关节型机械臂驱控一体化控制系统及控制方法技术方案

本发明专利技术属于机器人控制器相关领域，尤其涉及一种关节型机械臂驱控一体化控制系统及控制方法。本发明专利技术利用一片集成式ARM‑DSP芯片完成机器人控制系统主控和电机运动控制，利用两片FPGA实现外部接口通信、电源控制、电流环设计，利用一片DSP芯片分时控制最多7路伺服电机；在本发明专利技术中ARM和DSP芯片间通信数据交互采用内存访问的方式，使得数据交互速度达到最快，采用无操作系统方案和中断硬实时方案，使得系统的实时性得到最大程度的提高，在关节空间内对笛卡尔空间运动学计算结果进行二次优化，保证电机运动平滑性，采用软硬件并行处理机制，设计不间断数据“交互‑使用‑重新填充”流程，保证系统数据交互与使用互不干扰。

Integrated control system and control method for articulated robot arm drive control

The invention belongs to the robot controller related field, in particular to a joint type mechanical arm driving control integrated control system and a control method. The present invention completes the main control and motion control of robot control system using a ARM integrated DSP chip design, external interface, power control, current loop by using two pieces of FPGA, up to 7 way control servo motor when using a slice of DSP chip; data communication in the ARM and DSP chip interaction the memory access mode, making the data exchange to the fastest speed, the operating system scheme and hard real-time interrupt scheme makes real-time system to maximize results, two optimization of Cartesian space kinematics calculation in joint space, to ensure that the motor movement smoothness, using the hardware and software of parallel processing mechanism. Design of uninterrupted data interaction re filling process, the use of \data to ensure system interaction and use without interference.

【技术实现步骤摘要】
关节型机械臂驱控一体化控制系统及控制方法
本专利技术属于机器人控制器相关领域，尤其涉及一种关节型机械臂驱控一体化控制系统及控制方法。
技术介绍
在基于运动学控制方法的关节型机械臂设计领域中主要有（1）CPAC机器人控制系统、（2）CRP-S80工业机器人控制系统以及（3）KeMotion机器人控制解决方案；在驱控一体化控制系统设计领域中主要有（4）驱控一体化控制器和控制系统、（5）开放式驱控一体化的工业机器人控制器研发以及（6）众为兴QC驱控一体系统。对于（1）中方案所述的机器人控制系统，关键技术在于逆运动学路径规划解算技术的实现、奇异点避免方法和操作系统实时性设计，该方案逆运动学路径规划结算主要采用几何方法求解，奇异点避免方法的实现通过绕奇异点转动机制实现，实时性设计主要通过将WINCE操作系统进行内核任务调度机制进行优化与改造进行实现。对于（2）中方案所述的机器人控制系统，关键技术在于不同构型机器人运动学求解过程的归一化求解，该方案针对不同构型的机器人分别设计运动学控制算法，然后将设计的运动学算法进行分析、比较，对相同模块进行归一化处理，最后通过优化技术进行总体整合，使用时再通过特殊设置进行构型配置。对于（3）中方案所属的机器人控制系统，关键技术在于将机器人运动学控制技术与应用工艺进行了深度整合和优化，在传统机器人运动学技术的基础上，结合搬运、码垛、焊接等应用的特殊要求，进行专门的工艺特殊设计，并以此为优化机制进行运动学控制设计。对于（4）中方案所属的机器人控制系统，关键技术主要包括控制器接口设计、应用层操作系统设计、应用程序和人机交互设计、运动控制卡设计及用于IO控制的可编程逻辑控制器。对于（5）中方案所述的机器人控制系统，关键技术在于将常规运动控制器、常规驱动器的控制模块、工控机、安全控制卡、示教盒的CPU处理模块有机集成，形成一个一体化的运动控制器，并将其中运动控制接口进行封装开放，使用户可以进行二次开发。对于（6）中所述的机器人控制系统，关键技术在于通过分片式嵌入式设计实现了机器人控制系统逻辑部分功能、人机交互功能、电机实时运动控制功能、机器人安全控制功能和IO控制功能。对于（1）~（6）所述的方案，皆存在成本过高、实时性解决不彻底、使用时需要二次集成不能直接使用的缺点；有的还有奇异点问题解决耗时太长，驱控一体设计方案不完整、封装后的二次开发接口复杂使用技术门槛高，系统硬件过于复杂、稳定性有待提高、负载功率有限的缺点。导致（1）所述方案在于系统主控制器使用INTEL架构工控机成本较高，操作系统WINCE内核改造只能保证软实时，该操作系统架构设计时根本不存在硬实时控制机制，奇异点解决算法过于单一，所设计方案产品为机器人控制系统主控制器，没有将驱动部分和配件设计入内，因此需要二次集成到控制柜中才能在产业中进行实际应用。导致（2）和（3）所述方案缺点的原因在于主控制器使用INTEL架构工控机成本较高，操作系统直接使用WINDOWS系统没有考虑实时性设计，所设计方案产品为机器人控制系统主控制器，没有将驱动部分和配件设计入内，因此需要二次集成到控制柜中才能在产业中进行实际应用。导致（4）所述方案缺点的原因在于主控制器使用INTEL架构工控机成本较高，操作系统存在版权成本，驱控一体化方案中只设计了传统伺服驱动器的控制部分而未设计电源模块和放大模块，所设计方案产品为机器人控制系统主控制器，没有将驱动部分和配件设计入内，因此需要二次集成到控制柜中才能在产业中进行实际应用。导致（5）所属方案缺点的原因在于主控制器使用INTEL架构工控机成本较高，操作系统存在版权成本，驱控一体化方案中只设计了传统伺服驱动器的控制部分而未设计电源模块和放大模块，所涉及的封装后开放接口属于高级软件开发范畴，对设计人员技术要求较高，所设计方案产品为机器人控制系统主控制器，没有将驱动部分和配件设计入内，因此需要二次集成到控制柜中才能在产业中进行实际应用。导致（6）所属方案缺点的原因在于使用了多片嵌入式控制芯片，据不完全分析，该系统至少使用了1片ARM芯片、2片FPGA芯片、9片DSP芯片，造成系统过于复杂，稳定性问题也随之浮现，主控系统复杂导致功耗过大，进而使得电源和伺服放大模块功率受到限制，该控制系统的封装采用盒式封装，现场抗干扰能力有限，扩展后的外部配件不好固定安装，因此需要二次集成为控制柜才能在实际产线中使用。
技术实现思路
为了解决上述问题，本专利技术提出了一种关节型机械臂驱控一体化控制系统，其特征在于，包括主控板、信号集成模块、IPM驱动放大模块以及强电管理电路；主控板和信号集成板之间通过SPI总线进行通信连接，信号集成模块通过其IPM接口与IPM驱动放大模块连接，信号集成模块通过其强电控制接口与强电管理电路连接；主控板包括master-FPGA、ARM-DSP双核处理器、扩展DRAM、SD卡、隔离IO、网络总线模块；主控板的master-FPGA的扩展集成板接口、隔离IO、SD卡、扩展DRAM分别采集相关信息后，交由ARM-DSP双核处理器进行处理，产生控制信息，控制信息通过master-FPGA扩展的集成板接口发送到信号集成板，并写入SD卡和扩展DRAM，同时操作主控板控制IO动作，发送网络总线指令至网络总线模块；信号集成板上包括slave-FPGA接口管理、IPM接口和隔离模块，所述隔离模块包括编码器信号隔离、抱闸电路隔离、强电模块监控隔离、通信隔离、PC调试串行口隔离，各隔离模块分别与slave-FPGA连接；PC调试串行口隔离连接示教器或PC端；IPM接口连接六路电机控制信号线，抱闸电路隔离连接电机抱闸线，编码器信号隔离连接电机编码器反馈信号线。所述强电管理电路主要完成电源整流、过压过流保护、大电容充放电管理、再生电阻温度管理。所述master-FPGA还用于为运动控制多路电流环DQ电流分解使用、编码器信号接收后的CRC校验和旨在速度检测平滑的快速移动窗口平均、生成4路扩展PWM发生器、电流采样检测三阶降噪滤波器；所述ARM-DSP双核处理器中的DSP模块主要完成系统的路径规划和电机实时PID控制算法以及相应的快速和平滑处理，ARM-DSP双核处理器中的ARM模块主要完成系统的状态监测、信号管理和任务调度；所述信号集成板用于在主控板统一时钟下各接口的信号采集、隔离和管理，具体包括IPM接口的电流采集、异常信号采集、电机控制信号发送，抱闸电路接口的信号控制管理，强电控制接口的信息采集和控制管理，扩展IO的隔离、信号读取、控制管理，RS485通信接口的隔离、信号读取、信号发送，编码器接口的隔离、信号读取、信号发送等。一种关节型机械臂驱控一体化控制系统的控制方法，所述方法包括任务示教、路径提取、奇异点处理、运动学路径规划、路径平滑，完成运动学路径规划和路径平滑后将大规模路径规划数据转为实时运动控制部分参考数据，传递至各个轴的位置环、速度环、电流环伺服电机实时运动控制模块。所述路径提取首先要做的是任务路径描述，任务路径描述采用标准最小指令集格式进行；然后是任务描述解析，任务描述解析分为两部分：一部分为将提取的任务采用二进制编码发送到ARM-DSP双核处理器，ARM-DSP双核处理器会周期性的将机器人运行状态发送至任务示本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种关节型机械臂驱控一体化控制系统，其特征在于，包括主控板、信号集成模块、IPM驱动放大模块以及强电管理电路；主控板和信号集成板之间通过SPI总线进行通信连接，信号集成模块通过其IPM接口与IPM驱动放大模块连接，信号集成模块通过其强电控制接口与强电管理电路连接；主控板包括master‑FPGA、ARM‑DSP双核处理器、扩展DRAM、SD卡、隔离IO、网络总线模块；主控板的master‑FPGA的扩展集成板接口、隔离IO、SD卡、扩展DRAM分别采集相关信息后，交由ARM‑DSP双核处理器进行处理，产生控制信息，控制信息通过master‑FPGA扩展的集成板接口发送到信号集成板，并写入SD卡和扩展DRAM，同时操作主控板来控制IO动作，发送网络总线指令至网络总线模块；信号集成板上包括slave‑FPGA接口管理、IPM接口和隔离模块，所述隔离模块包括编码器信号隔离、抱闸电路隔离、强电模块监控隔离、通信隔离、PC调试串行口隔离，各隔离模块分别与slave‑FPGA连接；PC调试串行口隔离连接示教器或PC端；IPM接口连接六路电机控制信号线，抱闸电路隔离连接电机抱闸线，编码器信号隔离连接电机编码器反馈信号线；所述强电管理电路主要完成电源整流、过压过流保护、大电容充放电管理、再生电阻温度管理。...

【技术特征摘要】
1.一种关节型机械臂驱控一体化控制系统，其特征在于，包括主控板、信号集成模块、IPM驱动放大模块以及强电管理电路；主控板和信号集成板之间通过SPI总线进行通信连接，信号集成模块通过其IPM接口与IPM驱动放大模块连接，信号集成模块通过其强电控制接口与强电管理电路连接；主控板包括master-FPGA、ARM-DSP双核处理器、扩展DRAM、SD卡、隔离IO、网络总线模块；主控板的master-FPGA的扩展集成板接口、隔离IO、SD卡、扩展DRAM分别采集相关信息后，交由ARM-DSP双核处理器进行处理，产生控制信息，控制信息通过master-FPGA扩展的集成板接口发送到信号集成板，并写入SD卡和扩展DRAM，同时操作主控板来控制IO动作，发送网络总线指令至网络总线模块；信号集成板上包括slave-FPGA接口管理、IPM接口和隔离模块，所述隔离模块包括编码器信号隔离、抱闸电路隔离、强电模块监控隔离、通信隔离、PC调试串行口隔离，各隔离模块分别与slave-FPGA连接；PC调试串行口隔离连接示教器或PC端；IPM接口连接六路电机控制信号线，抱闸电路隔离连接电机抱闸线，编码器信号隔离连接电机编码器反馈信号线；所述强电管理电路主要完成电源整流、过压过流保护、大电容充放电管理、再生电阻温度管理。2.根据权利要求1所述的一种关节型机械臂驱控一体化控制系统，其特征在于，所述master-FPGA还用于为运动控制多路电流环DQ电流分解使用、编码器信号接收后的CRC校验和旨在速度检测平滑的快速移动窗口平均、生成4路扩展PWM发生器、电流采样检测三阶降噪滤波器。3.根据权利要求1所述的一种关节型机械臂驱控一体化控制系统，其特征在于，所述ARM-DSP双核处理器中的DSP模块主要完成系统的路径规划和电机实时PID控制算法以及相应的快速和平滑处理，ARM-DSP双核处理器中的ARM模块主要完成系统的状态监测、信号管理和任务调度。4.根据权利要求1所述的一种关节型机械臂驱控一体化控制系统，其特征在于，所述信号集成板用于在主控板统一时钟下各接口的信号采集、隔离和管理，具体包括IPM接口的电流采集、异常信号采集、电机控制信号发送，抱闸电路接口的信号控制管理，强电控制接口的信息采集和控制管理，扩展IO的隔离、信号读取、控制管理，RS485通信接口的隔离、信号读取、信号发送，编码器接口的隔离、信号读取、信号发送。5.一种基于权利要求1所述的关节型机械臂驱控一体化控制系统的控制方法，其特征在于，所述方法包括任务示教、路径提取、奇异点处理、运动学路径规划、路径平滑，以及完成运动学路径规划和路径平滑后将大规模路径规划数据转为实时运动控制部分参考数据，传递至各个轴的位置环、速度环、电流环伺服电机实时运动控制模块。6.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述路径提取首先要做的是任务路径描述，任务路径描述采用标准最小指令集格...

【专利技术属性】
技术研发人员：张敬良，王宝磊，贾庆伟，
申请(专利权)人：宁波韦尔德斯凯勒智能科技有限公司，
类型：发明
国别省市：浙江,33