一种一体化机器人驱动控制板卡及其控制方法、机器人技术

本发明专利技术提供的一体化机器人驱动控制板卡及其控制方法，采用具有ARM处理器和DSP处理器的双核处理器在一块控制板卡中实现机器人控制器、伺服驱动器、传感信号采集与处理、IO采集与处理等功能，双核处理器的ARM处理器用于机器人控制器的运动学、动力学、轨迹规划、运动插补等机器人控制功能；双核处理器的DSP处理器用于磁场定向控制、闭环控制、精插补等伺服控制功能；ARM和DSP处理器的片内外设和IO等接口用于传感器的信息采集以及IO采集等；双核之间的数据交换直接在共享的寄存器、片内RAM进行，不需要总线传输，提高了系统的稳定性和安全性。同时降低了系统成本，尤其适用轮式、床椅、无人机、自由度较少的机械臂等机器人系统，本发明专利技术还提供一种机器人。

An Integrated Robot Drive Control Board and Its Control Method and Robot

【技术实现步骤摘要】
一种一体化机器人驱动控制板卡及其控制方法、机器人
本专利技术涉及电机控制领域，特别涉及一种一体化机器人驱动控制板卡及其控制方法、机器人。
技术介绍
传统的机器人控制系统主要包括机器人控制器和伺服驱动器两大核心控制部件。机器人控制器是影响机器人性能的关键部分之一，它根据指令以及传感信息控制机器人完成一定的动作或作业任务的装置，它是机器人的心脏，决定了机器人性能的优劣，由伺服驱动器和伺服电机组成伺服系统是机器人运动的执行部件，通过伺服电机的运动实现机器人各关节的运动，伺服系统的响应速度和控制精度直接决定了机器人的控制精度。目前的机器人控制系统大多采用分布式总线结构，系统由一个机器人控制器和多个伺服驱动器组成，机器人控制器采用运算速度较快的处理器进行运动学、动力学、轨迹规划、运动插补等计算，而伺服驱动器常采用DSP高速数字信号处理器实现磁场定向控制、闭环控制、精插补等电机控制功能。机器人控制器和多个伺服驱动器之间采用总线通信，常用的总线包括EtherCAT、CAN等工业总线。这种采用多个处理器分布式结构的机器人控制系统，便于实现复杂的控制算法，但处理器之间的信息交互需要通过总线实现，由此带来时钟难以准确同步、总线通信引入了信息传输过程中易受干扰影响，以及总线通讯系统故有的信息安全性等问题，给系统的稳定性和安全性带来了不利影响。同时，这种多处理器结构的机器人控制器和伺服驱动器，价格昂贵，提高了机器人整机的成本，也一定程度上限制了机器人的广泛应用。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术实施例提供了一种一体化机器人驱动控制板卡及其控制方法、机器人，双核之间的数据交换直接在共享的寄存器、片内RAM进行，不需要总线传输，提高了系统的稳定性和安全性。第一方面，提供一种一体化机器人驱动控制板卡，包括集成设置的双核处理器及片内数据交换单元，所述双核处理器包括用于对机器人进行运动学、动力学、轨迹规划、运动插补计算的ARM处理器及用于对伺服电机进行磁场定向控制、闭环控制、精插补计算的DSP处理器，所述ARM处理器和所述DSP处理器与所述片内数据交换单元电连接。可选地，所述片内数据交换单元为寄存器和/或随机存取存储器RAM。可选地，还包括：用于接收来自离线编程上位机或示教器的指令信息的以太网口，所述以太网口与所述控制器电性连接。可选地，还包括：用于读取惯性传感器或其他的SPI接口传感器信息的SPI接口，所述SPI接口与所述伺服驱动器电性连接；用于读取多种串口传感器信息的SCI接口，所述SCI接口与所述伺服驱动器电性连接。可选地，还包括：用于接收或读取位置数据、速度数据、力数据的CAN接口，所述CAN接口与所述伺服驱动器电性连接可选地，还包括：用于与摄像机或激光传感器连接并读取视觉或激光传感信息的USB接口，所述USB接口与所述控制器电性连接。可选地，还包括：用于按键、指示灯的IO操作的GPIO接口，所述GPIO接口与所述控制器电性连接。可选地，还包括：用于采集伺服电机控制中的电流信号的AD模拟量采集接口；用于伺服电机控制时将闭环控制的电压信号按PWM调制输出给伺服电机的PWM模块；用于读取指示伺服电机位置的增量编码器信息的QEP正交编码接口。第二方面，提供一种一体化机器人驱动控制板卡的处理方法，应用于上述的一体化机器人驱动控制板卡，所述方法包括ARM处理器的机器人控制方法及DSP处理器的伺服控制方法，其中，所述ARM处理器的机器人控制方法包括：ARM处理器的机器人控制部分通过以太网口接收来自离线编程上位机或示教器的指令信息；读取摄像机或激光传感器信息，然后进行视觉识别的位置计算和激光测距计算；读取惯性传感器信息，并计算机器人的姿态信息；通过GPIO检测用于表示按键或急停的输入信息，通过SCI检测串口传感器信息；当I/O及SCI串口传感器信息无异常，则根据所述指令信息、所述位置信息和所述姿态信息为输入，进行运动学和轨迹/路径规划计算；对轨迹/路径规划的位置或速度计算输出进行插补计算，插补计算的结果输出给DSP处理器的位置或速度控制部分；计算机器人的动力学信息，用于模型补偿控制，模型补偿部分在DSP处理器的伺服控制部分实现；将力控制的设定力输出给DSP处理器的力控制部分，力传感器的采集和力控制在DSP处理器中实现；所述DSP处理器的伺服控制方法包括：位置/速度控制的输入由ARM处理器的插补计算结果得到，与QEP正交编码接口读取的位置/速度反馈组成闭环系统，实现位置/速度的闭环控制；力控制的输入由ARM处理器的设定力得到，与力传感器采集的力信息组成力闭环系统。力传感信息通过CAN接口读取，并经过滤波给到力闭环的反馈上，滤波算法采用电信的一阶低通滤波；力闭环和位置闭环通过选择矩阵加到内部的电机控制上，选择矩阵互补且为对角矩阵，相应元素为1使能力闭环或位置闭环，相应元素为0禁止力闭环或位置闭环。第三方面，提供一种机器人，具有上述的一体化机器人驱动控制板卡。本专利技术提供的一体化机器人驱动控制板卡及其控制方法和机器人，采用具有ARM处理器和DSP处理器的双核处理器在一块控制板卡中实现机器人控制器、伺服驱动器、传感信号采集与处理、IO采集与处理等功能，双核处理器的ARM处理器用于机器人控制器的运动学、动力学、轨迹规划、运动插补等机器人控制功能；双核处理器的DSP处理器用于磁场定向控制、闭环控制、精插补等伺服控制功能；ARM处理器和DSP处理器的片内外设和IO等接口用于传感器的信息采集以及IO采集等；双核之间的数据交换直接在共享的寄存器、片内RAM进行，不需要总线传输，提高了系统的稳定性和安全性，也可以降低了系统成本。附图说明图1是本专利技术实施例中提供的一体化机器人驱动控制板卡的结构示意图；图2是本专利技术实施例中提供的一体化机器人驱动控制板卡控制方法的控制逻辑图。具体实施方式为了使本
的人员更好地理解本专利技术方案，下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本专利技术保护的范围。本专利技术的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的实施例能够以除了在这里图示或描述的内容以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。结合图1所示，提供一种一体化机器人驱动控制板卡，包括集成设置的双核处理器及片内数据交换单元，所述双核处理器包括用于对机器人进行运动学、动力学、轨迹规划、运动插补计算的ARM处理器及用于对伺服电机进行磁场定向控制、闭环控制、精插补计算的DSP处理器，所述ARM处理器和所述DSP处理器与所述片内数据交换单元电连接。可选地，所述片内数据交换单元为寄存器和/或随机存取存储器RAM，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种一体化机器人驱动控制板卡，其特征在于，包括集成设置的双核处理器及片内数据交换单元，所述双核处理器包括用于对机器人进行运动学、动力学、轨迹规划、运动插补计算的ARM处理器及用于对伺服电机进行磁场定向控制、闭环控制、精插补计算的DSP处理器，所述ARM处理器和所述DSP处理器与所述片内数据交换单元电连接。

【技术特征摘要】
1.一种一体化机器人驱动控制板卡，其特征在于，包括集成设置的双核处理器及片内数据交换单元，所述双核处理器包括用于对机器人进行运动学、动力学、轨迹规划、运动插补计算的ARM处理器及用于对伺服电机进行磁场定向控制、闭环控制、精插补计算的DSP处理器，所述ARM处理器和所述DSP处理器与所述片内数据交换单元电连接。2.根据权利要求1所述的一体化机器人驱动控制板卡，其特征在于，所述片内数据交换单元为寄存器和/或随机存取存储器RAM。3.根据权利要求1所述的一体化机器人驱动控制板卡，其特征在于，还包括：用于接收来自离线编程上位机或示教器的指令信息的以太网口，所述以太网口与所述ARM处理器电性连接。4.根据权利要求1所述的一体化机器人驱动控制板卡，其特征在于，还包括：用于读取惯性传感器或其他的SPI接口传感器信息的SPI接口，所述SPI接口与所述DSP处理器电性连接；用于读取多种串口传感器信息的SCI接口，所述SCI接口与所述DSP处理器电性连接。5.根据权利要求1所述的一体化机器人驱动控制板卡，其特征在于，还包括：用于接收或读取位置数据、速度数据、力数据的CAN接口，所述CAN接口与所述DSP处理器电性连接。6.根据权利要求1所述的一体化机器人驱动控制板卡，其特征在于，还包括：用于与摄像机或激光传感器连接并读取视觉或激光传感信息的USB接口，所述USB接口与所述ARM处理器电性连接。7.根据权利要求1所述的一体化机器人驱动控制板卡，其特征在于，还包括：用于按键、指示灯的IO操作的GPIO接口，所述GPIO接口与所述ARM处理器电性连接。8.根据权利要求1所述的一体化机器人驱动控制板卡，其特征在于，还包括：用于采集伺服电机控制中的电流信号的AD模拟量采集接口；用于伺服电机控制时将闭环控制的电压信号按PWM调制输出给伺服电机的PWM模块...

【专利技术属性】
技术研发人员：曲道奎，宋吉来，邹风山，胡俊，刘世昌，刘新，
申请(专利权)人：沈阳新松机器人自动化股份有限公司，
类型：发明
国别省市：辽宁,21