基于EtherCAT的机器人单腿高实时性控制系统技术方案

一种基于EtherCAT的机器人单腿高实时性控制系统，包括上位机、工控机、驱动器和编码器，工控机与上位机通过网络通信进行传输数据，工控机作为主站通过EtherCAT总线与驱动器连接，驱动器作为从站与编码器相连接，工控机运行控制算法，得出需要腿足式机器人各关节的输出力矩，转换成电流值，通过EtherCAT通信传递给驱动器，驱动器通过内置的电流环实现电机输出给定的力矩，实现单腿的运动。本发明专利技术在通信架构的同步模式中，运行单腿的向前跳跃算法，单腿机器人具有良好的实时性和柔顺性能，通过在单腿机器人中采用线型拓扑、环形结构，减少了硬件的复杂接线，保证了电驱动单腿机器人控制系统的实时性和可靠性，同时提高了控制的稳定性和高精度。

One leg high real time control system of robot based on EtherCAT

【技术实现步骤摘要】
基于EtherCAT的机器人单腿高实时性控制系统
本专利技术涉及一种用于电驱动腿足式机器人的基于EtherCAT的单腿高实时性控制系统，属于工业以太网的应用领域和四足机器人的控制

技术介绍
EtherCAT是一种实时工业以太网技术，近年来，已在多个领域得到了广泛应用。在腿足式机器人领域，实时性的控制系统搭建一直是该领域比较核心的问题。当前有很多实时性系统方案，如美国麻省理工学院的Cheetah2用的是NI公司提供的控制器以RS-422通信为基础搭建的实时系统，瑞士苏黎世联邦理工学院的StarlETH采用的是基于ROS机器人系统的实时性系统等，或是采用公司的成熟方案，或是基于机器人系统搭建。但是由于采用的都不是专业的实时性系统，当前的电动腿足式机器人的实时性系统性能表现一般，仍然有提升的方面。腿足机器人当完成各种复杂的任务时，需要配置更多的传感器和关节执行器。这时便需要同步的获取机器人上的多传感器信息，同步的发送控制信息给机器人的各个执行器。以波士顿动力公司的“BigDog”机器人为例，其传感器便有69个之多。多自由度的腿足式机器人控制系统想要达到的理想的运动性能，需要具备实时的控制能力。针对目前腿足式机器人的通讯非实时的问题，把EtherCAT的通讯技术应用于控制系统中是腿足式机器人发展的趋势。目前的腿足式机器人控制系统大都采用CAN总线或者RS485总线，虽然它们通信稳定，具有很好的抗干扰能力，但其无法满足控制系统对实时性和可靠性的要求。CAN总线或者RS485总线可拓展差，接线复杂。EtherCAT相对于传统的以太网数据包传输方式，无需接受以太网数据包，直接通过解码，复制到各个设备，使得设备之间仅有微妙级的延迟，极大地提高了传输的效率。在多个设备数据使用一个以太网帧，压缩了大量的设备数据。相对与普通以太网100MBit/s，EtherCAT具有全双工的特性，可获得大于2x100MBit/sx90％有效数据率。在其从站内采用从站控制器可完成所有通讯。相对于传统的现场总线系统，EtherCAT通讯速度快，底层响应时间短，打破了传统现场总线的通讯瓶颈，从而能够大大提高系统性能。在拓扑结构、时钟同步、数据传输速度和构建成本方面有很大的优势，同时它支持线性节点和冗余电缆。EtherCAT几乎支持任何拓扑结构，其中包括树形、星状和线型，EtherCAT总线协议可以减少电缆的数量，提高抗干扰能力。目前，一些基于EtherCAT的机器人控制系统相继涌现，如在中国专利文献CN108942932A中公开了“基于EtherCAT总线的工业机器人控制系统及方法”，它以一体化控制器作为主站，包括CoDeSys控制模块和动态链接库。运动模块和总线IO模块共享EtherCAT总线，降低了控制成本。在中国专利文献CN108687776A中公开了“一种机器人控制系统”，通过采用EtherCAT总线进行通信，主站根据反馈信息通过EtherCAT总线向从站发送控制命令，从站接受命令并根据所述控制命令控制机器轴模组工作，减少了硬件的接线，提高了其专利技术中的控制系统实时性。对于目前的电驱动腿足式机器人的研究中，目前还存在着以下核心问题：对控制系统实时性、响应速度、通信带宽的更高要求；实时性的控制系统搭建，缺少真正的实时性系统；当受到外部干扰时，抗干扰能力略差。
技术实现思路
本专利技术针对现有的电驱动腿足式机器人控制系统在实时性和高效性方面存在的问题，提供一种实时稳定的基于EtherCAT的机器人单腿高实时性控制系统本专利技术的基于EtherCAT的机器人单腿高实时性控制系统，采用以下方案：该控制系统，包括上位机、工控机、驱动器和编码器，工控机与上位机通过网络通信进行传输数据，工控机作为主站通过EtherCAT总线与驱动器连接，驱动器作为从站与编码器相连接，驱动器包括大腿驱动器和小腿驱动器，大腿驱动器和小腿驱动器分别作为第一从站和第二从站，机器人的大腿关节电机和小腿关节电机分别与大腿驱动器和小腿驱动器连接，大腿关节电机处和小腿关节电机处均安装有编码器，编码器通过信号线与驱动器连接；工控机运行控制算法，得出需要腿足式机器人各关节的输出力矩，转换成电流值，通过EtherCAT通信传递给驱动器，驱动器通过内置的电流环实现电机输出给定的力矩，实现单腿的运动。所述工控机作为主站向从站(驱动器)发送控制信息，信息通过以太网帧的形式传递到第一从站，第一从站(大腿驱动器)从数据帧中抽取数据或将数据插入数据帧，然后将该帧传输到第二从站(小腿驱动器)，第二从站发回经过处理的数据帧，并由第一从站作为响应传递给主站(工控机)。为搭建电驱动四足机器人的网络拓扑结构提供方案，可将从站拓展到多个，并采用线型拓扑和环形结构。所述驱动器用于将控制信息转换为电机的驱动命令控制电机的位置和转矩，并将电机的关节角转换为位置信息，将转矩的模拟量转变成数字量发送给主站。所述主站采用QNX实时操作系统，在实时操作系统下完成主站协议栈，从站采用力矩伺服控制，通过内置电流环实现单腿的柔顺控制和向前跳跃算法。所述编码器用于关节电机角位移的检测，通过编码器测得的脉冲数和关节减速器的减速比，得到关节的旋转角度，驱动器得到编码器上传的脉冲数，再将经过滤波的脉冲值上传至工控机。在控制算法中，根据正运动学计算出足端相对于基坐标系的位置，并通过已知的控制频率来计算出瞬时速度。所述工控机与上位机通过TCP/IP协议进行传输数据。上位机实现人与机器人的交互界面。在机器人运动过程中，可以通过上位机给机器人发控制指令，例如，前进、跳跃等。所述EtherCAT通信的系统架构为：通过绑定实时核，工控机主站周期线程实现外部硬定时器的级别；使用同步模式，过程镜像传递周期性数据，控制算法在主站周期循环内调用；开Log日志线程，用于存储实验数据到磁盘中；使用模板元编程的方式，添加、保存和输出机器人的错误信息；使用邮箱COE，访问对象字典及其对象，实现初始化；所述控制算法包括单腿的柔顺控制和向前跳跃算法。所述同步模式，是在过程映像周期更新线程中，所有需要硬实时的任务需要在其中完成，优先级最高，在主站周期线程中完成过程映像的更新；在过程映像周期更新线程中，跳跃控制算法是通过在每个主站周期中调用过程任务(回调函数)去实现；过程映像数据的写入和读取方式，通过两个缓冲区：活动缓冲区和阴影缓冲区，避免主程序和控制算法的冲突；通过网卡驱动和帧调度，主站与EtherCAT总线进行数据的读写，当主站要读写数据时，过程任务调用开始读写函数，把阴影缓冲区内容复制到活动缓冲区，在主站周期循环更新节点之前，缓冲区保持原来的内容，当调用读写完毕函数时，活动缓冲区内容做好发送到总线的准备，当达到主站周期循环更新节点时，更新的活动缓冲区内容复制到阴影缓冲区，阴影缓冲区完成主站与EtherCAT总线的数据交互，每次到循环更新时间时则更新。所述邮箱更新线程，和主站周期线程比，也是用基于定时器的信号量原子操作来实现。此线程优先级低于PI更新的优先级。本专利技术中用邮箱COE来访问对象字典及其对象，实现初始化。执行COE的读写操作，设置力矩操作模式0x04，依次设置0x0006、0x0007、0x000F的控制字，完成电机的使能。所述log日志线程，用于记录本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于EtherCAT的机器人单腿高实时性控制系统，其特征在于：包括上位机、工控机、驱动器和编码器，工控机与上位机通过网络通信进行传输数据，工控机作为主站通过EtherCAT总线与驱动器连接，驱动器作为从站与编码器相连接，驱动器包括大腿驱动器和小腿驱动器，大腿驱动器和小腿驱动器分别作为第一从站和第二从站，机器人的大腿关节电机和小腿关节电机分别与大腿驱动器和小腿驱动器连接，大腿关节电机处和小腿关节电机处均安装有编码器，编码器通过信号线与驱动器连接；工控机运行控制算法，得出需要腿足式机器人各关节的输出力矩，转换成电流值，通过EtherCAT通信传递给驱动器，驱动器通过内置的电流环实现电机输出给定的力矩，实现单腿的运动。

【技术特征摘要】
1.一种基于EtherCAT的机器人单腿高实时性控制系统，其特征在于：包括上位机、工控机、驱动器和编码器，工控机与上位机通过网络通信进行传输数据，工控机作为主站通过EtherCAT总线与驱动器连接，驱动器作为从站与编码器相连接，驱动器包括大腿驱动器和小腿驱动器，大腿驱动器和小腿驱动器分别作为第一从站和第二从站，机器人的大腿关节电机和小腿关节电机分别与大腿驱动器和小腿驱动器连接，大腿关节电机处和小腿关节电机处均安装有编码器，编码器通过信号线与驱动器连接；工控机运行控制算法，得出需要腿足式机器人各关节的输出力矩，转换成电流值，通过EtherCAT通信传递给驱动器，驱动器通过内置的电流环实现电机输出给定的力矩，实现单腿的运动。2.根据权利要求1所述的基于EtherCAT的机器人单腿高实时性控制系统，其特征在于：所述所述工控机作为主站向从站发送控制信息，信息通过以太网帧的形式传递到第一从站，第一从站从数据帧中抽取数据或将数据插入数据帧，然后将该帧传输到第二从站，第二从站发回经过处理的数据帧，并由第一从站作为响应传递给主站。3.根据权利要求1所述的基于EtherCAT的机器人单腿高实时性控制系统，其特征在于：所述驱动器用于将控制信息转换为电机的驱动命令控制电机的位置和转矩，并将电机的关节角转换为位置信息，将转矩的模拟量转变成数字量发送给主站。4.根据权利要求1所述的基于EtherCAT的机器人单腿高实时性控制系统，其特征在于：所述主站采用QNX实时操作系统，在实时操作系统下完成主站协议栈，从站采用力矩伺服控制，通过内置电流环实现单腿的柔顺控制和向前跳跃算法。5.根据权利要求1所述的基于EtherCAT的机器人单腿高实时性控制系统，其特征在于：所述编码器用于关节电机角位移的检测，通过编码器测得的脉冲数和关节减速器的减速比，得到关节的旋转角度，驱动器得到编码器上传的脉冲数，再将经过滤波的脉冲值上传至工控机。6.根据权利要求1所述的基于EtherCAT的机器人单腿高实时性控制系统，其特征在于：所述EtherCAT通信的系统架构为：通过绑定实时核，工控机主站周期线程实现外部硬定时器的级别；使用同步模式，过程镜像传递周期性数据，控制算法在主站周期循环内调用；开Log日志线程，用于存储实验数据到磁盘中；使用模板元编程的方式，添加、保存和输出机器人的错误信息；使用邮箱COE，访问对象字典及其对象，实现初始化；所述控制算法包括单腿的柔顺...

【专利技术属性】
技术研发人员：周乐来，邵帅，李贻斌，李田法，荣学文，柴汇，
申请(专利权)人：山东大学，
类型：发明
国别省市：山东,37