CN207924430U - 一种机器人控制器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供的一种机器人控制器，涉及机械自动化技术领域，该机器人控制器包括上位工控机和下位控制器，下位控制器包括双核处理器、FPGA处理器和外围控制模块，双核处理器的输入端与上位工控机电连接，双核处理器的输出端与FPGA处理器的输入端电连接，FPGA处理器的输出端与外围控制模块电连接；双核处理器为集成DSP核和ARM核的芯片。本实用新型既能并行处理多线程数据，且它对数据的处理速度很快，解决了传统的机器人控制器对机器人控制的实时性不高的问题。
Description
技术领域
本实用新型涉及机械自动化技术领域，尤其指一种机器人控制器。
背景技术
机器人控制器作为机器人最为核心的部件，对机器人的性能起着决定性的作用，机器人控制器主要包括上位工控机和下位控制器，上位工控机与下位控制器相互通讯，技术人员在上位工控机上进行程序编程或图形化的编程，下位控制器根据上位工控机的指令控制机器人执行相关动作。传统的机器人控制器的下位控制器主要采用DSP芯片或ARM芯片，其中，DSP芯片的逻辑运算速度快，但其多线程处理能力较低，对于超多路外围IO控制的同步协调能力较差；而ARM芯片有较强的多线程处理能力，但由于没有浮点运算库因而其逻辑运算速度较慢。
如今，随着人工智能、计算机科学、传感器技术及其它相关学科的长足进步，结构、功能多样化的机器人已经成了界内研究的趋势，而机器人控制器只有兼具较强的多线程处理能力及较快的处理速度的优点，才能有效保证对机器人控制的实时性，从而促使结构、功能多样化的机器人得以很好的实现，显然，传统的机器人控制器无法达到此种要求。
实用新型内容
本实用新型所要解决的技术问题是提供一种机器人控制器，既能并行处理多线程数据，且它对数据的处理速度很快，解决了传统的机器人控制器对机器人控制的实时性不高的问题。
为了解决上述技术问题，本实用新型采用如下技术方案：一种机器人控制器，包括上位工控机和下位控制器，所述下位控制器包括双核处理器、FPGA处理器和外围控制模块，所述双核处理器的输入端与上位工控机电连接，所述双核处理器的输出端与FPGA处理器的输入端电连接，所述FPGA处理器的输出端与外围控制模块电连接；所述双核处理器为集成DSP核和ARM核的芯片；
所述双核处理器用于根据上位工控机传送的运动代码进行运动控制轨迹规划、运动控制算法处理、插补运算，所述双核处理器还用于将机器人的状态信息反馈至上位工控机；
所述FPGA处理器用于根据双核处理器传送的各轴脉冲值与方向值进行各轴同步插补，所述FPGA处理器还用于实时读取外围控制模块的反馈数据并将其传送至双核处理器；
所述外围控制模块用于配合FPGA处理器控制机器人执行动作。
进一步地，所述双核处理器为OMAPL138芯片。
更进一步地，所述外围控制模块包括分别与FPGA处理器电连接的电机控制输出模块、电机状态反馈模块、编码器反馈模块和通用输入输出模块；
所述电机控制输出模块用于控制机器人各关节电机的运行速度、方向与定位；
所述电机状态反馈模块用于反馈机器人各关节电机的运行状态；
所述编码器反馈模块用于反馈机器人各关节电机的当前位置；
所述通用输入输出模块用于控制外部设备配合机器人工作。
再进一步地，所述上位工控机采用具有图形界面的触摸屏工控机。
优选地，所述上位工控机与双核处理器之间采用以太网总线通信连接，所述FPGA处理器与双核处理器之间采用并行总线通信连接。
本实用新型提供的一种机器人控制器采用双核处理器与上位工控机进行通信，该双核处理器集成了ARM核与DSP核，其中ARM核可接收上位工控机的运动代码，具有较强多线程处理能力，而双核处理器的DSP核则根据运动代码进行运动控制轨迹规划、运动控制算法处理、插补运算，并将插补值填入插补缓冲区中，该DSP核的数据处理速度很快，不仅如此，此一种机器人控制器还扩张了FPGA处理器，该FPGA处理器进一步提高了控制器的并行处理能力和处理速度，对于结构和功能多样化的机器人而言，传统的机器人控制器很难并行控制机器人众功能端口，导致机器人执行动作的实时性不强，而本实用新型提供的一种机器人控制器则大大提高了对各类机器人控制的实时性，另外，本实用新型提供的一种机器人控制器其系统运行的稳定性强。
附图说明
图1为本实用新型中的机器人控制器的结构框图；
图2为本实用新型中的控制器工作时的流程示意图。
具体实施方式
为了便于本领域技术人员的理解，下面结合实施例与附图对本实用新型作进一步的说明，实施方式提及的内容并非对本实用新型的限定。
在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。
在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解所述术语的具体含义。
如图1所示，一种机器人控制器，包括上位工控机和下位控制器，下位控制器包括双核处理器、FPGA处理器和外围控制模块，双核处理器的输入端与上位工控机电连接，双核处理器的输出端与FPGA处理器的输入端电连接，FPGA处理器的输出端与外围控制模块电连接；双核处理器为集成DSP核和ARM核的芯片；
双核处理器用于根据上位工控机传送的运动代码进行运动控制轨迹规划、运动控制算法处理、插补运算，所述双核处理器还用于将机器人的状态信息反馈至上位工控机；
FPGA处理器用于根据双核处理器传送的各轴脉冲值与方向值进行各轴同步插补，所述FPGA处理器还用于实时读取外围控制模块的反馈数据并将其传送至双核处理器；
外围控制模块用于配合FPGA处理器控制机器人执行动作。
上述实施方式提供的机器人控制器，采用双核处理器与上位工控机进行通信，该双核处理器集成了ARM核与DSP核，其中ARM核可接收上位工控机的运动代码，具有较强多线程处理能力，而双核处理器的DSP核则根据运动代码进行运动控制轨迹规划、运动控制算法处理、插补运算，并将插补值填入插补缓冲区中，该DSP核的数据处理速度很快，不仅如此，此一种机器人控制器还扩张了FPGA处理器，该FPGA处理器进一步提高了控制器的并行处理能力和处理速度，对于结构和功能多样化的机器人而言，传统的机器人控制器很难并行控制机器人众功能端口，导致机器人执行动作的实时性不强，而本实用新型提供的一种机器人控制器则大大提高了对各类机器人控制的实时性，另外，本实用新型提供的一种机器人控制器其系统运行的稳定性强。
进一步地，所述双核处理器为OMAPL138芯片，该芯片内部集成了定点/浮点DSP核与ARM核，DSP核为C674X，ARM核为ARM9，双核主频456MHz。
结构、功能多样化的机器人其功能端口较多，为了能使下位控制器更好的控制机器人执行不同的动作，更进一步地，如图1所示，外围控制模块包括分别与FPGA处理器电连接的电机控制输出模块、电机状态反馈模块、编码器反馈模块和通用输入输出模块；
电机控制输出模块用于控制机器人各关节电机的运行速度、方向与定位；
电机状态反馈模块用于反馈机器人各关节电机的运行状态；
编码器反馈模块用于反馈机器人各关节电机的当前位置；
通用输入输出模块用于控制外部设备配合机器人工作，其中，外部设备有电磁阀、气缸等。
考虑到方便用户操作使用上述机器人控制，再进一步地，上位工控机采用具有图形界面的触摸屏工控机，用户可以根据工控机上图形界面的图形功能键控制机器人执行相关动作，非常简单易行。
优选地，上位工控机与双核处理器之间采用以太网总线通信连接，FPGA处理器与双核处理器之间采用并行总线通信连接。
参照图2，上述实施方式提供的机器人控制器的工作原理如下：
1、机器人控制器通电，上位工控机和下位控制器初始化；
2、上位工控机解析标准机器人编程指令（控制程序已经固化在上位工控机的系统内，使用者只须根据图形界面的图形功能键进行相应的操作即可），再通过以太网总线发送运动代码（控制命令包）至下位控制器的双核处理器中；
3、双核处理器中的ARM核通过以太网接口接收上位工控机的命令并对其进行解析，得到各电机需要运动到的空间位置；双核处理器中的DSP核则进行轨迹规划得出空间运动轨迹，即若干个空间坐标点，再根据相邻坐标点计算插补值（每个电机需要运动的位置、速度、加速度等）并将其存入插补缓冲区；
4、双核处理器将处理、计算的数据通过并行总线交互至FPGA处理器，FPGA处理器接收双核处理器传送过来的各关节脉冲值与方向值，并进行各关节同步插补；
5、FPGA处理器将处理、计算的数据传送给外围控制模块，电机控制输出模块接收数据后控制机器人各个关节运动，通用输入输出模块则控制外部设备（电磁阀、气缸等）配合机器人进行作业，从而实现机器人的空间运动；
6、FPGA处理器在传送数据的同时，电机状态反馈模块向FPGA处理器反馈机器人各关节电机的运行状态，而编码器反馈模块则向FPGA处理器反馈机器人各关节电机的当前位置，FPGA处理器将实时读取到的电机状态反馈值、编码器反馈值通过并行总线传送至双核处理器，双核处理器再通过以太网传送至上位工控机，上位工控机则根据一系列反馈值适应性的调整相关数据再传送给下位控制器，实现机器人运动的闭环控制，从而有效保证对机器人精确、稳定、实时的控制。
上述实施例为本实用新型较佳的实现方案，除此之外，本实用新型还可以其它方式实现，在不脱离本技术方案构思的前提下任何显而易见的替换均在本实用新型的保护范围之内。
为了让本领域普通技术人员更方便地理解本实用新型相对于现有技术的改进之处，本实用新型的一些附图和描述已经被简化，并且为了清楚起见，本申请文件还省略了一些其它元素，本领域普通技术人员应该意识到这些省略的元素也可构成本实用新型的内容。
Claims (5)
1.一种机器人控制器，包括上位工控机和下位控制器，其特征在于：所述下位控制器包括双核处理器、FPGA处理器和外围控制模块，所述双核处理器的输入端与上位工控机电连接，所述双核处理器的输出端与FPGA处理器的输入端电连接，所述FPGA处理器的输出端与外围控制模块电连接；所述双核处理器为集成DSP核和ARM核的芯片；
所述双核处理器用于根据上位工控机传送的运动代码进行运动控制轨迹规划、运动控制算法处理、插补运算，所述双核处理器还用于将机器人的状态信息反馈至上位工控机；
所述FPGA处理器用于根据双核处理器传送的各轴脉冲值与方向值进行各轴同步插补，所述FPGA处理器还用于实时读取外围控制模块的反馈数据并将其传送至双核处理器；
所述外围控制模块用于配合FPGA处理器控制机器人执行动作。
2.根据权利要求1所述的机器人控制器，其特征在于：所述双核处理器为OMAPL138芯片。
3.根据权利要求2所述的机器人控制器，其特征在于：所述外围控制模块包括分别与FPGA处理器电连接的电机控制输出模块、电机状态反馈模块、编码器反馈模块和通用输入输出模块；
所述电机控制输出模块用于控制机器人各关节电机的运行速度、方向与定位；
所述电机状态反馈模块用于反馈机器人各关节电机的运行状态；
所述编码器反馈模块用于反馈机器人各关节电机的当前位置；
所述通用输入输出模块用于控制外部设备配合机器人工作。
4.根据权利要求3所述的机器人控制器，其特征在于：所述上位工控机采用具有图形界面的触摸屏工控机。
5.根据权利要求4所述的机器人控制器，其特征在于：所述上位工控机与双核处理器之间采用以太网总线通信连接，所述FPGA处理器与双核处理器之间采用并行总线通信连接。
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|---|---|---|---|---|
| CN109558174A (zh) * | 2018-11-28 | 2019-04-02 | 江苏艾萨克机器人股份有限公司 | 基于zynq双核处理器的rtos-gpos双操作系统机器人控制器 |
| CN110533991A (zh) * | 2019-08-27 | 2019-12-03 | 南京蓝宙科技有限公司 | 一种基于双核mcu的图形化编程教育机器人 |
| CN113848812A (zh) * | 2021-09-03 | 2021-12-28 | 珠海格力智能装备有限公司 | 机器人的控制方法、控制装置以及控制系统 |
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