模块化机械臂及机器人系统的制作方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种模块化机械臂及机器人系统。该模块化机械臂包括若干组件，该若干组件相互固定连接或活动连接，每个组件包括总线接口、驱动设备、以太网通讯设备和用于控制组件运动的电机。每个以太网通讯设备经由相应总线接口连接至POWERLINK工业以太网总线，该总线的一端连接至一上位机。每个组件中，以太网通讯设备和驱动设备通信连接，驱动设备用于通过以太网通讯设备接收该上位机的指令、并向该电机发送驱动指令。本实用新型的模块化机械臂及机器人系统，能够通过一上位机实时、同步地控制机械臂中的多个模块，使得机械臂的各个模块同步协同工作，从而能够实现机械臂精确的实时动作控制，同时便于信息的远程共享。
【专利说明】模块化机械臂及机器人系统
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及一种模块化机械臂及机器人系统。
【背景技术】
[0002]现在，可控制机械臂技术已经在许多领域得到了广泛应用，不仅在工业、服务、军事等各行业发挥重要的作用，其在教育、研究以及玩具方面的应用也越来越多。机械臂是一个集成了机械、电子、软件、传感、控制等多种技术的具有很强综合性的产品。由机械臂构成的机器人很适合用于教学以激发学生对这些技术的兴趣和提高学生各方面的能力，机器人本身对于研究机器人所用的各种技术也是很好的一个载体。更因传统工业机械臂体积庞大，且机构和技术封装严密，只有少数可编程接口供用户使用，不能便捷地转移到教学上作为研究使用。因此一种基于POWERLINK通讯的模块化机械臂机器人系统的实现对解决上述问题极具实用性和必要性。
[0003]相对于结构固定的一体式的机械臂，模块化机械臂在搭接、组装、重构方面具有更大的灵活性，通过不同的方式组装搭接可应用于各种场合。模块化机械臂的多个模块在控制和动作方面必须较好地协调，才能真正达到控制各个模块协同工作的效果。并且，现有的机械臂中，各个模块之间以及模块和上位机之间的数据传输速度均较低，在在模块数较多、控制较为复杂的情况下，模块化机械臂的各个部分在控制的同时性上受到较大影响，并且稳定性也有所不足，从而使得各个模块无法很好地协同工作，更无法实现对机械臂动作的实时控制。
实用新型内容
[0004]本实用新型要解决的技术问题是为了克服现有技术中的模块化机械臂中各个组件无法很好地协同工作，以及无法实时控制机械臂的动作的缺陷，提出一种模块化机械臂及机器人系统。
[0005]本实用新型是通过下述技术方案来解决上述技术问题的:
[0006]本实用新型提供了一种模块化机械臂，其特点在于，包括若干组件，该若干组件相互固定连接或活动连接，每个组件包括总线接口、驱动设备、以太网通讯设备和用于控制组件运动的电机。每个以太网通讯设备经由相应的总线接口连接至一 POWERLINK工业以太网总线，该POWERLINK工业以太网总线的一端连接至一上位机。每个组件中，以太网通讯设备和驱动设备通信连接，驱动设备用于通过以太网通讯设备接收该上位机的指令、并向该电机发送驱动指令。
[0007]其中，该驱动指令对应于该驱动设备接收到的该上位机的指令。该POWERLINK工业以太网总线是现有的一种建立在标准以太网介质上的总线，其遵循OSI模型(即开放式通信系统互联参考模型)，规定了 OSI模型中的物理层、数据链路层和应用层。其中，物理层采用标准的以太网，数据链路层规定了两种通信机制，即基于请求/应答模式和基于定时主动上报模式。[0008]与其它的实时总线必须基于ASIC芯片不同，该POWERLINK工业以太网总线可基于通用的芯片来实现。ASIC芯片是指为专门目的而设计的集成电路，是指应特定用户要求和特定电子系统的需要而设计、制造的集成电路，而通用的芯片则包括了 ARM公司的芯片产品、FPGA (现场可编程门阵列)芯片、多协议芯片如Hilscher公司的Net X芯片、龙芯等。
[0009]该POWERLINK工业以太网总线包括可编程逻辑器件或定制/半定制芯片上的POWERLINK通讯协议主从站内核。其中该上位机是主站节点，包括以太网通讯设备的各个组件是从站节点。该上位机通过该POWERLINK工业以太网总线发送控制命令给各个从站，从站通过总线实时响应控制命令，并返回反馈信号至该上位机。
[0010]较佳地，每个以太网通讯设备包括一 FPGA芯片、一网络芯片和一网络接口，该FPGA芯片与该网络芯片通信，该网络芯片通过该网络接口连接至该POWERLINK工业以太网总线。
[0011]也就是说，在硬件上，每个以太网通讯设备只用一块通用的FPGA就可以实现。相较而言，FPGA相比于其他芯片能够达到更好的实时性能，例如ALTERA公司或XILINX公司生产的通用FPGA芯片都可适用。一般来说，采用FPGA可以达到200微秒的系统刷新能力。
[0012]较佳地，该网络芯片和该网络接口经由一网络变压器连接。
[0013]较佳地，该网络芯片为DP83640TVV芯片，该FPGA芯片和该DP83640TVV芯片通过MII接口通信，该网络接口为RJ45网络接口。
[0014]其中，MII接口即介质无关接口，或称为媒体独立接口。它包括一个数据接口，以及一个媒体介入控制层和物理层之间的管理接口。数据接口包括分别用于发送器和接收器的两条独立信道。每条信道都有自己的数据、时钟和控制信号。MII数据接口总共需要16个信号。管理接口是个双信号接口:一个是时钟信号，另一个是数据信号。通过管理接口，上层能监视和控制物理层。RJ45网络接口为用于数据传输的接口，类似于常规的网卡接口。DP83640TVV为一种芯片型号，该DP83640TVV芯片可以采用深圳市宇创芯科技有限公司或深圳市安思美科技有限公司生产的该型号的芯片产品。
[0015]较佳地，该驱动设备包括一嵌入式芯片和标准JTAG电路。JTAG为一种国际标准测试协议，标准JTAG电路即符合JTAG标准协议的电路。
[0016]较佳地，该嵌入式芯片为DSP芯片或ARM芯片。其中，DSP芯片为戴尔服务提供商提供的芯片，ARM芯片为ARM公司的芯片产品。
[0017]较佳地，该嵌入式芯片包括闭环控制设备、电机数据接口和AD采集接口，该电机数据接口用于采集电机的运行数据，该AD采集接口用于获取关节零位及机械限位，该闭环控制设备用于从该电机数据接口接收该运行数据、并闭环控制该电机运行。
[0018]其中该AD采集接口为模数采集接口，关节零位即组件的预设初始位置。闭环控制设备控制电机的运行采用PID算法，PID算法是按偏差的比例、积分和微分进行控制的一种算法，其依据该运行数据来实现对该电机运行的闭环控制。机械结构上由于不同关节其机械到达位置有所不同，因此在机械寻零及限位上要做相关检测。关节零位即组件预设初始位置(Home点)，机械限位即组件预设限位点(Limit点)。在机械臂内部设有一用于机械限位的金属环，在金属环两端分别安装两个高灵敏度的金属传感器，当检测到Home点时，通过Home点金属传感器，反馈给AD采集模块一高电平信号，即机械位置已到达关节零位；当检测到Limit点时,通过Limit点金属传感器,反馈给AD采集模块一高电平信号。在未设有金属环的区域，金属传感器均为低电平信号。通过这种设置可以实现机械上的限位检测。
[0019]嵌入式芯片以Ims的周期实时采集电机编码器数据，并计算当前运动速度，与设置的速度相减得到速度偏差。然后分别求取偏差量的P (比例)、1 (积分)、D (微分)值，进行累加，计算出最终的PWM值(脉冲宽度调制值)输出给电机。由于本实用新型中通讯实时性的改进，PID闭环控制算法也可以放在主控端，主控设备通过POWERLINK总线实时获取组件的速度偏差量，运用PID算法(或者人工神经网络、模糊控制等控制算法)算出PWM值，再通过POWERLINK总线发送给组件，并输出给电机。在控制方式上，仍采用上述控制方式，由下位机嵌入式系统管理实现电机的PID控制以及AD数据的采集、通讯。而上位机采用高性能的工控机，实现对手臂运动学和动力学解算分析，将计算好的每个关节控制信息通过以太网发送至每个关节，实现对手臂的运动规划。
[0020]较佳地，每个组件还包括一电源模块，用于分别为驱动设备、以太网通讯设备和电机提供不同的输入电压和参考电压。
[0021]本实用新型还提供了一种机器人系统，其特点在于，包括了至少一个上述的模块化机械臂、一上位机和一 POWERLINK工业以太网总线，各个以太网通讯设备均通过该POWERLINK工业以太网总线连接至该上位机，各个驱动设备均用于通过以太网通讯设备接收该上位机的指令、并驱动组件运动。
[0022]在符合本领域常识的基础上，上述各优选条件，可任意组合，即得本实用新型各较佳实例。
[0023]本实用新型的积极进步效果在于:
[0024]本实用新型的模块化机械臂及机器人系统，能够通过一上位机实时、同步地控制机械臂中的多个组件，使得机械臂的各个组件同步协同工作，从而能够实现机械臂精确的实时动作控制，同时易于和因特网互联从而便于信息的远程共享，且适合引进至高校试验教学中，用以对机械臂机器人系统的研究。
【专利附图】
【附图说明】
[0025]图1为本实用新型一较佳实施例的模块化机械臂的示意图。
【具体实施方式】
[0026]下面结合附图给出本实用新型的较佳实施例，以详细说明本实用新型的技术方案，但并不因此将本实用新型限制在所述的实施例范围之中。
[0027]参考图1所示，本实用新型一较佳实施例的一种模块化机械臂包括3个组件2，该3个组件2相互固定连接或活动连接，每个组件2包括总线接口 21、驱动设备22、以太网通讯设备23和用于控制组件2运动的电机24。每个以太网通讯设备23经由相应的总线接口21连接至一 POWERLINK工业以太网总线，该POWERLINK工业以太网总线的一端连接至一上位机I。每个组件2中，以太网通讯设备23和驱动设备22通信连接，驱动设备22用于通过以太网通讯设备23接收该上位机I的指令、并向该电机24发送驱动指令。本领域技术人员应当理解图1中仅示意性地绘出一个组件2的结构，其他组件2的结构也与之相同。
[0028]该上位机I作为主站节点，包括以太网通讯设备23的各个组件2是从站节点。该上位机I通过该POWERLINK工业以太网总线发送控制命令给各个从站，从站通过总线实时响应控制命令，并返回反馈信号至该上位机I。
[0029]其中，每个以太网通讯设备23包括一 FPGA芯片、一网络芯片和一网络接口，该FPGA芯片内部嵌套标准的POWERLINK总线用协议、并与该网络芯片通信，该网络芯片通过该网络接口连接至该POWERLINK工业以太网总线。具体地，本实施例中该FPGA芯片采用ALTERA公司生产的通用FPGA芯片。
[0030]并且，该网络芯片和该网络接口经由一网络变压器连接。该网络芯片为DP83640TVV型号的芯片，该FPGA芯片和该DP83640TVV芯片通过MII接口通信，该网络接口为RJ45网络接口。该驱动设备22包括一嵌入式芯片和标准JTAG电路。该嵌入式芯片采用ARM芯片，为ARM公司的芯片产品。该嵌入式芯片包括闭环控制设备、电机24数据接口和AD采集接口，该电机24数据接口用于采集电机24的运行数据，该AD采集接口用于获取关节零位及机械限位，该闭环控制设备用于根据该运行数据通过PID算法闭环控制电机24的运行。
[0031]FPGA芯片内部嵌套标准的POWERLINK协议与网络芯片DP83640TVV通过MII接口实现通信，两路集成物理层的网络芯片DP83640TVV和FPGA芯片利用同步时钟和内部协议将上位机I和下位机的信息同步传输到其它组件2，就能通过以太网可以实现大数据量的同步传输，为提高整个系统的实时性创造了条件。
[0032]其中该AD采集接口为模数采集接口，关节零位即组件2的预设初始位置，机械限位即由组件2的机械结构所决定的组件2在各个方向上的最大位移或最大转动角度。PID算法即按偏差的比例、积分和微分进行控制的一种算法。在机械臂内部设有一用于机械限位的装置，举例来说这一装置可以是两端分别安装金属传感器的金属环，根据其传感数据不同反馈给AD采集模块不同的高电平信号、或者低电平信号。
[0033]其中，每个组件2还包括一电源模块，用于分别为驱动设备22、以太网通讯设备23和电机24提供不同的输入电压和参考电压。本实施例中该电源模块提供5V、3.3V、2.5V和
1.2V的电压，分别适应组件2中的不同元件的工作电压的需要。
[0034]本实施例的机器人系统包括了 6个本实施例的模块化机械臂、一上位机I和一POWERLINK工业以太网总线，各个以太网通讯设备23均通过该POWERLINK工业以太网总线连接至该上位机1，各个驱动设备22均用于通过以太网通讯设备23接收该上位机I的指令、并根据接收到的指令驱动组件2运动。
[0035]虽然以上描述了本实用新型的【具体实施方式】，但是本领域的技术人员应当理解，这些仅是举例说明，本实用新型的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本实用新型的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本实用新型的保护范围。
【权利要求】
1.一种模块化机械臂，其特征在于，包括若干组件，该若干组件相互固定连接或活动连接，每个组件包括总线接口、驱动设备、以太网通讯设备和用于控制组件运动的电机； 每个以太网通讯设备经由相应的总线接口连接至一 POWERLINK工业以太网总线，该POffERLINK工业以太网总线的一端连接至一上位机； 每个组件中，以太网通讯设备和驱动设备通信连接，驱动设备用于通过以太网通讯设备接收该上位机的指令、并向该电机发送驱动指令。
2.如权利要求1所述的模块化机械臂，其特征在于，每个以太网通讯设备包括一FPGA芯片、一网络芯片和一网络接口，该FPGA芯片与该网络芯片通信，该网络芯片通过该网络接口连接至该POWERLINK工业以太网总线。
3.如权利要求2所述的模块化机械臂，其特征在于，该网络芯片和该网络接口经由一网络变压器连接。
4.如权利要求2所述的模块化机械臂，其特征在于，该网络芯片为DP83640TVV芯片，该FPGA芯片和该DP83640TVV芯片通过MII接口通信，该网络接口为RJ45网络接口。
5.如权利要求1所述的模块化机械臂，其特征在于，该驱动设备包括一嵌入式芯片和标准JTAG电路。
6.如权利要求5所述的模块化机械臂，其特征在于，该嵌入式芯片为DSP芯片或ARM芯片。
7.如权利要求5所述的模块化机械臂，其特征在于，该嵌入式芯片包括闭环控制设备、电机数据接口和AD采集接口，该电机数据接口用于采集电机的运行数据，该AD采集接口用于获取关节零位及机械限位，该闭环控制设备用于从该电机数据接口接收该运行数据、并闭环控制该电机运行。
8.如权利要求5所述的模块化机械臂，其特征在于，每个组件还包括一电源模块，用于分别为驱动设备、以太网通讯设备和电机提供不同的输入电压和参考电压。
9.一种机器人系统，其特征在于，包括了至少一个如权利要求1-8中任意一项所述的模块化机械臂、一上位机和一 POWERLINK工业以太网总线，各个以太网通讯设备均通过该POWERLINK工业以太网总线连接至该上位机，各个驱动设备均用于通过以太网通讯设备接收该上位机的指令、并驱动组件运动。
【文档编号】B25J19/00GK203636815SQ201320708916
【公开日】2014年6月11日 申请日期:2013年11月11日 优先权日:2013年11月11日
【发明者】庞作伟, 蔡咸健, 龚成 申请人:上海未来伙伴机器人有限公司