[發明專利]基于EtherCAT總線的機器人柔順控制系統和方法

在審

• 申請號: 201410696611.4
• 申請日: 2014-11-26
• 公開（公告）號: CN105700465A
• 公開（公告）日: 2016-06-22
• 發明（設計）人: 張峰;張濤;李濤;崔龍;李洪誼;李偉;陽方平
• 申請（專利權）人: 中國科學院沈陽自動化研究所
• 主分類號: G05B19/18
• 分類號: G05B19/18
• 代理公司: 沈陽科苑專利商標代理有限公司 21002
• 代理人: 許宗富;周秀梅

技術領域

本發明涉及一種基于EtherCAT總線通信技術的模塊化機器人柔順控制系統 和方法，可應用于模塊化機器人的柔順控制。

背景技術

模塊化機器人的研究一直是機器人領域中的重要研究內容。采用模塊化的 設計方法可以提高機器人系統的可重用性、可擴展性并且便于維修，特別是隨 著機器人多功能性、靈活性和容錯性研究的發展，機器人關節的模塊化成為核 心技術。然而機器人模塊化關節內部空間十分有限是不可避免的問題，而關節 內部需要集成大量機電一體化設備，這種情況下就需要的線纜數量多，干擾現 象經常出現。采用EtherCAT總線協議可以有效的解決該類問題。EtherCAT總線 協議是一個開放的工業實時以太網絡協議，是當前最具有實用化意義并適用于 運動控制的開放式實時工業以太網高速串行總線技術。

隨著機器人應用領域的不斷擴展和對機器人智能化要求的不斷提高，以往 以位置控制為主的機器人控制方法已不能滿足某些復雜環境的應用要求，接觸 力實時反饋和柔順控制技術已成為機器人在非結構化環境中實施接觸作業不可 或缺的部分，即使在己知的環境中，接觸力實時反饋與柔順控制可明顯提高機 器人系統的智能化程度和魯棒性，此外，當機器人工作在有人場合時為保護人 員安全，機器人控制系統必須具備力實時反饋和柔順控制功能。

柔順控制主要分為兩種：主動式和被動式。機器人通過處理力反饋信息并 采用一定控制策略去主動控制作用力的方式稱為主動柔順控制。相反機器人不 通過了力反饋而只憑借機械等柔順機構，使其自然順從接觸環境的方式稱為被 動柔順控制。阻抗控制便是主動柔順控制的一種。

發明內容

本發明涉及一種基于EtherCAT總線通信技術的模塊化機器人的柔順控制方 法，具體是一種采用EtherCAT總線協議并且采用阻抗控制的模塊化機器人控制 方法。

本發明采用的技術方案如下：基于EtherCAT總線的機器人柔順控制系統， 包括主站、機器人驅動器、電機和轉矩傳感器；主站通過EtherCAT總線與機器 人驅動器連接，機器人驅動器連有電機和轉矩傳感器；

所述主站用于接收機器人驅動器的位置、轉矩信息進行柔順控制，并輸出 控制信息至機器人驅動器；

所述機器人驅動器用于將控制信息轉換為電機的驅動命令控制電機的轉矩 和位置，并將電機關節角轉換為位置信息、將轉矩的模擬量轉換為數字量反饋 至主站。

所述機器人驅動器包括控制器以及與其連接的電源、狀態顯示電路、RS232 通信電路；其特征在于還包括與控制器連接的電機驅動單元、霍爾編碼器電路、 碼盤電路、抱閘電路、轉矩傳感器電橋電路、EtherCAT通信電路、I/O電路；

所述電機驅動單元與機器人關節的電機連接；霍爾編碼器電路與電機的霍 爾編碼器連接；所述碼盤電路與機器人關節的碼盤連接；所述抱閘電路與機器 人關節內的電磁抱閘連接；所述轉矩傳感器電橋電路與機器人關節的轉矩傳感 器連接；所述EtherCAT通信電路與上位機連接；所述I/O電路與機器人關節的 開關連接。

所述EtherCAT通信電路采用ASIC數據鏈路層芯片。

所述轉矩傳感器電橋電路采用放大器，放大器的反向輸入端、正向輸入端 分別與電源負、正極連接且分別通過電容接地，正向輸入端通過電阻與正電壓、 地連接，且與反向輸入端之間連有電容；兩個增益電阻端之間通過可調電阻相 連接，正負電壓參考端分別連有正電壓、負電壓且分別通過電容接地；放大器 的輸出端連有順序串聯的電阻和電容，電容兩端并聯有二極管，二極管正端接 地，負端通過另一個二極管與電源連接。

所述電源輸出端通過二極管與電源轉換芯片的輸入端連接，電源轉換芯片 的輸入端并聯電容后經電阻接地；電源轉換芯片的輸出端連有正電壓、與參考 端之間連有并聯的二極管和電阻，還通過并聯的兩個電容接地，參考端與地之 間連有并聯的電阻和電容。

所述正電壓輸入至電源反相芯片的電源輸入端，電源反相芯片的輸出端與 模擬地之間連有并聯的電容，輸出端連有負電壓、與地之間連有并聯的電容。

基于EtherCAT總線的機器人柔順控制方法，包括以下步驟：

機器人驅動器的控制器初始化EtherCAT通信電路參數、通道和同步方式；