工業(yè)機器人運動控制器的架構制造技術

本發(fā)明專利技術公開了一種工業(yè)機器人運動控制器的架構，包括：ARM處理器，其作為主處理器，用于事件管理；FPGA處理器，其與ARM處理器連接，作為協(xié)處理器，用于負責各個關節(jié)電機伺服控制、輸出數(shù)字量控制、輸出位置脈沖、接收編碼器信號及擴展IO信號的處理。本發(fā)明專利技術將ARM核心板為上位主處理器電路板，通過SPI高速串行接口總線與作為下位協(xié)處理器的FPGA進行數(shù)據(jù)交換。FPGA負責各個關節(jié)電機伺服控制、輸出數(shù)字量控制、輸出位置脈沖、接收編碼器信號及擴展IO信號的處理。實現(xiàn)了獨立于PC或IPC運行的功能，利用嵌入式硬件技術，減小了運動控制系統(tǒng)的結構規(guī)模，提高工業(yè)機器人在工業(yè)生產(chǎn)中的集成度，滿足了精度要求，同時降低了成本。

【技術實現(xiàn)步驟摘要】
工業(yè)機器人運動控制器的架構
本專利技術屬于工業(yè)機器人
，涉及一種工業(yè)機器人運動控制器的架構。
技術介紹
隨著我國經(jīng)濟的快速增長，特別是食品生產(chǎn)與加工工業(yè)、汽車及汽車零部件制造行業(yè)、電子元器件制造行業(yè)等領域的發(fā)展，推動并引領我國制造業(yè)從傳統(tǒng)的勞動密集型向以自動化、信息化等為特征的現(xiàn)代技術密集型轉變。工業(yè)機器人作為典型的機電一體化產(chǎn)品，在加工、焊接、搬運、噴涂、裝配等工業(yè)生產(chǎn)中替代或協(xié)助人進行工作，提高了勞動生產(chǎn)率及生產(chǎn)質(zhì)量，降低了生產(chǎn)成本，保障了人身安全。因此，工業(yè)機器人在現(xiàn)代制造業(yè)中得到了廣泛應用。工業(yè)機器人運動控制系統(tǒng)是由運動控制器、執(zhí)行器、傳感器、傳動部件構成。其中，運動控制器是機器人進行運動的最頂層規(guī)劃裝置，它將機器人要完成的動作轉換成相應的控制器指令，并采集信號經(jīng)過運算為電機等機器人動力裝置提供控制信號，使機器人正確動作，所以它是工業(yè)機器人的大腦。工業(yè)機器人運動控制器研究現(xiàn)狀：(1)“PC/工控機(IPC)+運動控制卡”(PC模式)：這種模式控制系統(tǒng)被稱為基于個人計算機的運動控制系統(tǒng)，此種模式把與計算機相獨立的、具備開放式軟硬件結構的運動控制卡，通過PCI等標準的計算機總線連接至計算機軟硬件系統(tǒng)，在計算機主機內(nèi)插入運動控制卡，與上位機控制軟件一起構成數(shù)控系統(tǒng)，數(shù)控系統(tǒng)通過專用接口對驅(qū)動器和電機進行運動控制。通過在PC及操作系統(tǒng)下調(diào)用相關函數(shù)，可實現(xiàn)插補、伺服控制等基本運動控制功能。運動控制芯片(ASIC)或?qū)Ｓ锰幚砥?ASIP),一些芯片還是專門為數(shù)控機床設計的，如MCX314，具有各種基本插補功能，急停、硬限位等I/O控制功能，可實現(xiàn)對數(shù)字伺服電機和步進電機的控制。同時，還存在基于PCI、ISA等PC總線的以DSPs或FPGA或其他處理器如ARM等作為核心處理器的運動控制卡。PC模式運動控制系統(tǒng)體系雖然具備出色的開放性，但由于PC機的體積過大，基于PC機的運動控制系統(tǒng)不能集成到對體積嚴格要求的微小型工業(yè)系統(tǒng)內(nèi)。另外，基于PC的運動控制系統(tǒng)雖然具備人機交互等豐富的功能，但對一些功能要求簡單的工業(yè)系統(tǒng)就顯得資源過剩，而過多的功能與接口又增加了系統(tǒng)的成本。同時，該類控制器主要基于微軟Windows通用操作系統(tǒng)，而Windows不是面向工業(yè)控制而設計的系統(tǒng)，無法滿足運動控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性、實時性控制要求；同時Windows操作系統(tǒng)是代碼不開源的商品化操作系統(tǒng)，因此無法對其進行實時性改造。(2)“嵌入式處理器/IPC+實時操作系統(tǒng)”(非PC模式)：非PC模式的運動控制系統(tǒng)最主要的特點為運動控制器可獨立于PC或IPC運行。工業(yè)環(huán)境存在很多限制，如空間體積等，而且存在各種電磁干擾。通過嵌入式技術，將運動控制器小型化并增強其抗干擾能力，應用于工業(yè)生產(chǎn)中，既解決了穩(wěn)定性問題，又降低了控制系統(tǒng)的成本?！癙C模式”與“非PC模式”兩種總體架構。“PC模式”運動控制器的優(yōu)點在于基于PC機使得控制系統(tǒng)具有良好的開放性，同時可以利用PC機豐富的資源。缺點在于由于PC機的存在，使得控制系統(tǒng)體積過大，不利于集成；同時PC機資源過剩，無法得到有效利用，無形中增加了系統(tǒng)的成本；普通PC機抗干擾能力低，使得整個運動控制系統(tǒng)穩(wěn)定性較低，使得整個運動控制系統(tǒng)穩(wěn)定性較低；PC機上處理過多的任務，影響運動控制系統(tǒng)的實時性?！胺荘C模式”運動控制器的優(yōu)點在于利用嵌入式軟硬件技術，減小了運動控制系統(tǒng)的結構規(guī)模，提高工業(yè)機器人在工業(yè)生產(chǎn)中的集成度，滿足了精度要求，提高了可靠性和實時性，同時降低了成本。
技術實現(xiàn)思路
本專利技術的一個目的是解決至少上述問題和/或缺陷，并提供至少后面將說明的優(yōu)點。本專利技術還有一個目的是提供一種工業(yè)機器人運動控制器的架構。為此，本專利技術提供的技術方案為：一種工業(yè)機器人運動控制器的架構，包括：ARM處理器，其作為主處理器，用于事件管理；和，F(xiàn)PGA處理器，其與所述ARM處理器連接，作為協(xié)處理器，用于負責各個關節(jié)電機伺服控制、輸出數(shù)字量控制、輸出位置脈沖、接收編碼器信號及擴展IO信號的處理。優(yōu)選的是，所述的工業(yè)機器人運動控制器的架構中，所述ARM處理器與所述FPGA處理器通過總線進行數(shù)據(jù)交互。優(yōu)選的是，所述的工業(yè)機器人運動控制器的架構中，所述ARM處理器上設置有SPI接口。優(yōu)選的是，所述的工業(yè)機器人運動控制器的架構中，所述ARM處理器為嵌入式。優(yōu)選的是，所述的工業(yè)機器人運動控制器的架構中，所述ARM處理器包括集成于嵌入式運動控制器電路板上的ARM核心板，所述ARM核心板通過排針將各個功能端口引出，并和FPGA最小系統(tǒng)接口板連接。優(yōu)選的是，所述的工業(yè)機器人運動控制器的架構中，所述FPGA最小系統(tǒng)接口板采用的為XilinxSpartanⅢ系列的FPGA芯片XC3S400。優(yōu)選的是，所述的工業(yè)機器人運動控制器的架構，還包括：利用長線傳輸驅(qū)動芯片AM26LS31將單端TTL信號轉換為雙端差分信號傳輸，以減小位置脈沖信號在傳輸過程中受到的電磁干擾。本專利技術至少包括以下有益效果：1.運動控制器采用嵌入式微處理器ARM作為主處理器，更擅長事件管理，并且可以快速實現(xiàn)不同模式的切換，這對于操作系統(tǒng)來說是非常有益的。2.運動控制器采用FPGA作為協(xié)處理器，解決了專用控制芯片功能單一、靈活性差的不足，具備方便靈活的動態(tài)可重構性。同時，F(xiàn)PGA擁有強大的并行計算和執(zhí)行能力，系統(tǒng)的實時性得到很大提升，而且具備較高的可靠性。3.實現(xiàn)了獨立于PC或IPC運行的功能，利用嵌入式硬件技術，減小了運動控制系統(tǒng)的結構規(guī)模，提高工業(yè)機器人在工業(yè)生產(chǎn)中的集成度，滿足了精度要求，同時降低了成本。本專利技術的其它優(yōu)點、目標和特征將部分通過下面的說明體現(xiàn)，部分還將通過對本專利技術的研究和實踐而為本領域的技術人員所理解。附圖說明圖1為本專利技術所述的工業(yè)機器人運動控制器的硬件系統(tǒng)結構框圖；圖2為本專利技術其中一個實施例中ARM核心板的照片；圖3為本專利技術其中一個實施例中FPGA最小系統(tǒng)接口板的照片；圖4為本專利技術其中一個實施例中的電源接口電路示意圖；圖5為本專利技術其中一個實施例中一路脈沖信號的轉換原理；圖6為本專利技術其中一個實施例中IO接口電路圖；圖7為本專利技術其中一個實施例中模擬量輸出接口電路圖；圖8為本專利技術其中一個實施例中驅(qū)動器接口電路圖。具體實施方式下面結合附圖對本專利技術做進一步的詳細說明，以令本領域技術人員參照說明書文字能夠據(jù)以實施。應當理解，本文所使用的諸如“具有”、“包含”以及“包括”術語并不配出一個或多個其它元件或其組合的存在或添加。本專利技術主要架構方案：“ARM主處理器+FPGA協(xié)處理器”。硬件系統(tǒng)的整體結構體系為：ARM核心板為上位主處理器電路板，通過SPI高速串行接口總線與下位協(xié)處理器FPGA進行數(shù)據(jù)交換。FPGA負責各個關節(jié)電機伺服控制、輸出數(shù)字量控制、輸出位置脈沖、接收編碼器信號及擴展IO信號的處理。實現(xiàn)了獨立于PC或IPC運行的功能，利用嵌入式硬件技術，減小了運動控制系統(tǒng)的結構規(guī)模，提高工業(yè)機器人在工業(yè)生產(chǎn)中的集成度，滿足了精度要求，同時降低了成本。本專利技術提供一種工業(yè)機器人運動控制器的架構，包括：ARM處理器，其作為主處理器，用于事件管理；和，F(xiàn)PGA處理器，其與所述ARM處理器連接，作為協(xié)處理器，用于負責各個關節(jié)電機伺服控制、輸出數(shù)字量控制、輸出位置脈沖、接收編碼器信號本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術保護點】
一種工業(yè)機器人運動控制器的架構，其特征在于，包括：ARM處理器，其作為主處理器，用于事件管理；和，F(xiàn)PGA處理器，其與所述ARM處理器連接，作為協(xié)處理器，用于負責各個關節(jié)電機伺服控制、輸出數(shù)字量控制、輸出位置脈沖、接收編碼器信號及擴展IO信號的處理。

【技術特征摘要】
1.一種工業(yè)機器人運動控制器的架構，其特征在于，包括：ARM處理器，其作為主處理器，用于事件管理；和，F(xiàn)PGA處理器，其與所述ARM處理器連接，作為協(xié)處理器，用于負責各個關節(jié)電機伺服控制、輸出數(shù)字量控制、輸出位置脈沖、接收編碼器信號及擴展IO信號的處理。2.如權利要求1所述的工業(yè)機器人運動控制器的架構，其特征在于，所述ARM處理器與所述FPGA處理器通過總線進行數(shù)據(jù)交互。3.如權利要求1所述的工業(yè)機器人運動控制器的架構，其特征在于，所述ARM處理器上設置有SPI接口。4.如權利要求1所述的工業(yè)機器人運動控制器的架構，其特征在于，所述ARM處理器為嵌入...

【專利技術屬性】
技術研發(fā)人員：王續(xù)南，姜金俊，滕朝華，周亞平，高維金，張立志，王博，
申請(專利權)人：北京航天益森風洞工程技術有限公司，
類型：發(fā)明
國別省市：北京,11