[发明专利]一种用于6自由度并联机器人的专用运动控制器硬件平台

说明书

技术领域

本发明涉及机器人学和多轴运动控制器技术领域，具体涉及一种面向6自由度并联机器人的专用运动控制器硬件平台。

背景技术

六自由度并联机器人被广泛地应用于运动模拟、高精度位姿调整和数控加工等系统中。六自由度并联机器人的驱动关节通常采用六个具有滑动自由度的伺服电动缸实现。为了实现六个电动缸的高精度控制并兼顾它们之间的运动协调，从而实现运动平台的精密运动控制，研究六自由度并联机器人的专用运动控制器是非常必要的。

六自由度并联机器人有六条驱动分支，属于多轴运动控制系统，各个轴的协调运行至关重要，通常情况下各轴之间的动态响应特性会有一定的差异，尤其在高速轮廓控制(Contouring Control)时会造成显著的误差，必须设计一个运动控制器以整体考虑的观点来解决这个问题。因此，该六自由度并联机器人运动控制系统采用两层结构：由高阶的运动控制器与低阶的伺服驱动器所组成，运动控制器负责运动控制命令译码、各个位置控制轴彼此间的相对运动、加减速轮廓控制等等，其主要功能在于降低整个系统运动控制的路径误差；伺服驱动器负责伺服电机的位置控制，主要功能在于降低伺服轴的随动误差。上层运动控制器完成位置环和速度环控制，下层伺服驱动器完成力矩环控制。这样结合了分散控制和集中控制的优点，既可以满足各个轴的需要，又可以使多个轴整体协调运行。

目前，在国内外公开的可用于并联机器人的运动控制器有以下四类：

(1)PMAC运动控制器。PMAC(programmable multi-axes controller)是美国Delta Tau公司九十年代推出的开放式多轴运动控制器，它提供运动控制、离散控制、内务处理、同主机的交互等数控的基本功能。其内部使用了一片Motorola数字信号处理芯片，伺服控制包括PID加Notch和速度、加速度前馈控制，其伺服周期单轴可达60微秒，二轴联动为110微秒。产品的种类可从二轴联动到三十二轴联动。并且每轴可以分别配置成不同的伺服类型和多种反馈类型。

(2)XMP-SynqNet-PCI运动控制器。该运动控制器为美国运动工程公司(MEI，Motion Engineering Inc)的产品，其内部使用了一片Motorola数字信号处理芯片，伺服控制包括PID加Notch和速度、加速度前馈控制、PT(位置、时间)模式及PVT(位置、速度、时间)模式，其独特的SynqNet总线可以最多控制32轴，伺服周期4轴可达50微秒、8轴可达100微秒。

(3)固高GT系列多轴运动控制器。基于DSP和FPGA技术，固高公司开发了多个系列的运动控制器，其中GT系列可用于多轴的伺服/步进电机控制。该系列运动控制器适用ISA/PC104总线，最多可以实现8轴电机的运动控制，伺服周期4轴为200微秒。控制算法为PID+速度前馈+加速度前馈。

(4)NI运动控制器。最多可配置8轴的步进/伺服电机，适用于各类运动应用，提供混合运动轨迹控制和完全协同的圆形、线性、点到点、齿轮和空间矢量控制。

上述4类可以用于6自由度并联机器人的运动控制器均存在以下两个弊端：1)价格昂贵；2)开放性弱，不能由用户自行修改控制算法。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明旨在提供一种针对6自由度并联机器人的高效、专用的多轴运动控制器，实现并联机器人的高精度、高协调性的精密运动控制。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种用于6自由度并联机器人的专用运动控制器硬件平台，包括输入输出模块，上位机通讯模块、采样模块、CAN总线模块、ARM微控制器与FPGA信息传输模块、数据存储模块、FPGA逻辑模块、ARM微控制器模块：

所述输入输出模块用于实现对外部器件的开关量控制；

所述上位机通讯模块用于所述ARM微控制器与上位机进行信息交互；

所述采样模块包括限位开关采样单元，所述限位开关采样单元用于获取电动缸上下限位开关器件的开关量信号；

所述CAN总线模块作为ARM微控制器与伺服驱动器连接的接口单元，通过信号线与伺服驱动器连接，用于实现以所述ARM微控制器和6台伺服驱动器组成的CAN总线网络的信息交互；

所述ARM微控制器与FPGA信息传输模块包括数据交互单元，所述数据交互单元采用SPI通讯方式，实现ARM微控制器与FPGA之间的数据交互；

所述数据存储模块用于保存控制系统的部分关键参数，采用I²C通信方式完成数据的交互；