一种用于六自由度机器人的控制方法
【专利摘要】本发明实施例公开了一种用于六自由度机器人的控制方法，涉及自动控制技术领域，能够在提高工业机器人控制效率的基础上，增强工业机器人的计算能力。本发明包括：至少六个节点，每一个节点包括伺服器，和加载伺服器上的DSP控制板卡；各节点间通过总线进行物理连接，总线采用Ethernet总线并形成微型局域网进行信息传输。控制系统中的任一节点启动后，检测是否为群首节点G；若是则开始令牌初始化过程，若不是则等待令牌初始化指令到达。当令牌初始化完成后，检测当前是否存在待发送数据需要发送；若是，则当令牌到达时发送待发送数据；若否则发送令牌信息，并循环令牌初始化完成后的过程，直至控制系统关闭。本发明适用于六自由度机器人的控制系统。
【专利说明】
一种用于六自由度机器人的控制方法
技术领域
[0001] 本发明涉及自动控制技术领域，尤其涉及一种用于六自由度机器人的控制方法。
【背景技术】
[0002] 由于DSP(运动控制板卡）的经济性较高，且可靠性能够满足大部分的生产环境的 要求，因此目前被广泛使用的工业机器人普遍采用PC机+DSP运动控制板卡的方案。另一方 面，由于DSP的设计性能的限制，使得工业机器人的控制系统的控制性能受限于DSP性能，在 实际应用中，可控制的轴数大都限制在6轴左右。
[0003] 而近年来，随着PC机技术的发展，基于PC机总线设计的控制系统已经发展到可以 控制21个轴甚至于27个轴。但是由于DSP板卡的性能并没有较大的改进，依然采用PC机+DSP 板卡的主从结构设计，会导致PC机负载剧增;并且由于PC机+DSP板卡的主从结构设计中，通 讯采用线束方式，当节点增多时线束数量也会随之剧增，极大的影响了控制性能，并增加了 维护成本;还由于PC机+DSP板卡的主从结构设计中，数据存储于PC机，当PC机发生故障时往 往会导致整个控制系统功能丧失，且日常维护时若涉及到PC机停机，则整个控制系统都必 须停机，进而导致整个生产线停转，成本十分高昂；当节点增多时控制系统中流转的信息也 会剧增，从而导致信息存储混乱，从而造成系统错误。这些问题都导致了现有的PC机+DSP运 动控制板卡的方案难以在提高工业机器人控制效率的基础上，有效控制主机的负载压力， 工业机器人的计算能力难有进一步的改善空间。
【发明内容】
[0004] 本发明的实施例提供一种用于六自由度机器人的控制方法，能够提高工业机器人 控制效率的基础上，减轻主机的负载压力，增强工业机器人的计算能力。
[0005] 为达到上述目的，本发明的实施例采用如下技术方案：
[0006] 用于一种控制系统的方法，所述控制系统包括:至少六个节点，每一个节点包括伺 服器，和加载伺服器上的DSP控制板卡；各节点间通过总线进行物理连接，所述总线采用 Ethernet总线并形成微型局域网进行信息传输。
[0007] 所述方法包括:所述控制系统中的任一节点启动后，检测是否为群首节点G;若是 则开始令牌初始化过程，若不是则等待令牌初始化指令到达。
[0008] 当令牌初始化完成后，检测当前是否存在待发送数据需要发送;若是，则当令牌到 达时发送所述待发送数据;若否则发送令牌信息，并循环令牌初始化完成后的过程，直至所 述控制系统关闭。
[0009] 在每一个节点中还包括共享存储区（GS)，其中，各节点中的共享存储区在逻辑上 拥有统一地址空间，各节点中的共享存储区在物理上共占用至少六块地址空间，所述至少 六块地址空间分布于所述控制系统中的至少六个节点中。通过所述Ethernet总线广播全局 性数据，并由各节点将所述全局性数据存储至所述共享存储区；通过所述Ethernet总线对 全网广播对于共享存储区的修改数据的修改信息，其中，各节点对共享存储区的访问采用 P-V互锁方式；
[0010]在每一个节点中还包括私有存储区（PS)，其中，各节点中的私有存储区在逻辑上 拥有互不相同的地址空间，各节点中的私有存储区在物理上共占用至少六块地址空间，所 述至少六块地址空间分布于所述控制系统中的至少六个节点中。一个节点存储、维护和修 改这一个节点的私有存储区中的数据;并通过所述Ethernet总线访问另一个节点中的私有 存储区中的数据。
[0011]所述令牌初始化完成后的过程，还包括:在每个检测周期，检测其中一个节点是否 收到所述令牌信息，其中，所述检测周期大于一个数据帧在所述令牌环网络上流转一周的 时间；若所述检测周期超期时所述其中一个节点没有收到所述令牌信息，则竞争产生新令 牌，并将新令牌在所述令牌环网络上流转，其它节点根据所述新令牌的生成号判定继续竞 争或退出，且产生新令牌的节点首先获得信息发送权;若所述其中一个节点上存在比当前 令牌更新的生成号，则丢弃原令牌，当所述令牌信息传回所述其中一个节点时，更改令牌号 为所述更新的生成号。
[0012] 本发明实施例提供的用于六自由度机器人的控制方法，采用多主平行结构设计， 由伺服单元与控制器构成"节点"，各伺服单元带有独立的控制器，从而解决了PC机+DSP板 卡的主从结构设计中PC机负载剧增的问题，以及解决了节点增多时线束数量也会随之剧增 的问题;采用总线进行节点（即各伺服单元的控制器）间通信，且节点间通信采用令牌环逻 辑进行通信抉择的令牌环逻辑设计，从而解决了节点增多时控制系统中流转的信息也会剧 增，从而导致信息存储混乱的问题;在多主平行结构基础上，信息流分布上采用全局一所有 者设计。具体在信息流分布中，采用全局-所有者结构进行信息分类;其中，按照信息分类情 况，全局的信息在公共存储区进行共享存储;按照信息分类情况，所有者信息在各节点中进 行私有存储，从而解决了PC机+DSP板卡的主从结构设计中，数据存储于PC机，当PC机发生故 障时往往会导致整个控制系统功能丧失的问题。与现有技术相比较，本发明基于现有总线 技术和令牌环网技术，采用分布式通信对六自由度工业机器人进行六轴控制，建立了完整 的令牌访问控制策略、全局-所有者资源控制策略。该方法具有实现简单、应用方便，且与其 他总线兼容，便于拓展的特点。在能够提高工业机器人控制效率的基础上，减轻主机的负载 压力，增强工业机器人的计算能力。
【附图说明】
[0013] 为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的 附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领 域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附 图。
[0014] 图1是本实施例提供的六自由度机器人组件分布式调度的物理结构示意图；
[0015] 图2是本实施例提供的令牌环通信抉择方案的实例示意图；
[0016] 图3是本实施例提供的令牌帧结构示意图；
[0017] 图4是本实施例提供的通讯抉择流程图；
[0018] 图5是本实施例提供的组件共享存储流程图；
[0019] 图6是本实施例提供的组件私有数据的存储流程图。
【具体实施方式】
[0020] 为使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施方 式对本发明作进一步详细描述。下文中将详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示 例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类 似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能 解释为对本发明的限制。本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形 式"一"、"一个"、"所述"和"该"也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书 中使用的措辞"包括"是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或节点，但是并不排除 存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、节点和/或它们的组。应该理解， 当我们称元件被"连接"或"耦接"到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者 也可以存在中间元件。此外，这里使用的"连接"或"耦接"可以包括无线连接或耦接。这里使 用的措辞"和/或"包括一个或更多个相关联的列出项的任一单元和全部组合。本技术领域 技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有 与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用 字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且 除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
[0021] 本发明实施例提供一种用于六自由度机器人的控制方法，所述方法用于一种如图 1所示的控制系统，所述控制系统包括:至少六个节点，每一个节点包括伺服器，和加载伺服 器上的DSP控制板卡;各节点间通过总线进行物理连接，所述总线采用Ethernet总线并形成 微型局域网进行信息传输。其中，如图1所示的控制系统在采用多主平行结构的基础上，使 用总线进行节点间通信，以便使六自由度机器人实现负载均衡的分布式控制。
[0022]所述方法包括：
[0023]所述控制系统中的任一节点启动后，检测是否为群首节点G;若是则开始令牌初始 化过程，若不是则等待令牌初始化指令到达。
[0024]当令牌初始化完成后，检测当前是否存在待发送数据需要发送;若是，则当令牌到 达时发送所述待发送数据;若否则发送令牌信息，并循环令牌初始化完成后的过程，直至所 述控制系统关闭。
[0025]例如：如图4所示的，在采用本实施例中所述Ethernet总线进行总线通信后，可以 采用令牌环逻辑进行通信抉择的过程，其中包括:系统中任一节电启动后，首先按照是否是 节点G进行令牌初始化，若是节点G则起始令牌初始化过程，若不是节点G则等待令牌初始化 指令到达。然后等待令牌初始化完成。在令牌初始化完成后，进入令牌链路维护，在存在数 据要发送的情况下，当令牌到达时发送数据，否则就仅发送令牌信息，然后再进行令牌链路 维护阶段，如此循环，直至结束网络链路。
[0026]在本实施例中，在每一个节点中还包括共享存储区(GS)，其中，各节点中的共享存 储区在逻辑上拥有统一地址空间，各节点中的共享存储区在物理上共占用至少六块地址空 间，所述至少六块地址空间分布于所述控制系统中的至少六个节点中。具体的，通过所述 Ethernet总线广播全局性数据，并由各节点将所述全局性数据存储至所述共享存储区。通 过所述Ethernet总线对全网广播对于共享存储区的修改数据的修改信息。
[0027] 本实施例中，全局信息进行共享存储的方式包括:在如图1所示的各节点中开辟GS (Global Storage，共享存储区），全局性数据由Ethernet总线进行广播发送，各节点在共享 存储区对全局性数据进行存储。在逻辑上共享存储区拥有统一地址空间，在物理上共享存 储区共占用6块地址空间，分布于6个节点中。其中，各节点对共享存储区的访问采用P-V互 锁方式，对共享存储区数据的修改将通过总线对全网广播。
[0028] 进一步的，如图5所示，在各节点中进行共享存储的流程包括:在节点中以Flash进 行数据存储。若节点中已经存在全局存储区，则直接使用，若不存在，则开辟全局存储区 Global_Data。然后监视总线数据，若在总线上有全局数据写入，则起始P-V操作，对节点中 的全局数据进行改写。若本节点对全局数据进行修改，则在P-V操作后，将修改后的数据送 到总线上。
[0029] 在本实施例中，在每一个节点中还包括私有存储区(PS)，其中，各节点中的私有存 储区在逻辑上拥有互不相同的地址空间，各节点中的私有存储区在物理上共占用至少六块 地址空间，所述至少六块地址空间分布于所述控制系统中的至少六个节点中。具体的，一个 节点存储、维护和修改这一个节点的私有存储区中的数据。并通过所述Etherne t总线访问 另一个节点中的私有存储区中的数据。
[0030] 在本实施例中，进行私有存储的方式包括：在如图1所示的各节点中开辟P S (Private Storage，私有存储区），私有数据由各节点进行存储、维护和修改，需要进行信息 交互时，由请求方发起通信，所有者进行响应。进一步的，如图6所示，在各节点中进行私有 数据存储的过程包括:在节点中以Flash进行数据存储。若节点中已经存在所有者存储区， 则直接使用，若不存在，则开辟所有者存储区Private_Data。然后监视总线数据，若在总线 上出现本节点的数据操作，则判断其权限。若其没有对本节点所有者数据进行操作的权限， 则拒绝，然后返回总线数据监视。若其有对本节点所有者数据进行操作的权限，则与全局数 据一样进行相应的读写和修改操作。
[0031 ]在本实施例中，所述令牌初始化过程包括：
[0032]由群首节点G生成初始化令牌消息，并随机发送给G的邻居节点I，并向I告知G为群 首节点，同时标记I为G的其后继节点。I收到所述初始化令牌消息后，标记I的其后继节点， 在每一个节点上重复标记其后继节点的过程，直至G收到G的邻居节点K发送的G为K的后继 节点消息后，确定令牌环网络建立完毕，所述令牌环网络的网络地址为G的MC地址。
[0033]例如:如图2所示，在6个节点间定义令牌优先级次序。然后令牌在各节点间依次传 递。其中，令牌初始化过程即令牌环网络形成过程。由实现定义的群首节点G负责生成一个 初始化令牌消息，随机发送给邻居节点I，告知G为首站点，同时标记I为其后继节点，I收到 消息后，采用相同方式进行标记，当G收到其邻居节点K发送的G为K的后继节点消息后，令牌 环网络形成。该令牌环的网络地址即是G的MAC地址。
[0034]所述令牌初始化完成后的过程，包括：
[0035] I在发送数据时首先将数据帧packetl的令牌位置为零，并发送数据帧。若一个节 点存在待发送数据需要发送，则在所述一个节点转发所述数据帧PacketI时，将所述数据帧 packetl的令牌位置为这一个节点的标号，当所述数据帧packetl回到I时，将发送权转交至 这一个节点。
[0036]例如：基于令牌的数据传送过程包括:节点I在发送数据时首先将数据帧packetl 的令牌位置零，将数据帧发送出去。如果节点J有数据要发送，则在其转发packetl时，将 packetl的令牌位置为J，当packetl回到I节点时，节点I知道J有数据发送，则将发送权转交 给J。如果令牌为空，则说明此时没有其他节点要发送数据，I可以继续进行数据发送。
[0037] 所述令牌初始化完成后的过程，还包括：
[0038] 在每个检测周期，检测其中一个节点是否收到所述令牌信息，其中，所述检测周期 大于一个数据帧在所述令牌环网络上流转一周的时间。若所述检测周期超期时所述其中一 个节点没有收到所述令牌信息，则竞争产生新令牌，并将新令牌在所述令牌环网络上流转， 其它节点根据所述新令牌的生成号判定继续竞争或退出，且产生新令牌的节点首先获得信 息发送权。若所述其中一个节点上存在比当前令牌更新的生成号，则丢弃原令牌，当所述令 牌信息传回所述其中一个节点时，更改令牌号为所述更新的生成号。
[0039] 具体的，由于网络可能出现节点缺失或干扰的情况，可能导致令牌的丢失或多个 令牌出现，因此还需要对令牌进行维护。其中，等待确认的时间(检测周期)必须大于一个数 据帧在环上行走一周的时间TsencU如果令牌没有丢失，该节点必然会第二次收到，从而避 免产生新的令牌。若超期没有收到，则竞争产生新令牌。新令牌在环上运行时，其他节点可 以根据令牌的生成号判断继续竞争还是退出。如果某一节点有一个比当前令牌更新的生成 号，则所述某一节点声明为它的令牌号，丢弃原令牌，当令牌转回该节点时，发生令牌号变 化，便知道有一个更新的令牌，从而退出竞争。令牌绕环一周后，新的令牌产生。产生新令牌 的节点首先获得信息发送权。
[0040] 在本实施例中，在所述令牌信息中令牌的帧结构包括:帧控制字段、环地址、目的 地址、源地址、序列号、生成序列号、下一个获得令牌的节点地址、待发送的数据、接收数据 响应位、循环冗余纠错码。其中，所述帧控制字段用于表示定义帧类型，所述环地址用于表 明令牌所属的令牌环网络，当令牌每经过一个节点所述序列号就累加1且返回到令牌环网 络的发起站时清零，所述生成序列号初始值为〇,令牌在令牌环网络循环一周，则生成序列 号累加1。
[0041 ]例如：如图3所示，为本实施例中令牌帧结构一种可能的实例，其中各字段定义如 下：
[0042] FC:帧控制字段(Frame Control)。定义帧类型，如代表一般令牌，特殊令牌，数据 帧，设置前导，设置后继等。
[0043] RA:环地址(Ring Address)表明令牌属于哪个令牌环网络，以区别不同令牌环上 的令牌。
[0044] DA:目的地址(Destination Address)如果为令牌帧，则DA代表该节点地址，如果 帧为数据帧，则DA代表发送数据的目的地址。
[0045] SA:源地址（Source Address)。
[0046] Seq:序列号（Sequence Number)初始值为0,当令牌每经过一个节点，序列号就加 1，当返回到令牌环的发起站时，Seq就清零。
[0047] GenSeq:生成序列号(Generation Sequence)初始值为0，令牌循环一周，声称序列 号就加1。
[0048] NRA:下一个获得令牌的节点地址(Next Ring Address)。
[0049] Data:发送的数据，在数据帧中有效。
[0050] ACK:接收数据响应位，在数据帧中有效。
[0051] CRC:循环冗余纠错码，在数据帧中有效。
[0052] 其中，全局信息和所有者信息按照其关联度进行分类，在系统设计阶段进行全局 信息和所有者信息的定义。例如表1所示，本实施例中基于全局-所有者结构的分类方法进 行机器人控制系统分类的部分数据。
[0055] 表1
[0056] 本实施例可应用于六自由度工业机器人，也可用于相似的其他机器人，该方法与 物理层具体的实现型号并无直接联系，只要求驱动模块带有总线接口即可实现。可广泛应 用于各种机器人的系统设计中。
[0057] 本发明实施例提供的用于六自由度机器人的控制方法，采用多主平行结构设计， 由伺服单元与控制器构成"节点"，各伺服单元带有独立的控制器，从而解决了PC机+DSP板 卡的主从结构设计中PC机负载剧增的问题，以及解决了节点增多时线束数量也会随之剧增 的问题;采用总线进行节点（即各伺服单元的控制器）间通信，且节点间通信采用令牌环逻 辑进行通信抉择的令牌环逻辑设计，从而解决了节点增多时控制系统中流转的信息也会剧 增，从而导致信息存储混乱的问题;在多主平行结构基础上，信息流分布上采用全局一所有 者设计。具体在信息流分布中，采用全局-所有者结构进行信息分类;其中，按照信息分类情 况，全局的信息在公共存储区进行共享存储;按照信息分类情况，所有者信息在各节点中进 行私有存储，从而解决了PC机+DSP板卡的主从结构设计中，数据存储于PC机，当PC机发生故 障时往往会导致整个控制系统功能丧失的问题。与现有技术相比较，本发明基于现有总线 技术和令牌环网技术，采用分布式通信对六自由度工业机器人进行六轴控制，建立了完整 的令牌访问控制策略、全局-所有者资源控制策略。该方法具有实现简单、应用方便，且与其 他总线兼容，便于拓展的特点。在能够提高工业机器人控制效率的基础上，减轻主机的负载 压力，增强工业机器人的计算能力。
[0058] 本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部 分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于设备实 施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例 的部分说明即可。以上所述，仅为本发明的【具体实施方式】，但本发明的保护范围并不局限于 此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替 换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范 围为准。
【主权项】
1. 一种用于六自由度机器人的控制方法，其特征在于，所述方法用于一种控制系统，所 述控制系统包括:至少六个节点，每一个节点包括伺服器，和加载伺服器上的DSP控制板卡； 各节点间通过总线进行物理连接，所述总线采用Ethernet总线并形成微型局域网进行信息 传输； 所述方法包括： 所述控制系统中的任一节点启动后，检测是否为群首节点G; 若是则开始令牌初始化过程，若不是则等待令牌初始化指令到达； 当令牌初始化完成后，检测当前是否存在待发送数据需要发送； 若是，则当令牌到达时发送所述待发送数据;若否则发送令牌信息，并循环令牌初始化 完成后的过程，直至所述控制系统关闭。2. 根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，在每一个节点中还包括共享存储区 (GS)，其中，各节点中的共享存储区在逻辑上拥有统一地址空间，各节点中的共享存储区在 物理上共占用至少六块地址空间，所述至少六块地址空间分布于所述控制系统中的至少六 个节点中； 通过所述Ethernet总线广播全局性数据，并由各节点将所述全局性数据存储至所述共 享存储区； 通过所述Ethernet总线对全网广播对于共享存储区的修改数据的修改信息，其中，各 节点对共享存储区的访问采用P-V互锁方式。3. 根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，在每一个节点中还包括私有存储区 (PS)，其中，各节点中的私有存储区在逻辑上拥有互不相同的地址空间，各节点中的私有存 储区在物理上共占用至少六块地址空间，所述至少六块地址空间分布于所述控制系统中的 至少六个节点中； 一个节点存储、维护和修改这一个节点的私有存储区中的数据； 并通过所述Ethernet总线访问另一个节点中的私有存储区中的数据。4. 根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述令牌初始化过程包括： 由群首节点G生成初始化令牌消息，并随机发送给G的邻居节点I，并向I告知G为群首节 点，同时标记I为G的其后继节点； I收到所述初始化令牌消息后，标记I的其后继节点，在每一个节点上重复标记其后继 节点的过程，直至G收到G的邻居节点K发送的G为K的后继节点消息后，确定令牌环网络建立 完毕，所述令牌环网络的网络地址为G的MAC地址。5. 根据权利要求4所述的控制方法，其特征在于，所述令牌初始化完成后的过程，包括： I在发送数据时首先将数据帧packetl的令牌位置为零，并发送数据帧； 若一个节点存在待发送数据需要发送，则在所述一个节点转发所述数据帧packetl时， 将所述数据帧packetl的令牌位置为这一个节点的标号，当所述数据帧packetl回到I时，将 发送权转交至这一个节点。6. 根据权利要求4所述的控制方法，其特征在于，所述令牌初始化完成后的过程，还包 括： 在每个检测周期，检测其中一个节点是否收到所述令牌信息，其中，所述检测周期大于 一个数据帧在所述令牌环网络上流转一周的时间； 若所述检测周期超期时所述其中一个节点没有收到所述令牌信息，则竞争产生新令 牌，并将新令牌在所述令牌环网络上流转，其它节点根据所述新令牌的生成号判定继续竞 争或退出，且产生新令牌的节点首先获得信息发送权； 若所述其中一个节点上存在比当前令牌更新的生成号，则丢弃原令牌，当所述令牌信 息传回所述其中一个节点时，更改令牌号为所述更新的生成号。7.根据权利要求1-6中任意一项所述的控制方法，其特征在于，在所述令牌信息中令牌 的帧结构包括:帧控制字段、环地址、目的地址、源地址、序列号、生成序列号、下一个获得令 牌的节点地址、待发送的数据、接收数据响应位、循环冗余纠错码； 其中，所述帧控制字段用于表示定义帧类型，所述环地址用于表明令牌所属的令牌环 网络，当令牌每经过一个节点所述序列号就累加1且返回到令牌环网络的发起站时清零，所 述生成序列号初始值为0,令牌在令牌环网络循环一周，则生成序列号累加1。
【文档编号】B25J9/16GK106041929SQ201610473531
【公开日】2016年10月26日
【申请日】2016年6月24日
【发明人】孙斌
【申请人】南京工程学院