一種基于rs485總線的嵌入式輕型機(jī)械臂控制系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及一種機(jī)械臂控制系統(tǒng)，特別涉及一種基于RS485總線的嵌入式輕型機(jī)械臂控制系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]輕型機(jī)械臂具有重量輕、便于移動(dòng)、組合靈活、成本低廉的優(yōu)點(diǎn)，非常適合多品種、小批量的現(xiàn)代生產(chǎn)方式，并且均采用模塊化組合方式，具有批量生產(chǎn)的優(yōu)勢?，F(xiàn)有輕型機(jī)械臂控制系統(tǒng)大多采用基于PC的上位機(jī)控制器和CAN總線，由于PC機(jī)成本及功耗、散熱等問題以及CAN總線的多主多從網(wǎng)絡(luò)邏輯結(jié)構(gòu)，在應(yīng)用于輕型機(jī)械臂的控制時(shí)，并不十分理想。以CAN為例，一個(gè)6軸機(jī)械臂，外加2個(gè)通用1模塊，合計(jì)8個(gè)節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)量為8字節(jié)，CAN通訊報(bào)文大約為110位，即便按照CAN總線最快的IMbps計(jì)算，完整的一次8節(jié)點(diǎn)通信，至少需要2毫秒。實(shí)際工作中，由于考慮可靠性和CAN總線沖突避讓問題，一般需要4至5毫秒。不但難以實(shí)現(xiàn)高精度的力矩控制，連高精度的高速軌跡控制都難以實(shí)現(xiàn)。
【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0003]本實(shí)用新型的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)中所存在的上述不足，提供一種基于RS485總線的嵌入式輕型機(jī)械臂控制系統(tǒng)，利用高速RS485總線的速度優(yōu)勢提高控制頻率，同時(shí)采用嵌入式系統(tǒng)架構(gòu)大大提升了控制系統(tǒng)的的可靠性和成本優(yōu)勢。
[0004]為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型提供了以下技術(shù)方案:
[0005]一種基于RS485總線的嵌入式輕型機(jī)械臂控制系統(tǒng)，其特征在于，包括一機(jī)械臂嵌入式控制器、一示教器及至少一個(gè)節(jié)點(diǎn)裝置，所述機(jī)械臂控制器與示教器通信連接，所述機(jī)械臂嵌入式控制器與至少一個(gè)節(jié)點(diǎn)裝置通過4-20Mbps的RS485總線通信連接。
[0006]優(yōu)選的，所述機(jī)械臂嵌入式控制器包括一嵌入式處理器、一可編程邏輯核心的RS485協(xié)議處理芯片和一 RS485高速隔離收發(fā)器。
[0007]優(yōu)選的，所述嵌入式處理器采用Freescale的MCHMX6Q6AVT10AC多核嵌入式處理器，所述可編程邏輯核心的RS485協(xié)議處理芯片采用Altera的EP4CE6E22I7可編程邏輯芯片，所述RS485高速隔離收發(fā)器采用IS03088芯片。
[0008]優(yōu)選的，所述節(jié)點(diǎn)裝置由節(jié)點(diǎn)模塊和應(yīng)用模塊構(gòu)成，所述節(jié)點(diǎn)模塊包括一可編程邏輯器件核心的RS485協(xié)議處理芯片和一 RS485高速隔離收發(fā)器，所述應(yīng)用模塊為伺服驅(qū)動(dòng)模塊、數(shù)字輸入輸出模塊或模擬輸入輸出模塊。
[0009]優(yōu)選的，所述可編程邏輯核心的RS485協(xié)議處理芯片采用Lattice的iCE40LPlK可編程邏輯芯片，所述RS485高速隔離收發(fā)器采用IS03088芯片。
[0010]優(yōu)選的，所述節(jié)點(diǎn)模塊和應(yīng)用模塊之間采用并行總線和串行總線通信。
[0011]優(yōu)選的，所述伺服驅(qū)動(dòng)模塊采用ST的STM32F405RG處理器芯片。
[0012]優(yōu)選的，所述機(jī)械臂嵌入式控制器通過LVDS信號傳送人機(jī)界面顯示信息到示教器顯示，同時(shí)示教器的鍵盤和觸摸輸入信息通過RS422總線傳輸?shù)綑C(jī)械臂嵌入式控制器。
[0013]優(yōu)選的，其特征在于，所述RS485總線采用1Mbps通信速率。
[0014]優(yōu)選的，其特征在于，所述節(jié)點(diǎn)裝置為1-32個(gè)。
[0015]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型的有益效果:
[0016]1.本實(shí)用新型的控制系統(tǒng)性能優(yōu)越，由于采用了可高達(dá)1Mbps的高速RS485總線，并使用FPGA和CPLD加速協(xié)議處理，使控制周期由4-5毫秒縮短到I毫秒以內(nèi)，同時(shí)節(jié)點(diǎn)數(shù)量可以增加至32個(gè)，具有良好的擴(kuò)展能力；
[0017]2.本實(shí)用新型的控制系統(tǒng)采用實(shí)時(shí)嵌入式系統(tǒng)的控制器核心，使控制器軟件和示教器軟件運(yùn)行于同一個(gè)多核處理器上，免去了示教器的復(fù)雜設(shè)計(jì)、簡化了控制器和示教器之間復(fù)雜的通信協(xié)議，不但提高了可靠性，而且成本更加低廉。
【附圖說明】
[0018]圖1為本實(shí)用新型的嵌入式輕型機(jī)械臂控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
[0019]圖2為本實(shí)用新型的機(jī)械臂嵌入式控制器結(jié)構(gòu)圖
[0020]圖3為本實(shí)用新型節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)模塊結(jié)構(gòu)圖
【具體實(shí)施方式】
[0021]下面結(jié)合試驗(yàn)例及【具體實(shí)施方式】對本實(shí)用新型作進(jìn)一步的詳細(xì)描述。但不應(yīng)將此理解為本實(shí)用新型上述主題的范圍僅限于以下的實(shí)施例，凡基于本【實(shí)用新型內(nèi)容】所實(shí)現(xiàn)的技術(shù)均屬于本實(shí)用新型的范圍。
[0022]本發(fā)明的體系結(jié)構(gòu)如圖1所示，由3大組成部分構(gòu)成:機(jī)械臂控制器本體，示教器和節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)數(shù)量與機(jī)械臂軸數(shù)及1數(shù)量有關(guān)，最大節(jié)點(diǎn)由RS485通信速率決定，當(dāng)RS485總線運(yùn)行于1Mbsp時(shí)，節(jié)點(diǎn)可達(dá)32個(gè)。
[0023]如圖2所示，控制器本體由兩部分核心組成:基于Freescale公司MCIMX6Q6AVT10AC多核嵌入式處理器的核心控制電路及基于Altera公司EP4CE6E22I7現(xiàn)場可編程門陣列的RS485通信協(xié)議加速處理單元。MCHMX6Q6AVT10AC運(yùn)行實(shí)時(shí)Linux操作系統(tǒng)及機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制相關(guān)算法和I/O邏輯處理軟件，以及基于QT環(huán)境的人機(jī)界面軟件，上述操作系統(tǒng)以及相關(guān)算法和軟件均為本領(lǐng)域所公知的，在此不做贅述。人機(jī)界面的顯示信息通過LVDS信號傳送到示教器顯示，同時(shí)示教器的鍵盤、觸摸等輸入信息通過RS422總線傳輸?shù)娇刂破鞅倔w。運(yùn)動(dòng)控制和I/O控制相關(guān)信息由處理器傳送到FPGA后，F(xiàn)PGA對數(shù)據(jù)打包、傳輸，并自動(dòng)接收來自各節(jié)點(diǎn)的應(yīng)答數(shù)據(jù)包，存放到內(nèi)部緩沖區(qū)供處理器讀取。FPGA對發(fā)送數(shù)據(jù)打包后，變?yōu)镮bit數(shù)據(jù)流，經(jīng)過進(jìn)入高速隔離RS485收發(fā)器IS03088。IS03088最高隔離、收發(fā)速度為20Mbps，完全滿足1Mbps的要求。
[0024]示教器負(fù)責(zé)顯示人機(jī)界面信息，并將用戶按鍵信息傳送給控制器，由于控制器采用的是實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，因此示教器只有LVDS到液晶屏使用的TTL信號的轉(zhuǎn)換電路，結(jié)構(gòu)簡單，可靠性高。
[0025]節(jié)點(diǎn)分為若干種類型，最基本的是控制電機(jī)用的伺服驅(qū)動(dòng)節(jié)點(diǎn)，然后是通用數(shù)字輸入輸出節(jié)點(diǎn)和模擬輸入輸出節(jié)點(diǎn)等。雖然節(jié)點(diǎn)具體功能不同，但是均由兩個(gè)部分構(gòu)成??節(jié)點(diǎn)模塊和應(yīng)用模塊。
[0026]各個(gè)節(jié)點(diǎn)使用相同的節(jié)點(diǎn)模塊，都由高速隔離RS485收發(fā)器IS03088及Lattice公司的iCE40LPlK-QN84復(fù)雜可編程邏輯器件組成。iCE40LPlK_QN84負(fù)責(zé)接收總線上的數(shù)據(jù)，并判斷是否為發(fā)送給本節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，然后將本節(jié)點(diǎn)狀態(tài)或者輸入信息發(fā)送到總線上以供控制器接收。iCE40LPlK-QN84收發(fā)的數(shù)據(jù)，最終由節(jié)點(diǎn)上的處理器來進(jìn)行處理。節(jié)點(diǎn)模塊和應(yīng)用模塊之間使用并行和串行總線通信，并且采用開放式協(xié)議，用戶可以自己設(shè)計(jì)制造符合標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用模塊。
[0027]節(jié)點(diǎn)的應(yīng)用模塊，根據(jù)最終應(yīng)用不同分為幾類，如驅(qū)動(dòng)直流無刷電機(jī)的低壓電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、實(shí)現(xiàn)數(shù)字量輸入輸出的數(shù)字I/O模塊、實(shí)現(xiàn)模擬量輸入輸出的模擬I/O模塊等。節(jié)點(diǎn)處理器選用ST公司的STM32F4系列處理器STM32F405RG，主頻168MHz，帶有單精度浮點(diǎn)指令，非常適合電機(jī)驅(qū)動(dòng)。同時(shí)其封裝為QFP64，體積小，配合QFN84封裝的iCE40LPlK-QN84，節(jié)點(diǎn)的主要控制部分電路集成度高、占用電路板面積小，非常適合空間狹窄的電機(jī)/驅(qū)動(dòng)一體化設(shè)計(jì)。
[0028]為提高控制器通信效率，減少處理器時(shí)間消耗，RS485總線采用時(shí)間按分段的通信方式，每個(gè)節(jié)點(diǎn)只能再規(guī)定時(shí)間內(nèi)通信，因此使用控制器端的FPGA和節(jié)點(diǎn)端的CPLD來加速協(xié)議處理，在協(xié)議處理過程中不需要CPU介入，只有協(xié)議處理完畢后，F(xiàn)PGA或者CPLD才產(chǎn)生中斷邏輯，通知CPU進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。采用可編程邏輯器件進(jìn)行RS485協(xié)議處理屬于本領(lǐng)域所公知的，在此不做贅述。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種基于RS485總線的嵌入式輕型機(jī)械臂控制系統(tǒng)，其特征在于，包括一機(jī)械臂嵌入式控制器、一示教器及至少一個(gè)節(jié)點(diǎn)裝置，所述機(jī)械臂控制器與示教器通信連接，所述機(jī)械臂嵌入式控制器與至少一個(gè)節(jié)點(diǎn)裝置通過4-20Mbps的RS485總線通信連接。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于RS485總線的嵌入式輕型機(jī)械臂控制系統(tǒng)，其特征在于，所述機(jī)械臂嵌入式控制器包括一嵌入式處理器、一可編程邏輯核心的RS485協(xié)議處理芯片和一 RS485高速隔離收發(fā)器。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于RS485總線的嵌入式輕型機(jī)械臂控制系統(tǒng)，其特征在于，所述嵌入式處理器采用Freescale的MCHMX6Q6AVT10AC多核嵌入式處理器，所述可編程邏輯核心的RS485協(xié)議處理芯片采用Altera的EP4CE6E22I7可編程邏輯芯片，所述RS485高速隔離收發(fā)器采用IS03088芯片。4.根據(jù)權(quán)利要求1-3任一項(xiàng)所述的基于RS485總線的嵌入式輕型機(jī)械臂控制系統(tǒng)，其特征在于，所述節(jié)點(diǎn)裝置由節(jié)點(diǎn)模塊和應(yīng)用模塊構(gòu)成，所述節(jié)點(diǎn)模塊包括一可編程邏輯器件核心的RS485協(xié)議處理芯片和一 RS485高速隔離收發(fā)器，所述應(yīng)用模塊為伺服驅(qū)動(dòng)模塊、數(shù)字輸入輸出模塊或模擬輸入輸出模塊。5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于RS485總線的嵌入式輕型機(jī)械臂控制系統(tǒng)，其特征在于，所述可編程邏輯核心的RS485協(xié)議處理芯片采用Lattice的iCE40LPlK可編程邏輯芯片，所述RS485高速隔離收發(fā)器采用IS03088芯片。6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于RS485總線的嵌入式輕型機(jī)械臂控制系統(tǒng)，其特征在于，所述節(jié)點(diǎn)模塊和應(yīng)用模塊之間采用并行總線和串行總線通信。7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于RS485總線的嵌入式輕型機(jī)械臂控制系統(tǒng)，其特征在于，所述伺服驅(qū)動(dòng)模塊采用ST的STM32F405RG處理器芯片。8.根據(jù)權(quán)利要求1-3任一項(xiàng)所述的基于RS485總線的嵌入式輕型機(jī)械臂控制系統(tǒng)，其特征在于，所述機(jī)械臂嵌入式控制器通過LVDS信號傳送人機(jī)界面顯示信息到示教器顯示，同時(shí)示教器的鍵盤和觸摸輸入信息通過RS422總線傳輸?shù)綑C(jī)械臂嵌入式控制器。9.根據(jù)權(quán)利要求1-3任一項(xiàng)所述的基于RS485總線的嵌入式輕型機(jī)械臂控制系統(tǒng)，其特征在于，所述RS485總線采用1Mbps通信速率。10.根據(jù)權(quán)利要求1-3任一項(xiàng)所述的基于RS485總線的嵌入式輕型機(jī)械臂控制系統(tǒng)，其特征在于，所述節(jié)點(diǎn)裝置為1-32個(gè)。
【專利摘要】本實(shí)用新型公開了一種基于RS485總線的嵌入式輕型機(jī)械臂控制系統(tǒng)，包括一機(jī)械臂嵌入式控制器、一示教器及至少一個(gè)節(jié)點(diǎn)裝置，所述機(jī)械臂控制器與示教器通信連接，所述機(jī)械臂嵌入式控制器與至少一個(gè)節(jié)點(diǎn)裝置通過4-20Mbps的RS485總線通信連接。本實(shí)用新型利用高速RS485總線的速度優(yōu)勢提高控制頻率，同時(shí)采用嵌入式系統(tǒng)架構(gòu)大大提升了控制系統(tǒng)的可靠性和成本優(yōu)勢。
【IPC分類】B25J9/16, B25J13/00
【公開號】CN204748631
【申請?zhí)枴緾N201520191404
【發(fā)明人】孫愷, 劉淼, 曹宇男, 魏巍
【申請人】南通艾利特自動(dòng)化有限公司, 南通產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院有限公司
【公開日】2015年11月11日
【申請日】2015年3月31日