械臂及机器人系统技术方案

本实用新型专利技术公开了一种模块化机械臂及机器人系统。该模块化机械臂包括若干组件，该若干组件相互固定连接或活动连接，每个组件包括总线接口、驱动设备、以太网通讯设备和用于控制组件运动的电机。每个以太网通讯设备经由相应总线接口连接至POWERLINK工业以太网总线，该总线的一端连接至一上位机。每个组件中，以太网通讯设备和驱动设备通信连接，驱动设备用于通过以太网通讯设备接收该上位机的指令、并向该电机发送驱动指令。本实用新型专利技术的模块化机械臂及机器人系统，能够通过一上位机实时、同步地控制机械臂中的多个模块，使得机械臂的各个模块同步协同工作，从而能够实现机械臂精确的实时动作控制，同时便于信息的远程共享。（*该技术在2023年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】本技术公开了一种模块化机械臂及机器人系统。该模块化机械臂包括若干组件，该若干组件相互固定连接或活动连接，每个组件包括总线接口、驱动设备、以太网通讯设备和用于控制组件运动的电机。每个以太网通讯设备经由相应总线接口连接至POWERLINK工业以太网总线，该总线的一端连接至一上位机。每个组件中，以太网通讯设备和驱动设备通信连接，驱动设备用于通过以太网通讯设备接收该上位机的指令、并向该电机发送驱动指令。本技术的模块化机械臂及机器人系统，能够通过一上位机实时、同步地控制机械臂中的多个模块，使得机械臂的各个模块同步协同工作，从而能够实现机械臂精确的实时动作控制，同时便于信息的远程共享。【专利说明】模块化机械臂及机器人系统
本技术涉及一种模块化机械臂及机器人系统。
技术介绍
现在，可控制机械臂技术已经在许多领域得到了广泛应用，不仅在工业、服务、军事等各行业发挥重要的作用，其在教育、研究以及玩具方面的应用也越来越多。机械臂是一个集成了机械、电子、软件、传感、控制等多种技术的具有很强综合性的产品。由机械臂构成的机器人很适合用于教学以激发学生对这些技术的兴趣和提高学生各方面的能力，机器人本身对于研究机器人所用的各种技术也是很好的一个载体。更因传统工业机械臂体积庞大，且机构和技术封装严密，只有少数可编程接口供用户使用，不能便捷地转移到教学上作为研究使用。因此一种基于POWERLINK通讯的模块化机械臂机器人系统的实现对解决上述问题极具实用性和必要性。相对于结构固定的一体式的机械臂，模块化机械臂在搭接、组装、重构方面具有更大的灵活性，通过不同的方式组装搭接可应用于各种场合。模块化机械臂的多个模块在控制和动作方面必须较好地协调，才能真正达到控制各个模块协同工作的效果。并且，现有的机械臂中，各个模块之间以及模块和上位机之间的数据传输速度均较低，在在模块数较多、控制较为复杂的情况下，模块化机械臂的各个部分在控制的同时性上受到较大影响，并且稳定性也有所不足，从而使得各个模块无法很好地协同工作，更无法实现对机械臂动作的实时控制。
技术实现思路
本技术要解决的技术问题是为了克服现有技术中的模块化机械臂中各个组件无法很好地协同工作，以及无法实时控制机械臂的动作的缺陷，提出一种模块化机械臂及机器人系统。本技术是通过下述技术方案来解决上述技术问题的:本技术提供了一种模块化机械臂，其特点在于，包括若干组件，该若干组件相互固定连接或活动连接，每个组件包括总线接口、驱动设备、以太网通讯设备和用于控制组件运动的电机。每个以太网通讯设备经由相应的总线接口连接至一 POWERLINK工业以太网总线，该POWERLINK工业以太网总线的一端连接至一上位机。每个组件中，以太网通讯设备和驱动设备通信连接，驱动设备用于通过以太网通讯设备接收该上位机的指令、并向该电机发送驱动指令。其中，该驱动指令对应于该驱动设备接收到的该上位机的指令。该POWERLINK工业以太网总线是现有的一种建立在标准以太网介质上的总线，其遵循OSI模型(即开放式通信系统互联参考模型)，规定了 OSI模型中的物理层、数据链路层和应用层。其中，物理层采用标准的以太网，数据链路层规定了两种通信机制，即基于请求/应答模式和基于定时主动上报模式。与其它的实时总线必须基于ASIC芯片不同，该POWERLINK工业以太网总线可基于通用的芯片来实现。ASIC芯片是指为专门目的而设计的集成电路，是指应特定用户要求和特定电子系统的需要而设计、制造的集成电路，而通用的芯片则包括了 ARM公司的芯片产品、FPGA (现场可编程门阵列)芯片、多协议芯片如Hilscher公司的Net X芯片、龙芯等。该POWERLINK工业以太网总线包括可编程逻辑器件或定制/半定制芯片上的POWERLINK通讯协议主从站内核。其中该上位机是主站节点，包括以太网通讯设备的各个组件是从站节点。该上位机通过该POWERLINK工业以太网总线发送控制命令给各个从站，从站通过总线实时响应控制命令，并返回反馈信号至该上位机。较佳地，每个以太网通讯设备包括一 FPGA芯片、一网络芯片和一网络接口，该FPGA芯片与该网络芯片通信，该网络芯片通过该网络接口连接至该POWERLINK工业以太网总线。也就是说，在硬件上，每个以太网通讯设备只用一块通用的FPGA就可以实现。相较而言，FPGA相比于其他芯片能够达到更好的实时性能，例如ALTERA公司或XILINX公司生产的通用FPGA芯片都可适用。一般来说，采用FPGA可以达到200微秒的系统刷新能力。较佳地，该网络芯片和该网络接口经由一网络变压器连接。较佳地，该网络芯片为DP83640TVV芯片，该FPGA芯片和该DP83640TVV芯片通过MII接口通信，该网络接口为RJ45网络接口。其中，MII接口即介质无关接口，或称为媒体独立接口。它包括一个数据接口，以及一个媒体介入控制层和物理层之间的管理接口。数据接口包括分别用于发送器和接收器的两条独立信道。每条信道都有自己的数据、时钟和控制信号。MII数据接口总共需要16个信号。管理接口是个双信号接口:一个是时钟信号，另一个是数据信号。通过管理接口，上层能监视和控制物理层。RJ45网络接口为用于数据传输的接口，类似于常规的网卡接口。DP83640TVV为一种芯片型号，该DP83640TVV芯片可以采用深圳市宇创芯科技有限公司或深圳市安思美科技有限公司生产的该型号的芯片产品。较佳地，该驱动设备包括一嵌入式芯片和标准JTAG电路。JTAG为一种国际标准测试协议，标准JTAG电路即符合JTAG标准协议的电路。较佳地，该嵌入式芯片为DSP芯片或ARM芯片。其中，DSP芯片为戴尔服务提供商提供的芯片，ARM芯片为ARM公司的芯片产品。较佳地，该嵌入式芯片包括闭环控制设备、电机数据接口和AD采集接口，该电机数据接口用于采集电机的运行数据，该AD采集接口用于获取关节零位及机械限位，该闭环控制设备用于从该电机数据接口接收该运行数据、并闭环控制该电机运行。其中该AD采集接口为模数采集接口，关节零位即组件的预设初始位置。闭环控制设备控制电机的运行采用PID算法，PID算法是按偏差的比例、积分和微分进行控制的一种算法，其依据该运行数据来实现对该电机运行的闭环控制。机械结构上由于不同关节其机械到达位置有所不同，因此在机械寻零及限位上要做相关检测。关节零位即组件预设初始位置(Home点)，机械限位即组件预设限位点(Limit点)。在机械臂内部设有一用于机械限位的金属环，在金属环两端分别安装两个高灵敏度的金属传感器，当检测到Home点时，通过Home点金属传感器，反馈给AD采集模块一高电平信号，即机械位置已到达关节零位；当检测到Limit点时,通过Limit点金属传感器,反馈给AD采集模块一高电平信号。在未设有金属环的区域，金属传感器均为低电平信号。通过这种设置可以实现机械上的限位检测。嵌入式芯片以Ims的周期实时采集电机编码器数据，并计算当前运动速度，与设置的速度相减得到速度偏差。然后分别求取偏差量的P (比例)、1 (积分)、D (微分)值，进行累加，计算出最终的PWM值(脉冲宽度调制值)输出给电机。由于本技术中通讯实时性本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种模块化机械臂，其特征在于，包括若干组件，该若干组件相互固定连接或活动连接，每个组件包括总线接口、驱动设备、以太网通讯设备和用于控制组件运动的电机；每个以太网通讯设备经由相应的总线接口连接至一POWERLINK工业以太网总线，该POWERLINK工业以太网总线的一端连接至一上位机；每个组件中，以太网通讯设备和驱动设备通信连接，驱动设备用于通过以太网通讯设备接收该上位机的指令、并向该电机发送驱动指令。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：庞作伟，蔡咸健，龚成，
申请(专利权)人：上海未来伙伴机器人有限公司，
类型：新型
国别省市：上海;31