CN204883256U - 一种机器人高实时控制***架构 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种机器人高实时控制***架构，由中央控制层、实时控制层、FPGA控制层和设备层四部分组成；其中央控制层通过有线或无线网络的形式与实时控制层进行通信；实时控制层采用的EtherCAT总线为***的实时性能和拓扑的灵活性树立了新的标准，它不仅降低了现场总线的使用成本，还可以实现高精度的设备同步，可具有选线缆冗余和功能性安全协议等特点，在机器人运动控制领域具有广泛地应用前景。多核的处理器为机器人***带来了更强大的计算性能，还可满足多任务处理和多任务计算的要求；FPGA利用硬件并行处理的优势，打破了顺序执行的模式，在每个时钟周期内可完成更多的处理任务，超过了常用的数字信号处理器DSP的运算能力。

Description

一种机器人高实时控制***架构

技术领域

本实用新型属于机器人技术领域，涉及一种机器人高实时控制***架构。

背景技术

近些年来，随着微处理器和微控制器技术的飞速发展，机器人嵌入式性能迅速得以提升。其中，CPU技术从1971年的几兆的指令集(ISA)发展到2000年的3GHz。2005年后，多核并行处理器开始兴起，微处理器结构中也融入了CPU。而近些年，片上***(SoC)通过集成多核CPU和现场可编程门阵列(FPGA)，大大提高了处理器的运算能力。而这些计算机技术的发展对促进机器人技术的发展和应用起到了重要作用。

但是很多专家认为目前机器人仍然存在诸多挑战，尤其是当机器人需要完成的任务越复杂时，需要配置的传感器和关节执行器就越多，对于如何同步获取机器人上的多传感器信息，以及同步发送控制指令给机器人的各个执行关节就变得越来越困难。以HONDA公司的仿人机器人ASIMO为例，其全身的关节执行器有57个，传感器达几十个，而波士顿动力公司的“BigDog”机器人，全身16个自由度，传感器有69个。这些多自由度机器人***，为了能达到更加动态的运动性能，它们需要具备实时处理数据和控制的能力。

目前，已经有许多关于实时控制的装置和方法，如CN100515366公开的“二自由度肌电假手实时控制装置及控制方法”包括了三个肌电拾电传感器，肌电拾电传感器与后级放大滤波电路、A/D转换电路、单片机和二自由度肌电假手的两个电机顺序信号连接。三个肌电拾电传感器分别采集来自人体的肌电信号，经过放大、滤波、A/D转换处理后输入单片机中，单片机对表面肌电信号强肉进行判断，并输出四路控制信号，经驱动电路带动假手的电机，完成假手的四个动作；如CN102601493B公开的“一种嵌入式多设备实时控制的焊接机器人***及控制方法”提供了一种嵌入式多设备实时控制的焊接机器人***及控制方法，***包括焊接机器人、机器人控制柜、机器人示教盒等，该***以手持嵌入式实时控制器为控制核心，通过RS-232接口发送运动指令，并接收当前的位置及速度参数，实现实时显示和控制的功能；如CN102866646B公开的“一种实时控制***及控制方法”公开了一种实时控制***，包括第一、第二单片机和时钟源，还包括由两侧分别与第一、第二单片机相连接的第一、第二双端口RAM模块和两侧分别与第一、第二单片机和时钟源相连接的旗语模块组成的现场可编程门阵列，时钟源用于操作可编程门阵列，第一、第二单片机用于操作可编程门阵列器，时钟源用于向可编程门阵列器提供时钟脉冲，第一、第二双端口RAM模块用于实现数据总线宽度由8位到16位的转换，旗语模块用旗语信号对第一、第二双端口RAM模块进行控制，具有总线宽度匹配、传输速率高等效果。

发明内容

本实用新型所要解决的技术问题是提出一种高实时控制***平台架构，通过利用最新计算机技术，构建高实时和高同步数据处理能力的控制架构，使得机器人***具备更高的控制性、可扩展性和兼容性。本架构利用EtherCAT实时通信协议，可以实现千兆以太网的数据传输。利用FPGA处理器，可以实现控制采样率达到4KHz，多达50个处理器可并行进行运算，并且处理器间通过优化配置，可以发挥其最大的处理和运算能力，对于采用工业总线通信(比如RS-232，RS-485,SPI,CAN等)等设备都具有较好地兼容性。这种架构对于机器人需要实时快速响应要求的，比如执行器电流环控制、人机协作和安全交互、以及复杂算法的处理等都具有明显的提升。

本实用新型采用的技术方案如下：一种机器人高实时控制***架构，由中央控制层、实时控制层、FPGA控制层和设备层四部分组成；所述中央控制层为PC机、移动终端(比如iPhone,iPad等设备)或工业操控器，所述中央控制层通过工业总线、以太网与实时控制层连接；所述实时控制层为多核CPU，包括控制核和数据收发核，实时控制层通过PCI总线与FPGA控制层连接，通过EtherCAT总线与设备层连接；所述FPGA控制层与分布式***设备连接。

本实用新型的工作原理是：中央控制层通过工业总线或无线网络等方式与实时控制层进行通信，既可以对实时控制层发送指令，又可以接收实时控制层返回的指令，实现对实时控制层的监控。实时控制层与***的执行控制器(也即驱动器)进行通信，一般驱动器采用的是CAN总线或者RS485总线，为了提高通信的实时性(尤其是运动实时性)，EtherCAT总线可以实现千兆的带宽，在实时性上具有很大的优势。由于实时控制层为多核处理器，因此可以将控制运算和数据收发分配给多核进行处理。其中，数据收发核与FPGA控制层进行数据交互，为了使不同通信总线和不同数据更新率的***设备具有同步数据更新效果，FPGA利用其分布式同步控制特性，实现了对***设备的同步数据处理(接收和发送)，实现了对机器人不同关节的同步控制。

本实用新型的有益效果是：本实用新型提出的一种机器人高实时控制***架构，其中央控制层可以通过有线或无线网络的形式与控制层进行通信，可以选择PC或其他移动终端对控制层发送指令，具有一定的应用灵活性；实时控制层采用的EtherCAT总线为***的实时性能和拓扑的灵活性树立了新的标准，它不仅降低了现场总线的使用成本，还可以实现高精度的设备同步，可具有选线缆冗余和功能性安全协议等特点，在机器人运动控制领域具有广泛地应用前景。多核的处理器为机器人***带来了更强大的计算性能，还可满足多任务处理和多任务计算的要求；FPGA利用硬件并行处理的优势，打破了顺序执行的模式，在每个时钟周期内可完成更多的处理任务，超过了常用的数字信号处理器DSP的运算能力。

附图说明

图1是一种机器人高实时控制架构框图。

具体实施方式

以下结合附图进一步说明本实用新型。

参照图1，本实用新型的一种高实时控制***框架，由中央控制层、实时控制层、FPGA控制层和设备层四部分组成。

中央控制层可以是PC机、移动终端(比如iPhone,iPad等设备)、工业操控器等，主要用于对下层控制器发送和接收指令和数据，具有较强的灵活性，并可通过人机交互界面对下层控制器的运行状态进行数据监控、调度，以及其他人为干涉。可通过工业总线、以太网或无线等方式与实时控制层进行通信。

实时控制层为多核CPU，多核的处理器为机器人***带来了更强大的计算性能，还可满足多任务处理和多任务计算的要求。以常规的双核CPU为例，CPU-1的主要是运行控制算法，以及存储数据。CPU-2主要负责发送、接收以及确认工作。

实时控制层通过PCI总线与FPGA控制层通信，通过EtherCAT总线与设备层进行通信。EtherCAT总线为***的实时性能和拓扑的灵活性树立了新的标准，它不仅降低了现场总线的使用成本，还可以实现高精度的设备同步，可具有选线缆冗余和功能性安全协议等特点，在机器人运动控制领域具有广泛地应用前景。

FPGA控制层实现与***分布式设备进行同步通信，并将处理的数据通过PCI总线发送给CPU-2，或从CPU-2中通过PCI总线获取数据，并发送给分布式***设备。FPGA利用硬件并行处理的优势，打破了顺序执行的模式，在每个时钟周期内可完成更多的处理任务，超过了常用的数字信号处理器DSP的运算能力。

设备层作为执行器控制器，用于相应控制指令的运动要求，各类传感器则通过感知环境的信息和状态，并将数据发送给控制器，用于控制与决策。

Claims (1)

1.一种机器人高实时控制***架构，其特征在于，由中央控制层、实时控制层、FPGA控制层和设备层四部分组成；

所述中央控制层为PC机、移动终端或工业操控器，所述中央控制层通过工业总线、以太网与实时控制层连接；所述实时控制层为多核CPU，实时控制层通过PCI总线与FPGA控制层连接，通过EtherCAT总线与设备层连接；所述FPGA控制层与分布式***设备连接。