一種機器人高實時控制系統架構的制作方法
【技術領域】
[0001]本實用新型屬于機器人技術領域，涉及一種機器人高實時控制系統架構。
【背景技術】
[0002]近些年來，隨著微處理器和微控制器技術的飛速發展，機器人嵌入式性能迅速得以提升。其中，CPU技術從1971年的幾兆的指令集(ISA)發展到2000年的3GHz。2005年后，多核并行處理器開始興起，微處理器結構中也融入了 CPU。而近些年，片上系統(SoC)通過集成多核CPU和現場可編程門陣列(FPGA)，大大提高了處理器的運算能力。而這些計算機技術的發展對促進機器人技術的發展和應用起到了重要作用。
[0003]但是很多專家認為目前機器人仍然存在諸多挑戰，尤其是當機器人需要完成的任務越復雜時，需要配置的傳感器和關節執行器就越多，對于如何同步獲取機器人上的多傳感器信息，以及同步發送控制指令給機器人的各個執行關節就變得越來越困難。以HONDA公司的仿人機器人AS頂O為例，其全身的關節執行器有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，為了能達到更加動態的運動性能，它們需要具備實時處理數據和控制的能力。
[0004]目前，已經有許多關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，經過放大、濾波、A/D轉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，經驅動電路帶動假手的電機，完成假手的四個動作；如CN102601493B公開的“一種嵌入式多設備實時控制的焊接機器人系統及控制方法”提供了一種嵌入式多設備實時控制的焊接機器人系統及控制方法，系統包括焊接機器人、機器人控制柜、機器人示教盒等，該系統以手持嵌入式實時控制器為控制核心，通過RS-232接口發送運動指令，并接收當前的位置及速度參數，實現實時顯示和控制的功能；如CN102866646B公開的“一種實時控制系統及控制方法”公開了一種實時控制系統，包括第一、第二單片機和時鐘源，還包括由兩側分別與第一、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模塊用于實現數據總線寬度由8位到16位的轉換，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。
【發明內容】
[0005]本實用新型所要解決的技術問題是提出一種高實時控制系統平臺架構，通過利用最新計算機技術，構建高實時和高同步數據處理能力的控制架構，使得機器人系統具備更高的控制性、可擴展性和兼容性。本架構利用EtherCAT實時通信協議，可以實現千兆以太網的數據傳輸。利用FPGA處理器，可以實現控制采樣率達到4KHz，多達50個處理器可并行進行運算，并且處理器間通過優化配置，可以發揮其最大的處理和運算能力，對于采用工業總線通信(比如RS-232，RS-485，SPI, CAN等)等設備都具有較好地兼容性。這種架構對于機器人需要實時快速響應要求的，比如執行器電流環控制、人機協作和安全交互、以及復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方案如下:一種機器人高實時控制系統架構，由中央控制層、實時控制層、FPGA控制層和設備層四部分組成；所述中央控制層為PC機、移動終端(比如iPhone，iPad等設備)或工業操控器，所述中央控制層通過工業總線、以太網與實時控制層連接；所述實時控制層為多核CPU，包括控制核和數據收發核，實時控制層通過PCI總線與FPGA控制層連接，通過EtherCAT總線與設備層連接；所述FPGA控制層與分布式外圍設備連接。
[0007]本實用新型的工作原理是:中央控制層通過工業總線或無線網絡等方式與實時控制層進行通信，既可以對實時控制層發送指令，又可以接收實時控制層返回的指令，實現對實時控制層的監控。實時控制層與外圍的執行控制器(也即驅動器)進行通信，一般驅動器采用的是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總線可以實現千兆的帶寬，在實時性上具有很大的優勢。由于實時控制層為多核處理器，因此可以將控制運算和數據收發分配給多核進行處理。其中，數據收發核與FPGA控制層進行數據交互，為了使不同通信總線和不同數據更新率的外圍設備具有同步數據更新效果，FPGA利用其分布式同步控制特性，實現了對外圍設備的同步數據處理(接收和發送)，實現了對機器人不同關節的同步控制。
[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架構，其中央控制層可以通過有線或無線網絡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送指令，具有一定的應用靈活性；實時控制層采用的EtherCAT總線為系統的實時性能和拓撲的靈活性樹立了新的標準，它不僅降低了現場總線的使用成本，還可以實現高精度的設備同步，可具有選線纜冗余和功能性安全協議等特點，在機器人運動控制領域具有廣泛地應用前景。多核的處理器為機器人系統帶來了更強大的計算性能，還可滿足多任務處理和多任務計算的要求；FPGA利用硬件并行處理的優勢，打破了順序執行的模式，在每個時鐘周期內可完成更多的處理任務，超過了常用的數字信號處理器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框圖。
【具體實施方式】
[0010]以下結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框架，由中央控制層、實時控制層、FPGA控制層和設備層四部分組成。
[0012]中央控制層可以是PC機、移動終端(比如iPhone，iPad等設備)、工業操控器等，主要用于對下層控制器發送和接收指令和數據，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進行數據監控、調度，以及其他人為干涉。可通過工業總線、以太網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帶來了更強大的計算性能，還可滿足多任務處理和多任務計算的要求。以常規的雙核CPU為例，CPU-1的主要是運行控制算法，以及存儲數據。CPU-2主要負責發送、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總線與設備層進行通信。EtherCAT總線為系統的實時性能和拓撲的靈活性樹立了新的標準，它不僅降低了現場總線的使用成本，還可以實現高精度的設備同步，可具有選線纜冗余和功能性安全協議等特點，在機器人運動控制領域具有廣泛地應用前景。
[0015]FPGA控制層實現與外圍分布式設備進行同步通信，并將處理的數據通過PCI總線發送給CPU-2，或從CPU-2中通過PCI總線獲取數據，并發送給分布式外圍設備。FPGA利用硬件并行處理的優勢，打破了順序執行的模式，在每個時鐘周期內可完成更多的處理任務，超過了常用的數字信號處理器DSP的運算能力。
[0016]設備層作為執行器控制器，用于相應控制指令的運動要求，各類傳感器則通過感知環境的信息和狀態，并將數據發送給控制器，用于控制與決策。
【主權項】
1.一種機器人高實時控制系統架構，其特征在于，由中央控制層、實時控制層、FPGA控制層和設備層四部分組成； 所述中央控制層為PC機、移動終端或工業操控器，所述中央控制層通過工業總線、以太網與實時控制層連接；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總線與設備層連接；所述FPGA控制層與分布式外圍設備連接。
【專利摘要】本實用新型公開了一種機器人高實時控制系統架構，由中央控制層、實時控制層、FPGA控制層和設備層四部分組成；其中央控制層通過有線或無線網絡的形式與實時控制層進行通信；實時控制層采用的EtherCAT總線為系統的實時性能和拓撲的靈活性樹立了新的標準，它不僅降低了現場總線的使用成本，還可以實現高精度的設備同步，可具有選線纜冗余和功能性安全協議等特點，在機器人運動控制領域具有廣泛地應用前景。多核的處理器為機器人系統帶來了更強大的計算性能，還可滿足多任務處理和多任務計算的要求；FPGA利用硬件并行處理的優勢，打破了順序執行的模式，在每個時鐘周期內可完成更多的處理任務，超過了常用的數字信號處理器DSP的運算能力。
【IPC分類】G05B19/042
【公開號】CN204883256
【申請號】CN201520503140
【發明人】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