基于EtherCAT总线的机器人柔顺控制系统和方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种基于EtherCAT总线通信技术的模块化机器人柔顺控制系统和方 法，可应用于模块化机器人的柔顺控制。
【背景技术】
[0002] 模块化机器人的研究一直是机器人领域中的重要研究内容。采用模块化的设计方 法可以提高机器人系统的可重用性、可扩展性并且便于维修，特别是随着机器人多功能性、 灵活性和容错性研究的发展，机器人关节的模块化成为核心技术。然而机器人模块化关节 内部空间十分有限是不可避免的问题，而关节内部需要集成大量机电一体化设备，这种情 况下就需要的线缆数量多，干扰现象经常出现。采用EtherCAT总线协议可以有效的解决该 类问题。EtherCAT总线协议是一个开放的工业实时以太网络协议，是当前最具有实用化意 义并适用于运动控制的开放式实时工业以太网高速串行总线技术。
[0003] 随着机器人应用领域的不断扩展和对机器人智能化要求的不断提高，以往以位置 控制为主的机器人控制方法已不能满足某些复杂环境的应用要求，接触力实时反馈和柔顺 控制技术已成为机器人在非结构化环境中实施接触作业不可或缺的部分，即使在己知的环 境中，接触力实时反馈与柔顺控制可明显提高机器人系统的智能化程度和鲁棒性，此外，当 机器人工作在有人场合时为保护人员安全，机器人控制系统必须具备力实时反馈和柔顺控 制功能。
[0004] 柔顺控制主要分为两种：主动式和被动式。机器人通过处理力反馈信息并采用一 定控制策略去主动控制作用力的方式称为主动柔顺控制。相反机器人不通过了力反馈而只 凭借机械等柔顺机构，使其自然顺从接触环境的方式称为被动柔顺控制。阻抗控制便是主 动柔顺控制的一种。
【发明内容】
[0005] 本发明涉及一种基于EtherCAT总线通信技术的模块化机器人的柔顺控制方法， 具体是一种采用EtherCAT总线协议并且采用阻抗控制的模块化机器人控制方法。
[0006] 本发明采用的技术方案如下：基于EtherCAT总线的机器人柔顺控制系统，包括主 站、机器人驱动器、电机和转矩传感器；主站通过EtherCAT总线与机器人驱动器连接，机器 人驱动器连有电机和转矩传感器；
[0007] 所述主站用于接收机器人驱动器的位置、转矩信息进行柔顺控制，并输出控制信 息至机器人驱动器；
[0008] 所述机器人驱动器用于将控制信息转换为电机的驱动命令控制电机的转矩和位 置，并将电机关节角转换为位置信息、将转矩的模拟量转换为数字量反馈至主站。
[0009] 所述机器人驱动器包括控制器以及与其连接的电源、状态显示电路、RS232通信电 路；其特征在于还包括与控制器连接的电机驱动单元、霍尔编码器电路、码盘电路、抱闸电 路、转矩传感器电桥电路、EtherCAT通信电路、I/O电路；
[0010] 所述电机驱动单元与机器人关节的电机连接；霍尔编码器电路与电机的霍尔编码 器连接；所述码盘电路与机器人关节的码盘连接；所述抱闸电路与机器人关节内的电磁抱 闸连接；所述转矩传感器电桥电路与机器人关节的转矩传感器连接；所述EtherCAT通信电 路与上位机连接；所述I/O电路与机器人关节的开关连接。
[0011] 所述EtherCAT通信电路采用ASIC数据链路层芯片。
[0012] 所述转矩传感器电桥电路采用放大器，放大器的反向输入端、正向输入端分别与 电源负、正极连接且分别通过电容接地，正向输入端通过电阻与正电压、地连接，且与反向 输入端之间连有电容；两个增益电阻端之间通过可调电阻相连接，正负电压参考端分别连 有正电压、负电压且分别通过电容接地；放大器的输出端连有顺序串联的电阻和电容，电容 两端并联有二极管，二极管正端接地，负端通过另一个二极管与电源连接。
[0013] 所述电源输出端通过二极管与电源转换芯片的输入端连接，电源转换芯片的输入 端并联电容后经电阻接地；电源转换芯片的输出端连有正电压、与参考端之间连有并联的 二极管和电阻，还通过并联的两个电容接地，参考端与地之间连有并联的电阻和电容。
[0014] 所述正电压输入至电源反相芯片的电源输入端，电源反相芯片的输出端与模拟地 之间连有并联的电容，输出端连有负电压、与地之间连有并联的电容。
[0015] 基于EtherCAT总线的机器人柔顺控制方法，包括以下步骤：
[0016] 机器人驱动器的控制器初始化EtherCAT通信电路参数、通道和同步方式；
[0017] 主站将机器人驱动器采集的电机周期性数据与设定的期望值进行叠加并进行阻 抗控制得到参考力矩值，与设定的参考位置值共同输出至机器人驱动器；
[0018] 机器人驱动器的控制器读EtherCAT通信电路内事件请求寄存器数据；如果接收 到主站传来的周期性数据则写入到控制器，将其作为目标值控制电机运转；同时发送电机 的周期性数据通过EtherCAT通信电路转换为数字量反馈至主站；
[0019] 当机器人驱动器的控制器接收来自EtherCAT通信电路的中断并处理，进入应用 层状态机，返回控制器读EtherCAT通信电路内事件请求寄存器数据步骤。
[0020] 所述周期性数据包括电机的位置和转矩数据。
[0021] 所述应用层状态机包括：
[0022] 初始状态为在电源不可接通状态，当接收到主站的控制命令则转入准备好接通电 源状态，再转入电源接通状态，然后通过可操作状态控制电机工作；
[0023] 当电机处于急停状态时，则转入电源不可接通状态或者通过可操作状态控制电机 停止；
[0024] 当电机处于出错反映状态时，则转入出错状态，返回电源不可接通状态。
[0025] 所述主站将机器人驱动器采集的电机周期性数据与设定的期望值进行叠加并进 行阻抗控制包括一下步骤：
[0026] 操作者操纵手柄，接收经机器人驱动器将转矩数据转换的力信息、并发出期望的 位置指令和期望力；
[0027] 然后将机器人的期望位置及机器人驱动器反馈的实际位置做差、并通过理想阻抗 模型得到计算力，将计算力与期望力叠加后作为参考力，再由雅可比矩阵解得出参考关节 力矩，将参考关节力矩发给机器人驱动器，实现对模块化机器人的阻抗控制。
[0028] 本发明具有以下有益效果及优点：
[0029] 1.本发明将柔顺控制技术应用在模块化机器人中，模块化机器人驱动器只用一个 集成关节驱动器实现所有模块化关节的控制和高速通信，可以提高关节行动的可靠性、实 时性，与主控制器的传输速率及传输距离，减少关节组成单元，节约总体成本提高了模块化 机器人的柔顺性使其可以完成接触式作业。
[0030] 2.本发明采用阻抗控制方法可以更有效的处理末端位移与接触力之间的关系。
[0031] 3.本发明利用EtherCAT技术的优异性能，建立超高速控制回路，而整个机械臂只 需一条供电电缆和一条总线电缆。
[0032] 4.本发明基于EtherCAT协议的CoE功能编写应用层程序，实现符合CiA402行规 的伺服和运动控制功能。
[0033] 5.本发明提供一种实时性强、可靠性高、成本低、体积小的基于EtherCAT总线的 模块化机器人柔顺控制方法，适应了现代机器人在执行接触作业中的要求。且该发明完全 遵守EtherCAT协议，可以与其他EtherCAT驱动器混合使用，从而提高了该方法的适用范 围。
[0034] 6.本发明可由内置电桥处理电路，连接扭矩传感器，通过A/D转换，测量关节扭 矩，并发送给主控制器，实现关节及整臂的精确力控制。
[0035] 7.本发明利用EtherCAT技术的优异性能，实现每秒千次刷新率和多个电机的位 置/速度/电流的闭环控制，而整个机械臂只需一条供电电缆和一条总线电缆。
[0036] 8.本发明基于EtherCAT协议的CoE功能编写应用层程序，实现符合CiA402行规 的伺服和运动控制功能。
[0037] 9.本发明根据CiA402标准建立完整的伺服设备管理状态机，实现伺服设备的状 态切换、使能操作、错误状态处理等操作。
【附图说明】
[0038] 图1为本发明的模块图；
[0039] 图2为阻抗控制方案图；
[0040] 图3为本发明的功能单元构成框图；
[0041] 图4为本发明的EtherCAT通信电路框图；
[0042] 图5a为转矩传感器电桥电路图一；
[0043] 图5b为转矩传感器电桥电路图二；
[0044] 图5c为转矩传感器电桥电路图三；
[0045] 图6为控制器软件流程图；
[0046] 图7为驱动设备管理状态机原理图。
【具体实施方式】
[0047] 下面结合附图及实施实例对本发明做进一步的详细说明。
[0048] 本发明涉及一种基于EtherCAT总线通信技术的模块化机器人的柔顺控制方法， 其中包括基于EtherCAT总线协议的控制主站、基于EtherCAT总线协议的从站、力矩传感 器及电机。利用EtherCAT总线通讯技术作为通讯方式，实现主站、从站、力矩传感器、电机 之间的沟通。通过机器人阻抗控制的方法，将机器人末端力/位置控制等效为"弹簧-质 量-阻尼"模型，建立机器人末端位移与接触力的关系，然后通过