一種機器人高實時控制系統(tǒng)架構(gòu)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實用新型屬于機器人技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種機器人高實時控制系統(tǒng)架構(gòu)。
【背景技術(shù)】
[0002]近些年來，隨著微處理器和微控制器技術(shù)的飛速發(fā)展，機器人嵌入式性能迅速得以提升。其中，CPU技術(shù)從1971年的幾兆的指令集(ISA)發(fā)展到2000年的3GHz。2005年后，多核并行處理器開始興起，微處理器結(jié)構(gòu)中也融入了 CPU。而近些年，片上系統(tǒng)(SoC)通過集成多核CPU和現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)，大大提高了處理器的運算能力。而這些計算機技術(shù)的發(fā)展對促進機器人技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用起到了重要作用。
[0003]但是很多專家認為目前機器人仍然存在諸多挑戰(zhàn)，尤其是當(dāng)機器人需要完成的任務(wù)越復(fù)雜時，需要配置的傳感器和關(guān)節(jié)執(zhí)行器就越多，對于如何同步獲取機器人上的多傳感器信息，以及同步發(fā)送控制指令給機器人的各個執(zhí)行關(guān)節(jié)就變得越來越困難。以HONDA公司的仿人機器人AS頂O為例，其全身的關(guān)節(jié)執(zhí)行器有57個，傳感器達幾十個，而波士頓動力公司的“BigDog”機器人，全身16個自由度，傳感器有69個。這些多自由度機器人系統(tǒng)，為了能達到更加動態(tài)的運動性能，它們需要具備實時處理數(shù)據(jù)和控制的能力。
[0004]目前，已經(jīng)有許多關(guān)于實時控制的裝置和方法，如CN100515366公開的“二自由度肌電假手實時控制裝置及控制方法”包括了三個肌電拾電傳感器，肌電拾電傳感器與后級放大濾波電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、單片機和二自由度肌電假手的兩個電機順序信號連接。三個肌電拾電傳感器分別采集來自人體的肌電信號，經(jīng)過放大、濾波、A/D轉(zhuǎn)換處理后輸入單片機中，單片機對表面肌電信號強肉進行判斷，并輸出四路控制信號，經(jīng)驅(qū)動電路帶動假手的電機，完成假手的四個動作；如CN102601493B公開的“一種嵌入式多設(shè)備實時控制的焊接機器人系統(tǒng)及控制方法”提供了一種嵌入式多設(shè)備實時控制的焊接機器人系統(tǒng)及控制方法，系統(tǒng)包括焊接機器人、機器人控制柜、機器人示教盒等，該系統(tǒng)以手持嵌入式實時控制器為控制核心，通過RS-232接口發(fā)送運動指令，并接收當(dāng)前的位置及速度參數(shù)，實現(xiàn)實時顯示和控制的功能；如CN102866646B公開的“一種實時控制系統(tǒng)及控制方法”公開了一種實時控制系統(tǒng)，包括第一、第二單片機和時鐘源，還包括由兩側(cè)分別與第一、第二單片機相連接的第一、第二雙端口 RAM模塊和兩側(cè)分別與第一、第二單片機和時鐘源相連接的旗語模塊組成的現(xiàn)場可編程門陣列，時鐘源用于操作可編程門陣列，第一、第二單片機用于操作可編程門陣列器，時鐘源用于向可編程門陣列器提供時鐘脈沖，第一、第二雙端口 RAM模塊用于實現(xiàn)數(shù)據(jù)總線寬度由8位到16位的轉(zhuǎn)換，旗語模塊用旗語信號對第一、第二雙端口RAM模塊進行控制，具有總線寬度匹配、傳輸速率高等效果。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本實用新型所要解決的技術(shù)問題是提出一種高實時控制系統(tǒng)平臺架構(gòu)，通過利用最新計算機技術(shù)，構(gòu)建高實時和高同步數(shù)據(jù)處理能力的控制架構(gòu)，使得機器人系統(tǒng)具備更高的控制性、可擴展性和兼容性。本架構(gòu)利用EtherCAT實時通信協(xié)議，可以實現(xiàn)千兆以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳輸。利用FPGA處理器，可以實現(xiàn)控制采樣率達到4KHz，多達50個處理器可并行進行運算，并且處理器間通過優(yōu)化配置，可以發(fā)揮其最大的處理和運算能力，對于采用工業(yè)總線通信(比如RS-232，RS-485，SPI, CAN等)等設(shè)備都具有較好地兼容性。這種架構(gòu)對于機器人需要實時快速響應(yīng)要求的，比如執(zhí)行器電流環(huán)控制、人機協(xié)作和安全交互、以及復(fù)雜算法的處理等都具有明顯的提升。
[0006]本實用新型采用的技術(shù)方案如下:一種機器人高實時控制系統(tǒng)架構(gòu)，由中央控制層、實時控制層、FPGA控制層和設(shè)備層四部分組成；所述中央控制層為PC機、移動終端(比如iPhone，iPad等設(shè)備)或工業(yè)操控器，所述中央控制層通過工業(yè)總線、以太網(wǎng)與實時控制層連接；所述實時控制層為多核CPU，包括控制核和數(shù)據(jù)收發(fā)核，實時控制層通過PCI總線與FPGA控制層連接，通過EtherCAT總線與設(shè)備層連接；所述FPGA控制層與分布式外圍設(shè)備連接。
[0007]本實用新型的工作原理是:中央控制層通過工業(yè)總線或無線網(wǎng)絡(luò)等方式與實時控制層進行通信，既可以對實時控制層發(fā)送指令，又可以接收實時控制層返回的指令，實現(xiàn)對實時控制層的監(jiān)控。實時控制層與外圍的執(zhí)行控制器(也即驅(qū)動器)進行通信，一般驅(qū)動器采用的是CAN總線或者RS485總線，為了提高通信的實時性(尤其是運動實時性)，EtherCAT總線可以實現(xiàn)千兆的帶寬，在實時性上具有很大的優(yōu)勢。由于實時控制層為多核處理器，因此可以將控制運算和數(shù)據(jù)收發(fā)分配給多核進行處理。其中，數(shù)據(jù)收發(fā)核與FPGA控制層進行數(shù)據(jù)交互，為了使不同通信總線和不同數(shù)據(jù)更新率的外圍設(shè)備具有同步數(shù)據(jù)更新效果，F(xiàn)PGA利用其分布式同步控制特性，實現(xiàn)了對外圍設(shè)備的同步數(shù)據(jù)處理(接收和發(fā)送)，實現(xiàn)了對機器人不同關(guān)節(jié)的同步控制。
[0008]本實用新型的有益效果是:本實用新型提出的一種機器人高實時控制系統(tǒng)架構(gòu)，其中央控制層可以通過有線或無線網(wǎng)絡(luò)的形式與控制層進行通信，可以選擇PC或其他移動終端對控制層發(fā)送指令，具有一定的應(yīng)用靈活性；實時控制層采用的EtherCAT總線為系統(tǒng)的實時性能和拓撲的靈活性樹立了新的標(biāo)準(zhǔn)，它不僅降低了現(xiàn)場總線的使用成本，還可以實現(xiàn)高精度的設(shè)備同步，可具有選線纜冗余和功能性安全協(xié)議等特點，在機器人運動控制領(lǐng)域具有廣泛地應(yīng)用前景。多核的處理器為機器人系統(tǒng)帶來了更強大的計算性能，還可滿足多任務(wù)處理和多任務(wù)計算的要求；FPGA利用硬件并行處理的優(yōu)勢，打破了順序執(zhí)行的模式，在每個時鐘周期內(nèi)可完成更多的處理任務(wù)，超過了常用的數(shù)字信號處理器DSP的運算能力。
【附圖說明】
[0009]圖1是一種機器人高實時控制架構(gòu)框圖。
【具體實施方式】
[0010]以下結(jié)合附圖進一步說明本實用新型。
[0011]參照圖1，本實用新型的一種高實時控制系統(tǒng)框架，由中央控制層、實時控制層、FPGA控制層和設(shè)備層四部分組成。
[0012]中央控制層可以是PC機、移動終端(比如iPhone，iPad等設(shè)備)、工業(yè)操控器等，主要用于對下層控制器發(fā)送和接收指令和數(shù)據(jù)，具有較強的靈活性，并可通過人機交互界面對下層控制器的運行狀態(tài)進行數(shù)據(jù)監(jiān)控、調(diào)度，以及其他人為干涉。可通過工業(yè)總線、以太網(wǎng)或無線等方式與實時控制層進行通信。
[0013]實時控制層為多核CPU，多核的處理器為機器人系統(tǒng)帶來了更強大的計算性能，還可滿足多任務(wù)處理和多任務(wù)計算的要求。以常規(guī)的雙核CPU為例，CPU-1的主要是運行控制算法，以及存儲數(shù)據(jù)。CPU-2主要負責(zé)發(fā)送、接收以及確認工作。
[0014]實時控制層通過PCI總線與FPGA控制層通信，通過EtherCAT總線與設(shè)備層進行通信。EtherCAT總線為系統(tǒng)的實時性能和拓撲的靈活性樹立了新的標(biāo)準(zhǔn)，它不僅降低了現(xiàn)場總線的使用成本，還可以實現(xiàn)高精度的設(shè)備同步，可具有選線纜冗余和功能性安全協(xié)議等特點，在機器人運動控制領(lǐng)域具有廣泛地應(yīng)用前景。
[0015]FPGA控制層實現(xiàn)與外圍分布式設(shè)備進行同步通信，并將處理的數(shù)據(jù)通過PCI總線發(fā)送給CPU-2，或從CPU-2中通過PCI總線獲取數(shù)據(jù)，并發(fā)送給分布式外圍設(shè)備。FPGA利用硬件并行處理的優(yōu)勢，打破了順序執(zhí)行的模式，在每個時鐘周期內(nèi)可完成更多的處理任務(wù)，超過了常用的數(shù)字信號處理器DSP的運算能力。
[0016]設(shè)備層作為執(zhí)行器控制器，用于相應(yīng)控制指令的運動要求，各類傳感器則通過感知環(huán)境的信息和狀態(tài)，并將數(shù)據(jù)發(fā)送給控制器，用于控制與決策。
【主權(quán)項】
1.一種機器人高實時控制系統(tǒng)架構(gòu)，其特征在于，由中央控制層、實時控制層、FPGA控制層和設(shè)備層四部分組成； 所述中央控制層為PC機、移動終端或工業(yè)操控器，所述中央控制層通過工業(yè)總線、以太網(wǎng)與實時控制層連接；所述實時控制層為多核CPU，實時控制層通過PCI總線與FPGA控制層連接，通過EtherCAT總線與設(shè)備層連接；所述FPGA控制層與分布式外圍設(shè)備連接。
【專利摘要】本實用新型公開了一種機器人高實時控制系統(tǒng)架構(gòu)，由中央控制層、實時控制層、FPGA控制層和設(shè)備層四部分組成；其中央控制層通過有線或無線網(wǎng)絡(luò)的形式與實時控制層進行通信；實時控制層采用的EtherCAT總線為系統(tǒng)的實時性能和拓撲的靈活性樹立了新的標(biāo)準(zhǔn)，它不僅降低了現(xiàn)場總線的使用成本，還可以實現(xiàn)高精度的設(shè)備同步，可具有選線纜冗余和功能性安全協(xié)議等特點，在機器人運動控制領(lǐng)域具有廣泛地應(yīng)用前景。多核的處理器為機器人系統(tǒng)帶來了更強大的計算性能，還可滿足多任務(wù)處理和多任務(wù)計算的要求；FPGA利用硬件并行處理的優(yōu)勢，打破了順序執(zhí)行的模式，在每個時鐘周期內(nèi)可完成更多的處理任務(wù)，超過了常用的數(shù)字信號處理器DSP的運算能力。
【IPC分類】G05B19/042
【公開號】CN204883256
【申請?zhí)枴緾N201520503140
【發(fā)明人】朱秋國, 熊蓉, 崔華亭
【申請人】杭州南江機器人股份有限公司
【公開日】2015年12月16日
【申請日】2015年7月10日