一種用于六自由度并聯(lián)機(jī)器人的專(zhuān)用運(yùn)動(dòng)控制器硬件平臺(tái)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及機(jī)器人學(xué)和多軸運(yùn)動(dòng)控制器技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種面向六自由度并聯(lián)機(jī)器人的專(zhuān)用運(yùn)動(dòng)控制器硬件平臺(tái)。
【背景技術(shù)】
[0002]六自由度并聯(lián)機(jī)器人被廣泛地應(yīng)用于運(yùn)動(dòng)模擬、高精度位姿調(diào)整和數(shù)控加工等系統(tǒng)中。六自由度并聯(lián)機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)通常采用6個(gè)具有滑動(dòng)自由度的伺服電動(dòng)缸實(shí)現(xiàn)。為了實(shí)現(xiàn)6個(gè)電動(dòng)缸的高精度控制并兼顧它們之間的運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)，從而實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的精密運(yùn)動(dòng)控制，研宄六自由度并聯(lián)機(jī)器人的專(zhuān)用運(yùn)動(dòng)控制器是非常必要的。
[0003]六自由度并聯(lián)機(jī)器人有6條驅(qū)動(dòng)分支，屬于多軸運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，各個(gè)軸的協(xié)調(diào)運(yùn)行至關(guān)重要，通常情況下各軸之間的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性會(huì)有一定的差異，尤其在高速輪廓控制(Contouring Control)時(shí)會(huì)造成顯著的誤差，必須設(shè)計(jì)一個(gè)運(yùn)動(dòng)控制器以整體考慮的觀點(diǎn)來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。因此，該六自由度并聯(lián)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)采用兩層結(jié)構(gòu):由高階的運(yùn)動(dòng)控制器與低階的伺服驅(qū)動(dòng)器所組成，運(yùn)動(dòng)控制器負(fù)責(zé)運(yùn)動(dòng)控制命令譯碼、各個(gè)位置控制軸彼此間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)、加減速輪廓控制等等，其主要功能在于降低整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)控制的路徑誤差；伺服驅(qū)動(dòng)器負(fù)責(zé)伺服電機(jī)的位置控制，主要功能在于降低伺服軸的隨動(dòng)誤差。上層運(yùn)動(dòng)控制器完成位置環(huán)和速度環(huán)控制，下層伺服驅(qū)動(dòng)器完成力矩環(huán)控制。這樣結(jié)合了分散控制和集中控制的優(yōu)點(diǎn)，既可以滿足各個(gè)軸的需要，又可以使多個(gè)軸整體協(xié)調(diào)運(yùn)行。
[0004]目前，在國(guó)內(nèi)外公開(kāi)的可用于并聯(lián)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制器有以下四類(lèi):
[0005](I)PMAC運(yùn)動(dòng)控制器。PMAC(programmable mult1-axes controller)是美國(guó)DeltaTau公司九十年代推出的開(kāi)放式多軸運(yùn)動(dòng)控制器，它提供運(yùn)動(dòng)控制、離散控制、內(nèi)務(wù)處理、同主機(jī)的交互等數(shù)控的基本功能。其內(nèi)部使用了一片Motorola數(shù)字信號(hào)處理芯片，伺服控制包括PID加Notch和速度、加速度前饋控制，其伺服周期單軸可達(dá)60微秒，二軸聯(lián)動(dòng)為110微秒。產(chǎn)品的種類(lèi)可從二軸聯(lián)動(dòng)到三十二軸聯(lián)動(dòng)。并且每軸可以分別配置成不同的伺服類(lèi)型和多種反饋類(lèi)型。
[0006](2)XMP-SynqNet-PCI運(yùn)動(dòng)控制器。該運(yùn)動(dòng)控制器為美國(guó)運(yùn)動(dòng)工程公司(MEI，Mot1n Engineering Inc)的產(chǎn)品，其內(nèi)部使用了一片Motorola數(shù)字信號(hào)處理芯片，伺服控制包括PID加Notch和速度、加速度前饋控制、PT (位置、時(shí)間)模式及PVT (位置、速度、時(shí)間)模式，其獨(dú)特的SynqNet總線可以最多控制32軸，伺服周期4軸可達(dá)50微秒、8軸可達(dá)100微秒。
[0007](3)固高GT系列多軸運(yùn)動(dòng)控制器。基于DSP和FPGA技術(shù)，固高公司開(kāi)發(fā)了多個(gè)系列的運(yùn)動(dòng)控制器，其中GT系列可用于多軸的伺服/步進(jìn)電機(jī)控制。該系列運(yùn)動(dòng)控制器適用ISA/PC104總線，最多可以實(shí)現(xiàn)8軸電機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制，伺服周期4軸為200微秒。控制算法為PID+速度前饋+加速度前饋。
[0008](4) NI運(yùn)動(dòng)控制器。最多可配置8軸的步進(jìn)/伺服電機(jī)，適用于各類(lèi)運(yùn)動(dòng)應(yīng)用，提供混合運(yùn)動(dòng)軌跡控制和完全協(xié)同的圓形、線性、點(diǎn)到點(diǎn)、齒輪和空間矢量控制。
[0009]上述4類(lèi)可以用于六自由度并聯(lián)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制器均存在以下兩個(gè)弊端:1)價(jià)格昂貴；2)開(kāi)放性弱，不能由用戶自行修改控制算法。
【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0010]針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，本實(shí)用新型旨在提供一種針對(duì)六自由度并聯(lián)機(jī)器人的高效、專(zhuān)用的多軸運(yùn)動(dòng)控制器，實(shí)現(xiàn)并聯(lián)機(jī)器人的高精度、高協(xié)調(diào)性的精密運(yùn)動(dòng)控制。
[0011]為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型采用如下技術(shù)方案:
[0012]一種用于六自由度并聯(lián)機(jī)器人的專(zhuān)用運(yùn)動(dòng)控制器硬件平臺(tái)，包括輸入輸出模塊，上位機(jī)通訊模塊、采樣模塊、CAN總線模塊、ARM微控制器與FPGA信息傳輸模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊、FPGA邏輯模塊、ARM微控制器模塊:
[0013]所述輸入輸出模塊用于實(shí)現(xiàn)對(duì)外部器件的開(kāi)關(guān)量控制；
[0014]所述上位機(jī)通訊模塊用于所述ARM微控制器與上位機(jī)進(jìn)行信息交互；
[0015]所述采樣模塊包括限位開(kāi)關(guān)采樣單元，所述限位開(kāi)關(guān)采樣單元用于獲取電動(dòng)缸上下限位開(kāi)關(guān)器件的開(kāi)關(guān)量信號(hào)；
[0016]所述CAN總線模塊作為ARM微控制器與伺服驅(qū)動(dòng)器連接的接口單元，通過(guò)信號(hào)線與伺服驅(qū)動(dòng)器連接，用于實(shí)現(xiàn)以所述ARM微控制器和六臺(tái)伺服驅(qū)動(dòng)器組成的CAN總線網(wǎng)絡(luò)的信息交互；
[0017]所述ARM微控制器與FPGA信息傳輸模塊包括數(shù)據(jù)交互單元，所述數(shù)據(jù)交互單元采用SPI通訊方式，實(shí)現(xiàn)ARM微控制器與FPGA之間的數(shù)據(jù)交互；
[0018]所述數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊用于保存控制系統(tǒng)的部分關(guān)鍵參數(shù)，采用I2C通信方式完成數(shù)據(jù)的交互；
[0019]所述FPGA邏輯模塊對(duì)所述采樣模塊獲得的數(shù)據(jù)，進(jìn)行處理后，通過(guò)所述ARM微控制器與FPGA信息傳輸模塊實(shí)現(xiàn)與所述ARM微控制器模塊的信息交互；
[0020]所述ARM微控制器模塊通過(guò)所述上位機(jī)通訊模塊與上位機(jī)連接，接收上位機(jī)的命令，并通過(guò)所述ARM微控制器與FPGA信息傳輸模塊、所述CAN總線模塊獲取信息，然后通過(guò)所述CAN總線模塊對(duì)伺服驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行控制。
[0021]作為一種優(yōu)選方案，所述上位機(jī)通訊模塊采用RS422異步串行通訊方式，實(shí)現(xiàn)所述ARM微控制器與上位機(jī)的數(shù)據(jù)信息交互。
[0022]作為一種優(yōu)選方案，所述采樣模塊還包括磁致伸縮長(zhǎng)度傳感器采樣單元，其采用同步串行接口 SSI進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，用于獲取當(dāng)前6根電動(dòng)缸的伸縮量。
[0023]作為一種優(yōu)選方案，CAN總線模塊中，所述ARM微控制器為CAN總線網(wǎng)絡(luò)中的主站，6臺(tái)驅(qū)動(dòng)器作為CAN總線網(wǎng)絡(luò)中獨(dú)立的6個(gè)從站。
[0024]作為一種優(yōu)選方案，所述CAN總線模塊是以CANopen協(xié)議作為高級(jí)應(yīng)用層協(xié)議，實(shí)現(xiàn)整個(gè)總線網(wǎng)絡(luò)信息交互，包括如下功能:
[0025]I)所述主站，可分別控制所述從站包括速度、加速度、運(yùn)動(dòng)量在內(nèi)的基本運(yùn)動(dòng)參數(shù)；根據(jù)需要可以對(duì)所述從站發(fā)送同步信號(hào)，以實(shí)現(xiàn)同步運(yùn)動(dòng)；
[0026]2)所述主站，可對(duì)所述從站的基本CANopen參數(shù)進(jìn)行設(shè)定；
[0027]3)所述主站，可以控制所述從站進(jìn)入各種不同的狀態(tài)；
[0028]4)所述從站，分別發(fā)送伺服電機(jī)絕對(duì)編碼器值給所述主站，供主站中各種功能模塊及相關(guān)算法使用；
[0029]5)所述從站，分別發(fā)送各臺(tái)驅(qū)動(dòng)器及電機(jī)的狀態(tài)給所述主站，發(fā)送的狀態(tài)包括電機(jī)的電流、力矩、速度、驅(qū)動(dòng)器狀態(tài)、驅(qū)動(dòng)器錯(cuò)誤描述、總線狀態(tài)等。
[0030]作為一種優(yōu)選方案，所述ARM微控制器與FPGA信息傳輸模塊還包括中斷信號(hào)單元，用于FPGA對(duì)ARM微控制器的中斷請(qǐng)求。
[0031]作為一種優(yōu)選方案，所述FPGA邏輯模塊為FPGA最小系統(tǒng)。
[0032]作為一種優(yōu)選方案，所述采樣模塊全部功能、所述ARM微控制器與FPGA信息傳輸模塊部分功能包括中斷、SPI通訊是由FPGA來(lái)完成。
[0033]作為一種優(yōu)選方案，所述ARM微控制器模塊為ARM最小系統(tǒng)。
[0034]進(jìn)一步地，作為一種優(yōu)選方案，所述上位機(jī)通訊模塊、所述CAN總線模塊全部功能、所述ARM微控制器與FPGA信息傳輸模塊部分功能包括中斷、SPI通訊，由ARM微控制器來(lái)完成。
[0035]