嵌入式自动机械控制系统

摘要

本发明涉及一种嵌入式自动机械控制系统，尤其涉及一种具有高度可扩展的分布式控制模式的嵌入式自动机械控制系统。本发明的一个方面为一种嵌入式自动机械控制系统。根据本发明的实施方式，该嵌入式自动机械控制系统，其控制：多个自动机械仪表，所述自动机械仪表包括电机和传感器；以及自动机械，所述自动机械与所述多个自动机械仪表连接。所述嵌入式自动机械控制系统包括：主控制器，其安装在所述自动机械上并用于控制所述自动机械仪表的电机和传感器；和从控制器，其与所述自动机械或所述自动机械仪表连接并安装在其它自动机械上，并且从所述主控制器接收所述电机和传感器的控制信号并控制所述电机和传感器。

权利要求

1.一种嵌入式自动机械控制系统，其用于控制多个自动机械仪表、以及自动机械，所述自动机械仪表包括电机和传感器，所述自动机械与所述多个自动机械仪表连接，所述嵌入式自动机械控制系统包括：主控制器，其安装在所述自动机械上并用于生成控制所述多个自动机械仪表的电机和传感器的控制信号；和多个从控制器，其分别与所述自动机械和所述多个自动机械仪表连接并安装在其它自动机械上，其中所述从控制器用于从所述主控制器接收所述控制信号并控制其上安装有所述从控制器的自动机械仪表的所述电机和传感器，并且其中所述主控制器还包括：

FPGA元件，其用于计算用于所述其它自动机械或所述多个自动机械仪表控制的操作规划；

主处理器，其用于根据所述操作规划生成用于操作所述多个自动机械仪表的电机和传感器的控制信号；

主输入/输出端，其用于将信号输入至所述传感器并从所述传感器输出信号；以及主网络模块，其用于输出所述控制信号。

2.如权利要求1所述的嵌入式自动机械控制系统，其中所述主控制器还包括应用模块，所述应用模块具有通过应用编程接口用于自动机械操作逻辑的应用程序。

3.如权利要求1所述的嵌入式自动机械控制系统，其中所述FPGA元件包括轨迹生成模块和自动机械运动模块，所述轨迹生成模块用于生成所述其它自动机械或所述多个自动机械仪表的运动轨迹，所述自动机械运动模块用于计算所述电机的工作位置。

4.如权利要求1所述的嵌入式自动机械控制系统，其中所述从控制器包括：从属网络模块，其用于与所述主控制器通信；

从属处理器，其用于经所述从属网络模块从所述主控制器接收所述控制信号并且控制其上安装有所述从控制器的自动机械仪表的所述电机和传感器；以及电机驱动器，用于根据所述控制信号控制相应的电机。

5.如权利要求1所述的嵌入式自动机械控制系统，还包括从属输入/输出模块，该输入/输出模块用于输入信号至所述传感器以及从所述传感器输出信号。

6.如权利要求1所述的嵌入式自动机械控制系统，其中：所述主控制器和所述从控制器经电缆以环形拓扑形式互相连接；以及在一些电缆断路或短路的情况下，所述环形拓扑形式切换至线形拓扑形式以进行全双工模式通信。

说明书

嵌入式自动机械控制系统

技术领域

[0001] 本发明涉及一种嵌入式自动机械控制系统，更具体地涉及一种分布式控制类型的嵌入式自动机械控制系统。

背景技术

[0002] 图1示出了一种现有自动机械控制系统。

[0003] 参见图1，现有自动机械控制系统包括一个单元的外部中央控制装置1、外部DSP(数字信号处理器)控制器2、和教学操作装置9，其中外部DSP控制器2安装在多个自动机械3、4、5和6的每一个上，教学操作装置9连接至每个外部DSP控制器2。

[0004] 外部中央控制装置1通过各对应的外部DSP控制器2连接至多个自动机械3、4、5、和6，并控制多个自动机械3、4、5和6。

[0005] 当从外部中央控制装置1接收到用于自动机械操作的控制信号，或者在教学操作器9输入指令时，外部DSP控制器2执行与各自动机械3、4、5和6相关的运算并控制所述自动机械。

[0006] DSP控制器2进行用于各自动机械3、4、5和6操作的大量运算，并因此被独立于外部中央控制装置1安装。

[0007] 此外，为了连接至外部中央控制装置1，各外部DSP控制器2要求大量较复杂的电路7和8。

[0008] 教学操作器9通过外部DSP控制器2连接至各自动机械3、4、5和6，并接收用于自动机械操作的指令。

[0009] 该现有自动机械控制系统需要独立的电子电路来控制自动机械，不可避免地增加了控制器的尺寸，并且因此必需使用多个控制器来控制数个自动机械。这样，不可能将外部中央控制装置1或外部DSP控制器2安装在自动机械3、4、5和6上。

[0010] 而且，外部中央控制装置1、外部DSP控制器2和自动机械3、4、5和6之间的信号通信所需的大量电缆常常导致自动控制系统故障，妨碍自动机械操作。

[0011] 技术问题

[0012] 为解决上述问题，本发明提供一种具有分布在各自动机械设备内的内部控制器的嵌入式自动机械控制系统。

发明内容

[0013] 本发明的一个方面为一种嵌入式自动机械控制系统。根据本发明的实施方式，该嵌入式自动机械控制系统，其控制：多个自动机械仪表，所述自动机械仪表包括电机和传感器；以及自动机械，所述自动机械与所述多个自动机械仪表连接。所述嵌入式自动机械控制系统包括：主控制器，其安装在所述自动机械上并用于控制所述自动机械仪表的电机和传感器；和从控制器，其与所述自动机械或所述自动机械仪表连接并安装在其它自动机械上，并且从所述主控制器接收所述电机和传感器的控制信号并控制所述电机和传感器。

[0014] 技术效果

[0015] 通过引入基于FPGA的主控制器，以及通过为从自动机械分布的各自动机械仪表安装基于FPGA的从控制器而包含串联网络，本发明的嵌入式自动机械控制系统可大大降低电缆的数量，解决狭窄安装空间的问题并且克服自动机械操作的限制。

[0016] 而且，本发明嵌入式自动机械控制系统的串联网络可以实时通信并且在所述网络断开时对自身自动重置。

[0017] 还有，本发明嵌入式自动机械控制系统具有与串联自动机械、并联自动机械和正交自动机械对应的逻辑，并且允许选择相应的逻辑，使得可以进行操作控制而与自动机械的类型无关。

附图说明

[0018] 图1为现有自动机械控制系统的简图。

[0019] 图2为根据本发明实施方式的嵌入式自动机械控制系统的简图。

[0020] 图3为第一自动机械和第二自动机械的布置图，所述自动机械中装有图2的实施方式的控制系统。

[0021] 图4为示出图3所示元件之间的网络连接关系的简图。

[0022] 主要元件的说明

[0023] 100：主控制器

[0024] 110，111，112：FPGA元件

[0025] 120：元件扩展区

[0026] 130：应用编程接口

[0027] 140：应用模块

[0028] 150：主网络模块

[0029] 200～260：从控制器

[0030] 205，215，225，235，245，255，265：从属网络模块

[0031] 300：电缆

具体实施方式

[0032] 因为可能有本发明的各种变换方式和实施方式，将根据附图对某些实施方式进行阐述和描述。然而，这并非将本发明限于某些实施方式，而应被认为包括被本发明的精神和范围覆盖的所有的变换方式、等价方式和替代方式。

[0033] 在下文中，根据附图对一些实施方式作详细描述。相同或相应的元件给予相同的附图标记，而不管图号为何，并且对相同或相应元件不作赘述。

[0034] 图2示出了根据本发明实施方式的嵌入式自动机械控制系统的简图。

[0035] 参见图2，本发明的嵌入式自动机械控制系统包括主控制器100和多个与主控制器100连成网络的从控制器200-260。

[0036] 主控制器100包括FPGA(现场可编程门列阵)、主处理器(M)、主网络模块150、输入/输出模块150、应用编程接口130和应用模块140，并且处理多个自动机械仪表的多种操作控制和多种传感器控制。

[0037] 通过一PFGA指示数字控制的范围，主控制器100使得本发明的控制器可以较小并且电耗较低。

[0038] 因为控制器包括大量半导体器件，控制器的尺寸以及控制器的电耗与半导体器件的数量成比例。本发明通过允许FPGA处理自动机械控制所需的全部数字处理来减少半导体器件的数量，从而减小安装在自动机械仪表中的控制器的尺寸。

[0039] 主控制器100使用诸如实时操作系统RT-Linux、uCOS或xilkernel之类的轻内核(light kernel)来处理多种操作控制和多种传感器控制。

[0040] FPGA元件110、111和112由软处理器(soft processor)和存储器或专用硬件逻辑(dedicated hardware logic)构成，并计算用于自动机械或自动机械仪表控制的操作规划。在此处，FPGA元件指由一个FPGA处理的功能元件。

[0041] 在此处，FPGA元件110、111和112可以通过例如使用元件扩展区120的方法或由SRAM(未示出)在LUT(检查表)中形成逻辑的方法扩展至几十或几百个元件。因此，本发明不限制FPGA元件110、111和112的数量，其数量可以根据自动机械的数量、构造、类型和/或处理速度进行扩展或选择。

[0042] FPGA元件110、111和112可以容易地设计和/或改变逻辑，相对较小的，并生成较少的热量。而且，FPGA元件110、111和112不是过去在DSP(数值信号处理器)多任务操作或PC(个人计算机)中常见的存储器资源或CPU资源密集型，并且耗电较低。

[0043] FPGA元件110、111和112包括用于多个自动机械实时控制的轨迹生成模块(下文称作“TG”)和自动机械运动模块(下文称作“RM”)。

[0044] FPGA元件110、111和112可以根据所需的TG和RM处理速度改变TG和RM的数量，并由此可以有效地使用自动机械控制系统的资源。

[0045] TG生成各自动机械刀具坐标系或各自动机械基座坐标系在工作空间内的、基于时间的空间运动轨迹。

[0046] TG还可使自动机械刀具坐标系或自动机械底座坐标系旋转(移动)，以实时响应诸如传感器之类的外部事件。

[0047] RM利用刀具支架坐标系和自动机械的仪表参数(例如，DH参数)计算包含在自动机械内的电机工作位置。在此处，根据自动机械类型，刀具支架坐标系和仪表参数与由TG得到自动机械刀具坐标系和自动机械底座坐标系一起确定。

[0048] RM还利用自动机械的各链接件的相同性质参数(例如，摩擦力和惯性)、重力方向和施加于自动机械的外力来计算各关节所需的扭矩。

[0049] RM将计算出的工作位置中的目标位置和计算出的电机扭矩中的目标扭矩经网络发送至各电机驱动装置。在此处，目标位置和目标扭矩用于各电机的前馈控制。

[0050] RM还能根据包含在自动机械中的电机的工作位置计算当前工作空间上的坐标系。

[0051] 主处理器(M)连接至各FPGA元件110、111和112，并且根据自动机械仪表的操作规划生成用于操作电机和多个传感器的控制信号。主处理器也对通过控制信号进行操作的自动机械仪表的操作状态进行管理。

[0052] 换言之，主处理器(M)在工作单元中运行程序，诸如操作规划，并且监视例如操作误差。

[0053] 主处理器(M)还进行FPGA元件110、111和112之间的连接管理，监视管理和输入/输出管理。

[0054] 还有，主处理器(M)控制各从控制器200-260与FPGA元件110、111和112之间的信号通信，因为主处理器连接至主网络模块150来进行通信。

[0055] 还有，主处理器(M)通过应用编程接口(API)130连接至应用模块(APP)140。

[0056] 应用模块140包括用于自动机械操作逻辑和自动机械复位操作(例如，校准)的应用程序以及为各串联自动机械、并联自动机械和正交自动机械预先设置的其他自动机械相关应用程序。此处，自动机械操作逻辑根据用户的逻辑选择被激活，并且，根据相应的轨迹生成模块，实时控制所述控制中的轨迹运动以及自动机械在有多个自动机械仪表被操作的工作空间中的运动。

[0057] 应用编程接口130连接至图2中由G1表示的通用输入输出(GPIO)，该GPIO处理各种传感器的输入和输出或各种信号的输入和输出。例如，GPIO连接至第一自动机械的自动机械仪表和它的各种周围的传感器。

[0058] 主网络模块150通过电缆与安装在从控制器200-260内的从属网络模块205、215、225、235、245、255和265进行通信。从属网络模块205、215、225、235、245、255和265还通过电缆互相通信。

[0059] 此处，优选的是主网络模块150和从属网络模块205、215、225、235、245、255和265具有多个用于扩展的电缆连接的、符合有关通信标准的端口。

[0060] 主网络模块150和多个从属网络模块205、215、225、235、245、255和265通过电缆形成串联网络。这使得本发明相比现有技术具有相对较小、较简单的电缆配置。

[0061] 从控制器200-260包括从属处理器S1-S7，从属网络模块205、215、225、235、245、255和265，以及用于驱动电机的电机驱动装置D1-D6。从控制器200-260还可以具有GPIO(G2)，该G2向第二自动机械和它周围的传感器输入信号并且从第二自动机械和它周围的传感器输出信号。

[0062] 通过经相应的从属网络模块205、215、225、235、245、255和265和主网络模块150与主控制器100的联接，从控制器200-260实现多个自动机械和自动机械仪表的分布式控制。

[0063] 从属处理器S1-S7通过相应的从属网络模块205、215、225、235、245、255和265连接，以与主控制器100的FPGA元件110、111和112联接。

[0064] 从属处理器S1-S7基于FPGA制造。

[0065] 从属处理器S1-S7与相应的电机驱动器D1-D6或GPIO(G2)连接。

[0066] 从属网络模块205、215、225、235、245、255和265连接至主网络模块150，以传达与主控制器100联接的信号。

[0067] 当网络断开时，从属网络模块205、215、225、235、245、255和265通过实行一种网络技术，可以实现实时通信并且自动重置，其中主网络模块150和7级OSI(开放系统互连)作了修改以用于本发明。

[0068] 各电机驱动器D1-D6分别连接至各从属处理器S1-S6，以驱动电机。

[0069] 电机驱动器D1-D6可根据从主控制器100的RM收到的目标位置和目标扭矩，对各电机进行伺服控制。各电机的伺服控制也可以独立地进行。

[0070] 因此，电机驱动器D1-D6监视驱动器输入电压、驱动器输入电流、施加于各电机的电流以及各电机的绝对或相对编码器值。电机驱动器D1-D6还能够执行各电机的开关操作，并具有限制性的制动功能来控制各电机。

[0071] GPIO(G2)进行数字或模拟传感器的输入和输出。

[0072] GPIO(G2)与第二自动机械的自动机械仪表和它的周围各种传感器连接。

[0073] 如图2的嵌入式自动机械控制系统所示，在一个主控制器100和多个从控制器200-260被安装在两个自动机械，即，第一自动机械和第二自动机械中的情况下，被连接成串联通信的主控制器100和三个从控制器200、210和220可以安装在第一自动机械中，而余下四个从控制器230、240、250和260可以被安装在第二自动机械中。

[0074] 图3示出了根据本发明实施方式如何将嵌入式自动机械控制系统安装在第一自动机械和多个第二自动机械中的实例。

[0075] 参见图3，主控制器100被安装于底座，使得主控制器100可以连接至第一自动机械10的自动机械仪表16。

[0076] 然后，安装从控制器200、210和220，使得各从控制器200、210和220分别与分布在第一自动机械10中的各自动机械仪表17、18和19连接。

[0077] 主控制器100经电缆300与第一从控制器200连接，并且经电缆300继续连接后面的两个从控制器210和220。

[0078] 这样，主控制器100通过使用非常少量的电缆300与三个从控制器220、210和220形成串联网络，由此允许一种分布式的、相比现有自动机械控制系统更小的结构。

[0079] 同样地，余下的四个从控制器230、240、250和260安装在第二自动机械20中，并以与主控制器100和相应从控制器200、210和220相同的方式连接至相应的自动机械仪表26、27、28和29。

[0080] 可以通过与第二自动机械20相同的内部配置和方法配置分开的第二自动机械20a，并且只要符合串联通信标准且主控制器100能够执行，可以对所述连接进行扩展。

[0081] 第一自动机械10的主控制器100和第二自动机械20的四个从控制器230经串联网络电缆300互相连接，并且也可以以将分开的第二自动机械20a经电缆300连接至第二自动机械20。

[0082] 图4为示出了图3所示元件之间的网络连接的简图。

[0083] 如图4所示，主控制器100不但经电缆300与其它元件物理连接，如虚线1所示，还与各电机驱动器D1-D6和GPIO(G2)逻辑联接。

[0084] 而且，从属处理器S1-S7能够通过虚线2直接控制GPIO(G1和G2)，以响应自动机械操作期间发生的紧急状况。

[0085] 因为主控制器100与GPIO(G1和G2)逻辑联接，并且从属处理器S1-S7也与GPIO(G1和G2)逻辑联接，可以对多个从控制器200-260进行控制。

[0086] 还有，主控制器100和从控制器200-260经电缆300以环形拓扑形式形成或物理连接。

[0087] 例如，主网络模块150和从属网络模块205、215、225、235、245、255和265被配置成全双工模式(即，传输和接收被分开)。

[0088] 如果在任意电缆300中存在断路或短路，主网络模块150从从属网络模块205、215、225、235、245、255和265中与有关电缆相关的一个从属网络模块接收该断路或短路电缆的信息。

[0089] 这样，主网络模块150和所有从属网络模块205、215、225、235、245、255和265从环形拓扑形式切换至线形拓扑形式，以在一些电缆断路或短路的情况下继续运行全双工模式。

[0090] 通过从从属网络模块205、215、225、235、245、255和265接收到的数据传输路径变化信息，主网络模块150可以经两个路径发送原来经一个路径传输的数据，使得系统中的通信不中断。

[0091] 当所述断路或短路的电缆恢复至正常状态，主网络模块150从从属网络模块205、215、225、235、245、255和265接收正常化的信息，使得可以再次经一个路径传输数据。即，可以将线形拓扑形式切换回环形拓扑形式。

[0092] 虽然已根据附图所示的实施方式对本发明作了描述，该实施方式仅用于说明的目的，而不限制本发明。应理解，本领域技术人员可以在不脱离本发明范围和精神的情况下改变或修饰该实施方式。同样地，在所附权利要求书中可以发现除了上面阐明的实施方式之外的许多实施方式。