CN111026037B - 基于windows平台工业机器人运动控制器及控制方法 - Google Patents

基于windows平台工业机器人运动控制器及控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于WINDOWS平台工业机器人运动控制器及控制方法。本发明WINDOWS***和实时***RTE两者结合极大地提高了运动控制器的控制精度。该运动控制器包括PC板卡、EhterCAT总线以及运行在PC板卡上的WINDOWS***，实时***RTE；WINDOWS***和实时***RTE之间相互通讯，WINDOWS***通过EhterCAT总线与被控工业机器人的伺服控制***连接。

Description

基于WINDOWS平台工业机器人运动控制器及控制方法
技术领域
本发明涉及一种运动控制器，具体涉及一种基于WINDOWS平台工业机器人运动控制器及控制方法。
背景技术
运动控制器接收终端的控制方案，规划指令，对这些指令信息进行解码和运算还原成执行机构在空间下的位置信息，同时响应控制方案，完成运动轨迹规划和位置控制，速度控制，加速度控制等，并将这些信息通过伺服驱动器下发至电机，从而完成对工业机器人的运动控制。
传统的运动控制器是采用单片机、微机处理器或者专用芯片作为核心处理器，虽然具有结构简单，成本不高的优点，但是无法保证运动控制器的高性能。
具体地说：单片机或微机处理器作为核心的运动控制器由于内存原因存在运动控制器控制速度较慢，控制精度较低等缺点，只适合对性能要求不高的控制场合。
以专用芯片作为核心处理器的运动控制器由于交互信息的形式是脉冲信号，处于开环控制状态，且不能提供连续插补功能，因此无法满足多轴联动和高速插补，也无法保证运动控制器的具有高控制精度的要求。
发明内容
为了解决现有单片机或微机处理器为核心的工业机器人运动控制器所带来的控制速度较慢，控制精度较低的问题，以及专用芯片为核心的工业机器人运动控制器存在的不能提供连续插补功能而导致的控制精度低的问题，本发明提供了一种基于WINDOWS平台工业机器人运动控制器及控制方法。
本发明的具体技术方案是：
本发明提供了一种基于WINDOWS平台工业机器人的运动控制器，包括PC板卡、EhterCAT总线以及运行在PC板卡上的WINDOWS***，实时***RTE；WINDOWS***和实时***RTE之间相互通讯，WINDOWS***通过EhterCAT总线与被控工业机器人的伺服控制***连接。
基于上述运动控制器对工业机器人进行控制的方法，具体步骤如下：
步骤1：WINDOWS***内核层通过EhterCAT总线接收上一周期被控工业机器人的伺服控制***发送的脉冲数据，并将脉冲数据发送至WINDOWS***应用层；所述脉冲数据为实际脉冲数；
步骤2：WINDOWS***应用层将所述脉冲数据进行处理得到被控工业机器人所有关节轴的上一周期角度数据；所述角度数据为实际角度；
步骤3：WINDOWS***应用层完成第一输入参数结构体的制定，并将所述第一输入参数结构体作为实时***RTE的输入发送至实时***RTE开始进行运动学正解运算；
所述第一输入参数结构体由实际角度、被控工业机器人DH模型参数，用户坐标系标定参数和工具坐标系标定参数封装组成；
步骤4：实时***RTE通过运动学正解运算并将运算结果封装成第一输出参数结构体作为RTE***的输出发送至WINDOWS***应用层；
所述运动学正解运算过程为：通过工业机器人DH模型参数确定各连杆的相对坐标系，建立各连杆的变换矩阵，由已知的各关节角度参数与变换矩阵相乘即可求得被控工业机器人末端的实际位姿；
所述第一输出参数结构体由运动学正解运算完成状态、错误状态、运行状态和被控工业机器人末端的实际位姿封装组成；
步骤5：WINDOWS***应用层接收到运动学正解得到的被控工业机器人末端的实际位姿，完成第二输入参数结构体的制定，并将第二输入参数结构体作为输入再次发送至实时***RTE开始进行轨迹规划；
当轨迹规划为直线轨迹时，第二输入参数结构体由循环周期、实际位姿、示教的直线终点位姿、动态参数、动态参数百分比、被控工业机器人DH模型参数、被控工业机器人关节轴限位参数封装组成；所述实际位姿为直线轨迹的起点位姿；
当轨迹规划为圆弧轨迹时，第二输入参数结构体由循环周期，实际位姿、示教的圆弧中间点位姿、示教的圆弧终点位姿、动态参数，动态参数百分比，工业机器人DH模型参数，工业机器人关节轴限位参数封装组成；所述实际位姿为圆弧轨迹的起点位姿；所述动态参数为速度，加速度，减速度，加加速度；
步骤6：实时***RTE通过轨迹规划得到的结果作为第二输出参数结构体发送至WINDOWS***应用层；
第二输出参数结构体由轨迹规划完成状态，错误状态，运行状态和当前周期目标角度封装组成；
步骤7：WINDOWS***应用层接收到当前周期目标角度，计算出最终目标角度，具体计算公式如下：
最终目标角度＝(当前周期目标角度-上一周期实际角度)+上一周期实际角度+电机零点/比例因子；
其中，比例因子＝齿轮比×编码器分辨率×电机方向/360
步骤8：WINDOWS***的应用层将被控工业机器人目标角度转换为最终目标脉冲，并以EtherCAT总线的传输方式将最终目标脉冲通过被控工业机器人的伺服控制***发送至电机，从而实现工业机器人的控制。
进一步地，为了进一步的提升对运动控制精度要求，上述脉冲数据还包括跟踪误差；所述步骤7中最终目标角度的具体计算公式如下：
最终目标角度＝(当前周期目标角度-上一周期实际角度)+上一周期实际角度+跟踪误差+电机零点/比例因子。
本发明相比于现有技术的有益效果在于：
本发明提出了一种全新控制***架构的运动控制器。这款运动控制器是基于WINDOWS平台工业机器人的总线式设备，同时利用实时***RTE提高了控制***的实时性，极大地提高了运动控制器的控制精度。
该运动控制器将PC板卡的信息处理能力和开放式的特点与运动控制器的运动轨迹控制能力有机结合在一起，具有信息处理能力强、开放程度高、运动轨迹控制准确、通用性好的特点。这种运动控制器支持多轴协调运动控制和复杂的运动轨迹规划、实时地插补运算、误差补偿、伺服滤波算法且能够实现闭环控制。
附图说明
图1为运动控制器的架构图；
图2为运动控制方法的流程图；
图3为运动控制平台的架构图；
附图标记如下：
1-运动控制器，2-TCP/IP总线，3-EtherCAT总线，4-上位机，5-示教器，6-伺服驱动***，7-电机，8-IO设备，9-外部设备。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细的说明。
如图1所示一种基于WINDOWS平台工业机器人的运动控制器，包括PC板卡、EhterCAT总线以及运行在PC板卡上的WINDOWS***，实时***RTE；WINDOWS***和实时***RTE之间相互通讯，WINDOWS***通过EhterCAT总线与被控工业机器人的伺服控制***连接。
其中，PC板卡作为运动控制器的硬件部分，接收外部信号，完成信号的解析和处理；
WINDOWS***运行于PC板卡，作为控制***运行的平台，完成数据的交互；
实时***RTE(Real Time Environment)运行于PC板卡的操作***，作为Windows***硬实时运行时***，在开发架构中位于设备层，保证数据交互时的实时性；
EtherCAT总线作为交互数据的载体，规定了数据传输的格式，用来传输数据、数据地址和控制信号。
本发明的核心在于基于WINDOWS***和RTE***实现工业机器人的控制，具体控制过程为：电机通过编码器读取到被控工业机器人的实际脉冲，将实际脉冲数发送至伺服驱动***，伺服驱动***将实际脉冲和跟踪误差(对一些精度要求不太高的场合可不考虑跟踪误差)发送至PC板卡，PC板卡的循环任务通过周期扫描读取到实际脉冲和跟踪误差，通过解算得到被控工业机器人的实际位姿跟踪误差。经过EtherCAT协议的封装，得到EtherCAT数据帧结构的实际位姿和跟踪误差并发送至PC板卡的控制***，控制***经过处理得到了包含实际位姿数据，跟踪误差，动态参数等信息的结构体并发送至运算模块，经过运动学正解运算和轨迹规划得到轨迹点列形式的目标角度，通过PC板卡计算出最终目标角度，通过PC板卡的循环任务和EtherCAT协议的封装，以EtherCAT总线的通讯方式将最终目标脉冲通过伺服驱动***反馈至电机，实现闭环控制。
数据在传输过程中，WINDOWS***应用层负责接收和转换来自EtherCAT伺服驱动***发送的实际脉冲和跟踪误差，得到机器人坐标系下的实际位姿，通过WINDOWS***内核层和应用层对数据的处理得到了结构体形式的参数信息。参数结构体是WINDOWS***和实时***RTE的接口；WINDOWS***将包含实际位姿信息的输入参数结构体作为实时***RTE的输入接口发送至实时***RTE，在实时***RTE完成对实时性高要求的运动学正解运算和轨迹规划后生成了包含目标角度的输出参数结构体，输出参数结构体作为实时***RTE的输出接口发送至WINDOWS***，WINDOWS***的应用层完成最终计算和数据转换并以EtherCAT总线的传输方式将最终目标脉冲通过伺服驱动***发送至电机。
如图2所示，基于上述运动控制器对工业机器人进行控制的具体方法，包括步骤如下：
步骤1：WINDOWS***内核层通过EhterCAT总线接收上一周期被控工业机器人的伺服控制***发送的脉冲数据，并将脉冲数据发送至WINDOWS***应用层；所述脉冲数据为实际脉冲数和跟踪误差；
步骤2：WINDOWS***应用层将所述脉冲数据进行处理得到被控工业机器人所有关节轴的上一周期角度数据；所述角度数据为实际角度和跟踪误差；
步骤3：WINDOWS***应用层完成第一输入参数结构体的制定，并将所述第一输入参数结构体作为实时***RTE的输入发送至实时***RTE开始进行运动学正解运算；
所述第一输入参数结构体由实际角度、被控工业机器人DH模型参数，用户坐标系标定参数和工具坐标系标定参数封装组成；
步骤4：实时***RTE通过运动学正解运算并将运算结果封装成第一输出参数结构体作为RTE***的输出发送至WINDOWS***应用层；
所述运动学正解运算过程为：通过工业机器人DH模型参数确定各连杆的相对坐标系，建立各连杆的变换矩阵，由已知的各关节角度参数与变换矩阵相乘即可求得被控工业机器人末端的实际位姿；
所述第一输出参数结构体由运动学正解运算完成状态、错误状态、运行状态和被控工业机器人末端的实际位姿封装组成；
步骤5：WINDOWS***应用层接收到运动学正解得到的被控工业机器人末端的实际位姿，完成第二输入参数结构体的制定，并将第二输入参数结构体作为输入再次发送至实时***RTE开始进行轨迹规划；
轨迹规划即按照终端的任务指令为工业机器人关节或末端规划出预期的运动路径，速度和加速度；
以圆弧轨迹的规划为例，轨迹规划分为四个步骤，第一步，依据平面定理及矩阵运算得到圆弧轨迹的圆心坐标，半径等物理参数；第二步，依据圆弧物理参数计算圆弧轨迹的路径总长，运行时间，速度，加速度等运动参数；第三步，依据特定算法进行实时插补运算得到路径中间点的坐标；第四步，依据运动学逆解运算得到目标角度。
当轨迹规划为直线轨迹时，第二输入参数结构体由循环周期、实际位姿、示教的直线终点位姿、动态参数、动态参数百分比、被控工业机器人DH模型参数、被控工业机器人关节轴限位参数封装组成；所述实际位姿为直线轨迹的起点位姿；
当轨迹规划为圆弧轨迹时，第二输入参数结构体由循环周期，实际位姿、示教的圆弧中间点位姿、示教的圆弧终点位姿、动态参数，动态参数百分比，工业机器人DH模型参数，工业机器人关节轴限位参数封装组成；所述实际位姿为圆弧轨迹的起点位姿；所述动态参数为速度，加速度，减速度，加加速度；
步骤6：实时***RTE通过轨迹规划得到的结果作为第二输出参数结构体发送至WINDOWS***应用层；
第二输出参数结构体由轨迹规划完成状态，错误状态，运行状态和当前周期目标角度封装组成；
步骤7：WINDOWS***应用层接收到当前周期目标角度，计算出最终目标角度，具体计算公式如下：
最终目标角度＝(当前周期目标角度-上一周期实际角度)+上一周期实际角度+跟踪误差+电机零点/比例因子；
其中，比例因子＝齿轮比×编码器分辨率×电机方向/360；此处的齿轮比为被控工业机器人上电机的齿轮比。
步骤8：WINDOWS***的应用层将被控工业机器人目标角度转换为最终目标脉冲，并以EtherCAT总线的传输方式将最终目标脉冲通过被控工业机器人的伺服控制***发送至电机，从而实现工业机器人的控制。
如图3所示，基于本发明的运动控制器，现对采用该运动控制器为核心的控制平台进行介绍，运动控制器1通过TCP/IP总线2和EtherCAT总线3完成数据交互，通过RS232、USB等预留接口连接键盘、鼠标等外部设备9。其中，TCP/IP协议网络上可挂接示教器5，上位机4等设备，EtherCAT协议网络挂接伺服驱动***6，IO设备8等EtherCAT从站设备，伺服驱动***6下级可挂接电机7，IO设备8下级可挂接焊枪等工具。
结合图2和图3，该运动控制平台的基本控制方法原理是：
该运动控制器的控制软件核心是基于优先级的多任务调度机制。控制任务有两种类型，一种是通过人机交互界面的控件和外部按键下发***登录、参数编辑、坐标系设定、示教程序等功能的事件任务，一种是扫描伺服驱动***反馈的工业机器人空间位姿等信息的循环任务。控制***周期扫描循环任务，同时需要处理外部事件触发的任务，选择通用且兼容性强大的WINDOWS***可以保证多种任务的同时运行，从而保证控制***的稳定运行，而RTE实时***的应用则可在WINDOWS***基础上提升整个控制***的精度，实现对轨迹点列更为精准的规划和插补，从而提升整个工业机器人整机的精度。
运动控制器终端操纵者通过示教器完成指令编辑和下发，指令通过TCP/IP协议网络传输至运动控制器，运动控制器接收到指令，首先完成指令的解析工作，将指令解析为包含运动，位置或变量等信息的字符串，包含运动，位置信息的字符串结合周期扫描的当前点位信息通过规划算法和运动学的正逆解运算输出执行机构运动空间中的坐标信息，完成轨迹点列的规划和插补运算。这些信息通过EtherCAT协议网络下发至伺服***，从而实现对电机位置的间接控制，完成工业机器人的整机控制。

Claims (2)

1.一种基于WINDOWS平台工业机器人运动控制方法，其特征在于，采用的运动控制器包括PC板卡、EhterCAT总线以及运行在PC板卡上的WINDOWS***，实时***RTE；WINDOWS***和实时***RTE之间相互通讯，WINDOWS***通过EhterCAT总线与被控工业机器人的伺服控制***连接；
采用该运动控制器进行控制的具体步骤如下：
步骤1：WINDOWS***内核层通过EhterCAT总线接收上一周期被控工业机器人的伺服控制***发送的脉冲数据，并将脉冲数据发送至WINDOWS***应用层；所述脉冲数据为实际脉冲数；
步骤2：WINDOWS***应用层将所述脉冲数据进行处理得到被控工业机器人所有关节轴的上一周期角度数据；所述角度数据为实际角度；
步骤3：WINDOWS***应用层完成第一输入参数结构体的制定，并将所述第一输入参数结构体作为实时***RTE的输入发送至实时***RTE开始进行运动学正解运算；
所述第一输入参数结构体由实际角度、被控工业机器人DH模型参数，用户坐标系标定参数和工具坐标系标定参数封装组成；
步骤4：实时***RTE通过运动学正解运算并将运算结果封装成第一输出参数结构体作为RTE***的输出发送至WINDOWS***应用层；
所述运动学正解运算过程为：通过工业机器人DH模型参数确定各连杆的相对坐标系，建立各连杆的变换矩阵，由已知的各关节角度参数与变换矩阵相乘即可求得被控工业机器人末端的实际位姿；
所述第一输出参数结构体由运动学正解运算完成状态、错误状态、运行状态和被控工业机器人末端的实际位姿封装组成；
步骤5：WINDOWS***应用层接收到运动学正解得到的被控工业机器人末端的实际位姿，完成第二输入参数结构体的制定，并将第二输入参数结构体作为输入再次发送至实时***RTE开始进行轨迹规划；
当轨迹规划为直线轨迹时，第二输入参数结构体由循环周期、实际位姿、示教的直线终点位姿、动态参数、动态参数百分比、被控工业机器人DH模型参数、被控工业机器人关节轴限位参数封装组成；所述实际位姿为直线轨迹的起点位姿；
当轨迹规划为圆弧轨迹时，第二输入参数结构体由循环周期，实际位姿、示教的圆弧中间点位姿、示教的圆弧终点位姿、动态参数，动态参数百分比，工业机器人DH模型参数，工业机器人关节轴限位参数封装组成；所述实际位姿为圆弧轨迹的起点位姿；所述动态参数为速度，加速度，减速度，加加速度；
步骤6：实时***RTE通过轨迹规划得到的结果作为第二输出参数结构体发送至WINDOWS***应用层；
第二输出参数结构体由轨迹规划完成状态，错误状态，运行状态和当前周期目标角度封装组成；
步骤7：WINDOWS***应用层接收到当前周期目标角度，计算出最终目标角度，具体计算公式如下：
最终目标角度＝(当前周期目标角度-上一周期实际角度)+上一周期实际角度+电机零点/比例因子；
其中，比例因子＝齿轮比×编码器分辨率×电机方向/360
步骤8：WINDOWS***的应用层将被控工业机器人目标角度转换为最终目标脉冲，并以EtherCAT总线的传输方式将最终目标脉冲通过被控工业机器人的伺服控制***发送至电机，从而实现工业机器人的控制。
2.根据权利要求1所述的基于WINDOWS平台工业机器人运动控制方法，其特征在于：所述脉冲数据还包括跟踪误差；所述步骤7中最终目标角度的具体计算公式如下：
最终目标角度＝(当前周期目标角度-上一周期实际角度)+上一周期实际角度+跟踪误差+电机零点/比例因子。
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