[發明專利]一種力控關節實時工業以太網通信電路

在審

• 申請號: 202110627219.4
• 申請日: 2021-06-04
• 公開（公告）號: CN113341805A
• 公開（公告）日: 2021-09-03
• 發明（設計）人: 門正興;王子強;何正琛;鄭金輝;唐鑫;蘇艷紅;陳誠;岳太文;馬亞鑫;劉瓊
• 申請（專利權）人: 成都航空職業技術學院
• 主分類號: G05B19/042
• 分類號: G05B19/042
• 代理公司: 成都正華專利代理事務所(普通合伙) 51229
• 代理人: 李蕊

本發明公開了一種力控關節實時工業以太網通信電路，屬于機器人技術和通信技術領域，其包括：電源模塊、第一網口模塊、第二網口模塊、MCI微處理器接口和ESC芯片模塊，本發明具有EtherCAT實時工業以太網通信以及運動控制的功能，主要應用于機器人力控關節的伺服從站控制通信。通過采用ESC芯片，減小了EtherCAT實時工業以太網通信電路硬件體積，同時減小了從站控制微處理器的處理負荷以及集成IP核的成本。

技術領域

本發明屬于機器人技術和通信技術領域，具體涉及一種力控關節實時工業以太網通信電路。

背景技術

機器人力控關節是一種結合電子、機械、計算機、傳感器、人工智能等技術的機電一體化裝置。

如果需要對機器人力控關節進行控制，就需要一種總線通信技術。而EtherCAT是一種實時工業以太網技術，它充分利用了以太網的全雙工特性，更加適合作為運動控制的載體。使用主從模式介質訪問控制(MAC)，主站發送以太網幀給各從站，從站從數據幀中抽取數據或將數據插入數據幀。主站使用標準的以太網接口卡，從站使用專門的EtherCAT從站控制器ESC。EtherCAT物理層使用標準的以太網物理層器件。

現有的協作機器人關節主要分為普通關節和力控關節，普通關節只由伺服電機系統和減速器系統夠成，這樣的關節只能做到位置控制，從而只能讓機器人進行無精確力反饋的運動。而力控關節則由伺服電機、減速器、力矩傳感器組成，這樣的關節既可以實現位置控制又可以實現力矩控制，這樣的機器人就可以實現一些普通機器人無法完成的任務，比如需要精確控制出力的遙操作系統、醫療手術機器人系統，除此之外，工業上可以應用到一些精密零件裝配、柔性制造系統中。

力控關節需要一種總線通信協議才能控制其輸出的位移、轉速和力矩。現代機器人控制一般采用CAN總線或者EtherCAT總線對機器人力控關節實現控制。

EtherCAT是由德國BECKHOFF自動化公司于2003年提出的實時工業以太網技術。它具有高速和高數據、有效率的特點，支持多種設備連接的拓補結構。從站節點使用專門的控制芯片，主站使用標準的以太網控制器。

IEC 61800標準系列是一個可調速電子功率驅動系統通用規范。其中，IEC61800-7定義了控制系統于功率驅動系統之間的通信接口標準，包括網絡通信技術和應用行規。EtherCAT作為網絡通信技術，支持CANopen協議中的行規CiA402和SERCOS協議的應用層，分別稱為CoE和SoE。

其中CiA402是一種運動控制行規，它可以基于CoE。可以用于對力控關節執行位置控制、速度控制和扭矩控制。這樣多個伺服驅動裝置可以實現嚴格的同步協調運動，實現精密的輪廓軌跡控制。

ET1100是一種EtherCAT從站控制器(ESC)專用芯片。它具有4個數據收/發端口、8個FMMU和8個SM通道、4KB控制寄存器、8KB過程數據寄存器、支持64b的分布時鐘功能。它可以直接作為32b數字量輸入/輸出站點，或由外部微處理器控制，組成復雜的從站設備。

EtherCAT大大提高了現場總線的性能，例如，控制1000個開關量的輸入和輸出的刷新時間約為30us。單個以太網數據幀最多可容納1486B的過程數據，相當于12000位數字開關量的輸入和輸出，刷新時間約為300us。控制100個伺服電動機的數據通信周期約為100us。

發明內容

針對現有技術中的上述不足，本發明提供的一種力控關節實時工業以太網通信電路具有EtherCAT實時工業以太網通信以及運動控制的功能，主要應用于機器人力控關節的伺服從站控制通信。

為了達到上述發明目的，本發明采用的技術方案為：一種力控關節實時工業以太網通信電路，包括：電源模塊、第一網口模塊、第二網口模塊、MCI微處理器接口和ESC芯片模塊；