[發明專利]基于EtherCAT的模塊化機器人驅動器和控制方法

有效

• 申請號: 201410699089.5
• 申請日: 2014-11-26
• 公開（公告）號: CN104589367A
• 公開（公告）日: 2015-05-06
• 發明（設計）人: 張濤;劉釗銘;李濤;張峰;袁順寧;趙亮;李偉;崔龍;李洪誼
• 申請（專利權）人: 中國科學院沈陽自動化研究所
• 主分類號: B25J17/00
• 分類號: B25J17/00;B25J9/18
• 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

本發明涉及一種應用EtherCAT總線通信技術的模塊化關節驅動器及其控制方法，可應用于模塊化機器人和集成傳動系統。

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需要集成大量機電一體化設備，如電機、電機驅動器、電磁抱閘、編碼器、限位開關、減速機和力矩傳感器等。這些設備要相互配合，獨自或協同實現特定功能，離不開高性能驅動控制器的作用。與此同時，作為機器人整體的一部份，關節還要與運動控制器、其它關節和外圍傳感器進行通信，這同樣離不開關節驅動器的參與。

現有的模塊化關節驅動器方案多采用各種分立電路單元組和的方式構成。由于關節內部空間十分有限，并且電磁環境復雜，使得關節性能難以提高，限制了機器人的整體性能。

發明內容

本發明的目的在于克服現有技術的不足，提供一種實時性強、可靠性高、通信速率高、集成度高、成本低、體積小的應用EtherCAT總線的模塊化機器人關節驅動控制方法和裝置。

本發明為實現上述目的所采用的技術方案是：基于EtherCAT的模塊化機器人驅動器，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；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與正、負電壓連接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。

正電壓輸出端與電源反相芯片的電源輸入端連接，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的模塊化機器人控制方法，包括以下步驟：

控制器初始化EtherCAT通信電路參數、通道和同步方式；

控制器讀EtherCAT通信電路內事件請求寄存器數據；如果接收到主站傳來的周期性數據則寫入到控制器，將其作為參考值控制電機運轉；同時發送電機的周期性數據通過EtherCAT通信電路反饋至主站；

當控制器接收來自EtherCAT通信電路的中斷并處理，進入應用層狀態機，返回控制器讀EtherCAT通信電路內事件請求寄存器數據步驟。

所述周期性數據包括電機的位置和轉矩數據。

基于EtherCAT的模塊化機器人控制方法，所述應用層狀態機包括：

初始狀態為在電源不可接通狀態，當接收到主站的控制命令則轉入準備好接通電源狀態，再轉入電源接通狀態，然后通過可操作狀態控制電機工作；

當電機處于急停狀態時，則轉入電源不可接通狀態或者通過可操作狀態控制電機停止；

當電機處于出錯反映狀態時，則轉入出錯狀態，返回電源不可接通狀態。

本發明具有以下有益效果及優點：

1.本發明只用一個集成關節驅動器實現所有模塊化關節的控制和高速通信，可以提高關節行動的可靠性、實時性，與主控制器的傳輸速率及傳輸距離，減少關節組成單元，節約總體成本。

2.本發明能驅動關節電機，讀取兩路編碼器信號，實現電機的電流(力矩)、速度與位置閉環。

3.本發明跟據主控制器指令吸合或松開電磁抱閘，以鎖死或使能關節運動。