机器人关节的驱动控制一体化系统技术方案

一种机器人关节的驱动控制一体化系统，包括：控制模块、驱动模块、传感模块和通讯模块，其中：控制模块通过模拟量接口和数字量接口与驱动模块相连，向驱动模块输出机器人关节的电机的运动控制指令，接收来自驱动模块的电机电流信号、编码器脉冲信息并获取当前电机的速度和加速度信号；传感模块采集机器人关节内的传感器数据并反馈至控制模块；通讯模块将传感器数据、运动控制指令以及电机运动状态数据通过总线上传至上位机，并从总线下载上位机发给机器人关节控制模块的控制指令，上位机和下位机之间采用主从通讯控制模式，交换的数据在总线上双向传输。

An integrated drive and control system for robot joints

A robot joint drive control system, which comprises a control module, driver module, sensor module and communication module, the control module through the analog interface and the digital interface is connected with the drive module, motor drive module to output the robot motion control command, motor current signal, receiving information from the driving pulse encoder the module and the velocity and acceleration signal to obtain the current of the motor; the sensor data acquisition module in the joint robot sensing and feedback to the control module; the communication module sensor data, motion control commands and motor state data through the bus uploaded to the host computer, download the PC from the bus and send control commands between the robot joint control module. The upper and lower machine communication using the master-slave control mode, data exchange in Bi-directional transmission on the bus.

【技术实现步骤摘要】
机器人关节的驱动控制一体化系统
本专利技术涉及的是一种自动化控制领域的技术，具体是一种机器人关节的驱动控制一体化系统。
技术介绍
机器人在日常的生产生活中得到更广泛的应用，在工业、医疗、服务等领域发挥着重要作用。面对不同的应用环境，对机器人的构型、工作空间、自由度等属性提出了更为复杂的要求。目前市场上售卖的传统机械臂受限于综合成本、市场需求、批量化等限制，常常不利于用户根据自身应用场景自定义机器人。为此，机器人标准一体化机器人关节的概念应运而生。采用一体化机器人关节自由组合的方式，不仅可以缩短机器人的开发周期，还可适应各类特殊任务，同时降低了采购商业机器人的成本。
技术实现思路
本专利技术针对现有模块化可重构机器人无法对关节内部温度状态进行检测、无法直接提供各个关节的空间绝对位姿以及其各向加速度、角速度等信息的缺陷，提出一种机器人关节的驱动控制一体化系统，能够提供速度、位置、电流三种模式的控制方式，还能采集机器人关节内温度以及运动传感器的数据，上位机和下位机间通过高速现场总线传输数据，实现各个关节闭环反馈控制。本专利技术是通过以下技术方案实现的：本专利技术包括：控制模块、驱动模块、传感模块和通讯模块，其中：控制模块通过模拟量接口和数字量接口与驱动模块相连，向驱动模块输出机器人关节的电机的运动控制指令，接收来自驱动模块的电机电流信号、编码器脉冲信息并获取当前电机的速度和加速度信号；传感模块采集机器人关节内的传感器数据并反馈至控制模块；通讯模块将传感器数据、运动控制指令以及电机运动状态数据通过总线上传至上位机，并从总线下载上位机发给机器人关节控制模块的控制指令，上位机和下位机之间采用主从通讯控制模式，交换的数据在总线上双向传输。所述的驱动模块包括：直流无刷电机、直流无刷驱动器和相对编码器。所述的传感模块包括：温度传感器、零位传感器和陀螺仪加速度计。所述的通讯模块包括：与CAN收发器相连的CAN总线通讯模块以及和EtherCAT总线从站通讯控制芯片ESC(EtherCATSlaveController)。所述的系统进一步设有供电模块，该供电模块将输入的电压用于驱动模块使用，并分别实现5V的降压和3.3V降压供给传感模块、控制模块和通讯模块使用。所述的供电模块包括：24V/48V输入、保护电路、5V降压稳压、3.3V降压稳压。所述的系统进一步设有辅助模块，用于控制模块中的核心控制芯片的程序下载调试接口，同时可通过控制指示灯的闪烁实现信号的表达。技术效果与现有技术相比，本专利技术能将驱动和控制进行一体化整合，作为一套完整的机器人关节驱控系统，合理安排到机器人关节内。本专利技术能够采集机器人关节内的温度(-55℃～125℃，分辨率0.5℃)，位姿加速度以及角速度(±16g，50Hz)等传感器数据，丰富机器人关节的数据信息。系统配备的高速现场总线通讯可实现下位机(机器人关节)与上位机之间数据稳定而快速交换，通讯周期1ms。系统使用24V/48V直流电源供电，电机功率50～100W，输出扭矩8.64Nm～19.14Nm，额定转速35rpm～55rpm，重量1.5kg。附图说明图1为本专利技术系统结构图；图2为实施例流程示意图。具体实施方式如图1所示，为本实施例涉及的一种机器人关节的驱动控制一体化系统，包括：控制模块、驱动模块、传感模块和通讯模块，其中：控制模块通过模拟量接口和数字量接口与驱动模块相连，向驱动模块输出机器人关节的电机的运动控制指令，接收来自驱动模块的电机电流信号、编码器脉冲信息并获取当前电机的速度和加速度信号；传感模块采集机器人关节内的传感器数据并反馈至控制模块；通讯模块将传感器数据、运动控制指令以及电机运动状态数据通过总线上传至上位机，并从总线下载上位机发给机器人关节控制模块的控制指令，上位机和下位机之间采用主从通讯控制模式，交换的数据在总线上双向传输。所述的控制模块与驱动模块通过一组电位差分通讯电路相连以进行运动控制命令和反馈状态数据交互，接收传感模块的信号反馈数据，与上位机之间的数据交互通过通讯模块传递，并通过对比当前以及目标的位置和速度，通过通讯电路电位差输出到驱动模块，控制电机达到目标状态，该控制模块包括：带有CAN控制器的核心控制芯片、控制芯片的外围电路。所述的驱动模块包括：带有霍尔传感器的直流无刷电机、直流无刷驱动器和相对编码器，其中：作为机器人关节的动力源的直流无刷电机设置于机器人关节内并通过三根相线连接至直流无刷驱动器，直流无刷驱动器设置于驱动控制一体化系统的电路板上，相对编码器设置于机器人关节内并分别与直流无刷电机尾端以及直流无刷驱动器相连，输出用于控制直流无刷电机换向的霍尔信号并采集电机尾端的两相旋转脉冲信号至驱动模块。所述的直流无刷电机内部集成的霍尔传感器其信号直接接入直流无刷驱动器，通过检测霍尔传感器的反馈值控制连接直流无刷电机的换向实现旋转。所述的传感模块包括：温度传感器、零位传感器和陀螺仪加速度计，其中：用于检测机器人关节温度的温度传感器设置于电路板贴近电机的位置，将温度数值通过单总线方式传输到控制模块；用于检测机器人关节上电后零位位置的零位传感器直接与控制模块相连；用于检测机器人关节位姿、加速度和角速度的陀螺仪加速度计通过I2C通讯协议将检测值输出至控制模块。从陀螺仪加速度计获得的关节位姿、加速度以及角速度可用于对关节进行空间定位；同时由于直接获取机器人关节的部分运动状态，可以利用数据信息和理论仿真计算相对比从而判断关节运动是否正确或者发生故障，进而保护硬件。所述的零位传感器由若干霍尔元件组成，该霍尔元件沿圆周等距分布于电路板上并设置于关节输出端，当机器人关节的连杆上的旋转磁铁经过其中任一霍尔元件时实现触发，引起控制模块中核心控制芯片相应的引脚电平发生变化，发送至控制模块，从而获得上电后关节当前的绝对位置。所述的通讯模块包括：与CAN总线相连的CAN收发器以及和EtherCAT总线相连的EtherCAT从站，其中：CAN收发器设置于电路板上并与控制模块相连，EtherCAT从站控制芯片设置于电路板上，与控制模块的核心控制芯片通过SPI通讯，因此控制模块可以将数据通过SPI发送到EtherCAT从站，从站处理后发送到从站所接入的EtherCAT总线上进而与上位机数据交互。所述的系统进一步设有供电模块，该供电模块包括：24V/48V输入、保护电路、5V降压稳压和3.3V降压稳压，其中：24V/48V为总线上的电源输入，由电路板上的电源插头输入，电源输入直接与驱动模块连接，为驱动模块提供电能；保护电路可包括熔断器、防反向二极管、电解电容，起到系统的过流保护和反向电压保护的作用；5V降压稳压将电源输入进行降压为5V，供给需要5V供电的芯片，同时由稳压的电容维持5V输出的稳定；3.3V降压稳压将5V降压为3.3V，供给需要3.3V供电的芯片使用，同时由稳压的电容维持3.3V输出的稳定。所述的系统进一步设有辅助模块，该辅助模块包括：设置于电路板上的下载调试接口和指示灯，其中：下载调试接口作为核心控制芯片中的程序烧录和调试的入口，实现整个系统的程序烧录和调试；指示灯受控制模块控制，通过不同的闪烁体现系统不同的表达信号，一般使用红灯或绿灯。上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本专利技术原理和宗旨的前提下以不本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种机器人关节的驱动控制一体化系统，其特征在于，包括：控制模块、驱动模块、传感模块和通讯模块，其中：控制模块通过模拟量接口和数字量接口与驱动模块相连，向驱动模块输出机器人关节的电机的运动控制指令，接收来自驱动模块的电机电流信号、编码器脉冲信息并获取当前电机的速度和加速度信号；传感模块采集机器人关节内的传感器数据并反馈至控制模块；通讯模块将传感器数据、运动控制指令以及电机运动状态数据通过总线上传至上位机，并从总线下载上位机发给机器人关节控制模块的控制指令，上位机和下位机之间采用主从通讯控制模式，交换的数据在总线上双向传输。

【技术特征摘要】
1.一种机器人关节的驱动控制一体化系统，其特征在于，包括：控制模块、驱动模块、传感模块和通讯模块，其中：控制模块通过模拟量接口和数字量接口与驱动模块相连，向驱动模块输出机器人关节的电机的运动控制指令，接收来自驱动模块的电机电流信号、编码器脉冲信息并获取当前电机的速度和加速度信号；传感模块采集机器人关节内的传感器数据并反馈至控制模块；通讯模块将传感器数据、运动控制指令以及电机运动状态数据通过总线上传至上位机，并从总线下载上位机发给机器人关节控制模块的控制指令，上位机和下位机之间采用主从通讯控制模式，交换的数据在总线上双向传输。2.根据权利要求1所述的系统，其特征是，所述的控制模块与驱动模块通过一组电位差分通讯电路相连以进行运动控制命令和反馈状态数据交互，接收传感模块的信号反馈数据，与上位机之间的数据交互通过通讯模块传递，并通过对比当前以及目标的位置和速度，通过通讯电路电位差输出到驱动模块，控制电机达到目标状态，该控制模块包括：带有CAN控制器的核心控制芯片、控制芯片的外围电路。3.根据权利要求1所述的系统，其特征是，所述的驱动模块包括：带有霍尔传感器的直流无刷电机、直流无刷驱动器和相对编码器，其中：作为机器人关节的动力源的直流无刷电机设置于机器人关节内并通过三根相线连接至直流无刷驱动器，直流无刷驱动器设置于驱动控制一体化系统的电路板上，相对编码器设置于机器人关节内并分别与直流无刷电机尾端以及直流无刷驱动器相连，输出用于控制直流无刷电机换向的霍尔信号并采集电机尾端的两相旋转脉冲信号至驱动模块。4.根据权利要求3所述的系统，其特征是，所述的直流无刷电机内部集成的霍尔传感器其信号直接接入直流无刷驱动器，通过检测霍尔传感器的反馈值控制连接直流无刷电机的换向实现旋转。5.根据权利要求1所述的系统，其特征是，所述的传感模块包括：温度传感器、零位传感器和陀螺仪加速度计，其中：用于检测机器人关节温度的温度传感器设置于电路板贴近电机的位置，将温度数值通过单总线方式传输到控制模块；用于检测机器人关节上电后零位位置的零位传感器直接与控制模块相连；用于检测机器人关节位姿、加速度和角速度的陀螺仪加速...

【专利技术属性】
技术研发人员：曹其新，林成靖，钱英杰，李想，吕石磊，徐继豪，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：上海,31