一种基于EtherCAT通信协议的实时性优化模拟机器人系统技术方案

本发明专利技术涉及工业机器人模拟领域，具体是一种基于EtherCAT通信协议的实时性优化模拟机器人系统，包括：前端，通过屏幕界面将实体机器人的动作实现通过界面展示出来；后端，按任务处理的及时性分为Linux非实时部分和Rtems实时部分，用于实现对控制系统通信平台设计，通过合理地设计和开发EtherCAT主从站软件框架，对其进行优化，从而减少因外部环境因素的影响而出现数据波动、丢失类问题；与现有依赖机器人控制器硬件的方法相比，本发明专利技术在降低硬件成本的同时能获得更好的通信效果，具有实际应用和推广价值，同时提高了企业的竞争力以及为机器人行业指明了航向标。器人行业指明了航向标。器人行业指明了航向标。

【技术实现步骤摘要】
一种基于EtherCAT通信协议的实时性优化模拟机器人系统


[0001]本专利技术涉及工业机器人模拟领域，具体是一种基于EtherCAT通信协议的实时性优化模拟机器人系统。

技术介绍

[0002]工业机器人是面向工业领域研发的多关节机械手或多自由度的机器装置，它依靠自身动力和控制力来执行控制系统发出的运动命令以实现相应操作，主要用于制造、搬运、检测等需要长时间重复性的生产环节，还用于汽车加工、电子电气加工、化工等工业领域。与人力相比，工业机器人能长时间高强度地做一些重复性的工作，极大地解放了人力资源，大大提高了生产率和降低了劳动力，加快了工业生产自动化的进程。
[0003]在未来10年，工业机器人的发展会朝着网络化、智能化、感知化和人机协作化方向发展。短时间内，工业机器人还需要在精度、可靠性、稳定性、安全性上大力研究。目随着工业机器人应用越来越广泛，中国机器人市场需求巨大，因此有必要研发一个采用开源平台的成本低、开放性好的机器人控制系统。与此同时，昂贵的实体机器人价格对于研究者或者学校来说也是一个比较大的科研阻碍，通过上面的分析以及针对机器人在教学培训过程中存在的问题，需要专利技术一种成本低、适应性强并且能够普遍应用于机器人的模拟系统是关键。
[0004]如中国专利号为202010220622.0的一种基于非实时系统的EtherCAT主站同步方法，该专利提供一种基于非实时系统的EtherCAT主站同步方法，该专利采用非实时系统和普通网卡的软主站方式由于非实时系统的定时精度很差，通讯不稳定性，容易产生各种连接或超时错误。
[0005]如中国专利号为201810844014.X的机器人系统的模拟装置和模拟方法，该专利提供了一种机器人系统的模拟装置，进行模拟虚拟机人控制器；该专利只能进行一定条件下的机器人控制器的模拟，主要是用于应用，不能从底层对机器人控制器进行模拟。

技术实现思路

[0006]为了解决上述问题，本专利技术提出一种基于EtherCAT通信协议的实时性优化模拟机器人系统。
[0007]一种基于EtherCAT通信协议的实时性优化模拟机器人系统，包括：
[0008]前端，通过屏幕界面将实体机器人的动作实现通过界面展示出来；
[0009]后端，按任务处理的及时性分为Linux非实时部分和Rtems实时部分，用于实现对控制系统通信平台设计。
[0010]所述的前端包括通过交互界面实现对实体机器人的3d渲染的人机交互模块、记录相应的采样数据并对数据进行筛选处理的采样数据预处理模块、控制实体机器人与前端3d机器人部分位置姿态同时发生变化的位姿同步模块、对机器人进行路径算法的开发和调用的路径规划算法、对获取的数据信息利用插补原理对其进行粗插补的粗插补模块。
[0011]所述的人机交互模块通过合理设计交互的界面，其软件的界面包含机器人本身的参数、控制机器人的各个关节运动的按钮、工件的位置坐标类部分。
[0012]所述的采样数据预处理模块指人工进行手把手示教码垛类应用功能时，虚拟控制系统对机器人6轴关节和2轴变位轴伺服电机的绝对位置编码器数值以及应用系统I/O参数进行定时采样，记录相应数据并进行筛选来获取有用信息。
[0013]所述的Linux非实时部分是指对实时性要求不高的模块，包括利用Linux完善的性能处理数据传输类相应应用逻辑的指令传输模块、利用Linux进行相应的数据处理的指令处理模块；所述的Rtems实时部分是指处理实时性要求高的模块，包括获取机器人工具在笛卡尔空间运动的位置以及姿态信息的数据采样模块、利用实时线程对关节坐标进行精插补的关节精插补模块、将插补数据通过EtherCAT总线输出至各个伺服、I/O类从站设备的EtherCAT主站通信模块。
[0014]所述的EtherCAT主站通信模块包括使用以太网控制器来调度整个系统的运行的主站、由控制器ESC来实现并实现主站与从站的通信和各个从站之间的信息传递的从站。
[0015]所述的主站应用层程序通过调用IgH的API，实现从站节点的配置、邮箱数据和过程数据的收发任务。
[0016]所述的关节精插补模块主要在EtherCAT框架中的DSP运算部件中实现；将空间中的三点形成的平面转化为二维平面问题，在平面上利用贝塞尔曲线原理进行插补优化，最后将平面上的插补点坐标转化为空间三维点坐标，结合粗插补，在其基础上进行“二次”插补，给定点x0,x1,x2,...,x
n
,贝塞尔曲线可由以下推导得到：
[0017][0018]所述的从站的伺服驱动器之间都是通过EtherCAT通信总线相连，从站微处理器从ESC读取控制数据，接收到主站发送的数据后，完成设定的工作任务，实现设备控制功能。
[0019]在通过测量、计算和分析传输延时的过程中，如果参考时钟为从站的数据在内部没有中断，网络传输时从站的物理网络口的接口类型都相同，即在网线的传输延时是均匀的，而且所有从站的处理延时、转发延时、处理延时与转发延时的差都相同；
[0020]在上述假设条件下，通过推导归纳得，第i个从站x到参考从站R的传输延时为：
[0021][0022]式中：t
d
处理延时与转发延时的差。
[0023]本专利技术的有益效果是：通过合理地设计模拟机器人控制器的微处理器单元，实现机器人控制器模拟器的开发和使用，从而减少不必要的成本支出，以及解除开发人员的开发障碍；与此同时通过合理地设计和开发EtherCAT主从站软件框架，对其进行优化，从而减少因外部环境因素的影响而出现数据波动、丢失类问题；与现有依赖机器人控制器硬件的方法相比，本专利技术在降低硬件成本的同时能获得更好的通信效果，具有实际应用和推广价值，同时提高了企业的竞争力以及为机器人行业指明了航向标。
附图说明
[0024]下面结合附图和实施例对本专利技术进一步说明。
[0025]图1为本专利技术的结构框图；
[0026]图2为本专利技术的流程结构示意图。
具体实施方式
[0027]为了使本专利技术实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面对本专利技术进一步阐述。
[0028]如图1和图2所示，一种基于EtherCAT通信协议的实时性优化模拟机器人系统，包括：
[0029]前端，通过屏幕界面将实体机器人的动作实现通过界面展示出来；
[0030]后端，按任务处理的及时性分为Linux非实时部分和Rtems实时部分，用于实现对控制系统通信平台设计。
[0031]Rtems实时部分即为实时多处理器系统。
[0032]EtherCAT为以太网控制自动化技术。
[0033]DSP为数字信号处理技术。
[0034]API为应用程序编程接口。
[0035]ESC为控制器。
[0036]IgH为主站框架，具体为igh ethercat master协议栈。
[0037]利用纯软件技术将实体机器人控制器硬件模拟出来，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于EtherCAT通信协议的实时性优化模拟机器人系统，其特征在于：包括：前端，通过屏幕界面将实体机器人的动作实现通过界面展示出来；后端，按任务处理的及时性分为Linux非实时部分和Rtems实时部分，用于实现对控制系统通信平台设计。2.根据权利要求1所述的一种基于EtherCAT通信协议的实时性优化模拟机器人系统，其特征在于：所述的所述的前端包括通过交互界面实现对实体机器人的3d渲染的人机交互模块、记录相应的采样数据并对数据进行筛选处理的采样数据预处理模块、控制实体机器人与前端3d机器人部分位置姿态同时发生变化的位姿同步模块、对机器人进行路径算法的开发和调用的路径规划算法、对获取的数据信息利用插补原理对其进行粗插补的粗插补模块。3.根据权利要求2所述的一种基于EtherCAT通信协议的实时性优化模拟机器人系统，其特征在于：所述的人机交互模块通过合理设计交互的界面，其软件的界面包含机器人本身的参数、控制机器人的各个关节运动的按钮、工件的位置坐标类部分。4.根据权利要求2所述的一种基于EtherCAT通信协议的实时性优化模拟机器人系统，其特征在于：所述的采样数据预处理模块指人工进行手把手示教码垛类应用功能时，虚拟控制系统对机器人6轴关节和2轴变位轴伺服电机的绝对位置编码器数值以及应用系统I/O参数进行定时采样，记录相应数据并进行筛选来获取有用信息。5.根据权利要求1所述的一种基于EtherCAT通信协议的实时性优化模拟机器人系统，其特征在于：所述的Linux非实时部分是指对实时性要求不高的模块，包括利用Linux完善的性能处理数据传输类相应应用逻辑的指令传输模块、利用Linux进行相应的数据处理的指令处理模块；所述的Rtems实时部分是指处理实时性要求高的模块，包括获取机器人工具在笛卡尔空间运动的位置以及姿态信息的数据采样模块、利用实时线程对关节坐标进行精插补的关节精插补模块、将插补数据通过EtherCAT总线输出至各个伺服...

【专利技术属性】
技术研发人员：李浩来，唐栋，汪彦，方海涛，顾立雯，张浩，
申请(专利权)人：埃夫特智能装备股份有限公司，
类型：发明
国别省市：