[发明专利]基于EtherCAT总线的机器人柔顺控制系统和方法

说明书

技术领域

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

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。

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。

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

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。

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；

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；

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。

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；

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。

所述EtherCAT通信电路采用ASIC数据链路层芯片。

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。

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。

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。

基于EtherCAT总线的机器人柔顺控制方法，包括以下步骤：

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；