一种机器人控制器开放底层位置指令接口的实现方法

摘要

本发明公开了一种机器人控制器开放底层位置指令接口的实现方法，包括第三方任务空间轨迹规划位姿节点序列数据文件传输；关节空间轨迹规划关节位置节点序列数据文件传输；任务空间轨迹规划位姿节点序列在线传输；关节空间轨迹规划关节位置节点序列在线传输。本发明第三方位置指令从传输方式上来讲可分为在线和离线，从指令意义上来讲可分为任务空间位姿指令和关节空间位置指令。开放式机器人控制器的底层位置指令接口对这些传输方式和指令意义都应当支持。

说明书

技术领域

本发明属于工业机器人控制技术领域，具体涉一种机器人控制器开放底层位置指令接口的实现方法。

背景技术

工业机器人是制造业皇冠上的明珠，在新一代工业革命中将发挥重要的作用。为了在新一代工业革命中抢占先机，我国提出“智能制造2025”的强国战略，应对产业结构调整、高品质制造和人口老龄化等问题对制造业带来的挑战。特别在我国的广东省、浙江省等制造业发达地区，纷纷推出了“机器换人”计划，实现制造业的换代升级，推动制造业的发展。工业机器人技术面临前所未有的政策利好和市场需求。然而，我国工业机器人市场被KUKA、ABB、FANUC等几大巨头垄断，导致本土机器人产业的发展举步维艰。并且，机器人制造企业为了保护技术和市场利益，工业机器人控制系统极端封闭，不仅增加了企业开发与应用成本，也限制了工业机器人技术的发展。

机器人控制器开放底层位置指令接口对实现特殊的运动要求，融合第三方离线自动编程技术，进行运动学、轨迹规划算法性能对比具有重要意义。然而，目前商品化的机器人控制系统均采用封闭结构的专用控制器，一般采用专用计算机作为上层主控计算机，使用专用机器人语言作为离线编程工具，采用专用微处理器，并将控制算法固化在EEPROM中。这种专用系统很难保证对第三方平台提供的位置指令的支持。DSPACE等快速控制原型开发系统，虽然提供了通用的硬件平台，但是软件还是需要从底层搭起，时间成本代价高。所以需要一种开放式的机器人控制器能够提供对底层位置指令的支持。

发明内容

为了克服机器人专用控制器的底层位置指令接口封闭的问题，本发明提出了一种机器人控制器开放底层位置指令接口的实现方法。第三方位置指令从传输方式上来讲可分为在线和离线，从指令意义上来讲可分为任务空间位姿指令和关节空间位置指令。开放式机器人控制器的底层位置指令接口对这些传输方式和指令意义都应当支持。

为达到上述目的，本发明所述的机器人控制器开放底层位置指令接口的实现方法主要包括以下步骤:

第三方任务空间轨迹规划位姿节点序列数据文件传输。

第三方平台将任务空间轨迹规划的位姿节点序列写入存储模块RAM/ROM中，FPGA中的存储器接口模块在控制总线A的作用下将RAM/ROM中的任务空间位姿节点序列读取到高速缓存模块Block RAM中。主CPU设置控制参数，通过FPGA内部总线A将存储在Block RAM中的位姿节点序列读取到主CPU逆运动学求解器中进行逆运动学求解，将位姿节点序列转换成关节转角序列，关节转角序列通过轨迹规划模块的关节空间轨迹规划转换成驱动关节转动的关节位置序列，并传送给位置控制模块实现各关节的运动控制。同时主CPU通过FPGA内部总线A将关节位置序列写入关节位置控制指令模块，辅CPU可通过内部总线B从关节位置控制指令模块中读取到当前的关节位置控制指令。

第三方关节空间轨迹规划关节位置节点序列数据文件传输。

第三方平台将关节空间轨迹规划的离散关节位置序列写入存储模块RAM/ROM中，主CPU设置控制参数，通过FPGA中的存储器接口模块将存储在RAM/ROM中的离散关节位置序列读取到高速缓存模块Block RAM中，主CPU通过内部总线A读取高速缓存模块BlockRAM中的离散关节位置序列，并传送给位置控制模块实现各关节的运动控制。同时主CPU通过FPGA内部总线A将关节位置序列写入关节位置控制指令模块，辅CPU可通过内部总线B从关节位置控制指令模块中读取到当前的关节位置控制指令。

第三方任务空间轨迹规划位姿节点序列在线传输。

第三方平台将任务空间轨迹规划的位姿节点序列通过辅CPU写入FPGA的高速缓存模块Block RAM中，主CPU设置控制参数，通过FPGA内部总线A将存储在Block RAM中的位姿节点序列读取到主CPU逆运动学求解器中进行逆运动学求解，将位姿节点序列转换成关节转角序列，关节转角序列通过轨迹规划模块的关节空间轨迹规划转换成驱动关节转动的关节位置序列，并传送给位置控制模块实现各关节的运动控制。同时主CPU通过FPGA内部总线A将关节位置序列写入关节位置控制指令模块，辅CPU可通过内部总线B从关节位置控制指令模块中读取到当前的关节位置控制指令。

第三方关节空间轨迹规划关节位置节点序列在线传输。

第三方平台将关节空间轨迹规划的关节位置节点序列通过辅CPU写入FPGA的高速缓存模块Block RAM中，主CPU通过内部总线A读取高速缓存模块Block RAM中的关节位置节点序列，并传送给位置控制模块实现各关节的运动控制。同时主CPU通过FPGA内部总线A将关节位置序列写入关节位置控制指令模块，辅CPU可通过内部总线B从关节位置控制指令模块中读取到当前的关节位置控制指令。

本发明具有以下有益效果：

第三方任务空间轨迹规划位姿节点序列数据文件传输和第三方关节空间轨迹规划关节位置节点序列数据文件传输采用文件传输方式，将数据传送到控制系统存储器，其优点是可以将其控制过程定义为一种特定的工作功能模块，被主CPU任意调用，用于产品开发，实现特殊运动需求；第三方任务空间轨迹规划位姿节点序列在线传输方式和第三方关节空间轨迹规划关节位置节点序列在线传输方式采用辅CPU联系接收轨迹数据来实现机器人的运动控制，主要用于研究工作，可以实现不同运动学模型、运动求解算法的对比研究，方便快捷。

附图说明

图1为底层位置指令开放接口控制原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

本发明所述的机器人控制器底层位置指令接口开放的实现方法，主要包括以下步骤：

第三方任务空间轨迹规划位姿节点序列数据文件传输。

这种模式主要应用在第三方任务空间轨迹规划离线数据的传输中，第三方平台将任务空间轨迹规划的位姿节点序列写入存储模块RAM/ROM中，FPGA中的存储器接口模块在控制总线A的作用下将RAM/ROM中的任务空间位姿节点序列读取到高速缓存模块Block RAM中。主CPU设置控制参数，通过FPGA内部总线A将存储在Block RAM中的位姿节点序列读取到主CPU逆运动学求解器中进行逆运动学求解，将位姿节点序列转换成关节转角序列，关节转角序列通过轨迹规划模块的关节空间轨迹规划转换成驱动关节转动的关节位置序列，并传送给位置控制模块实现各关节的运动控制。同时主CPU通过FPGA内部总线A将关节位置序列写入关节位置控制指令模块，辅CPU可通过内部总线B从关节位置控制指令模块中读取到当前的关节位置控制指令。

第三方关节空间轨迹规划关节位置节点序列数据文件传输。

这种模式主要应用在第三方关节空间轨迹规划离线数据的传输中。第三方平台将关节空间轨迹规划的离散关节位置序列写入存储模块RAM/ROM中，主CPU设置控制参数，通过FPGA中的存储器接口模块将存储在RAM/ROM中的离散关节位置序列读取到高速缓存模块Block RAM中，主CPU通过内部总线A读取高速缓存模块Block RAM中的离散关节位置序列，并传送给位置控制模块实现各关节的运动控制。同时主CPU通过FPGA内部总线A将关节位置序列写入关节位置控制指令模块，辅CPU可通过内部总线B从关节位置控制指令模块中读取到当前的关节位置控制指令。

第三方任务空间轨迹规划位姿节点序列在线传输。

这种模式主要应用在第三方任务空间轨迹规划在线数据的传输中。第三方平台将任务空间轨迹规划的位姿节点序列通过辅CPU写入FPGA的高速缓存模块Block RAM中，主CPU设置控制参数，通过FPGA内部总线A将存储在Block RAM中的位姿节点序列读取到主CPU逆运动学求解器中进行逆运动学求解，将位姿节点序列转换成关节转角序列，关节转角序列通过轨迹规划模块的关节空间轨迹规划转换成驱动关节转动的关节位置序列，并传送给位置控制模块实现各关节的运动控制。同时主CPU通过FPGA内部总线A将关节位置序列写入关节位置控制指令模块，辅CPU可通过内部总线B从关节位置控制指令模块中读取到当前的关节位置控制指令。

第三方关节空间轨迹规划关节位置节点序列在线传输。

这种模式主要应用在第三方关节空间轨迹规划在线数据的传输中。第三方平台将关节空间轨迹规划的关节位置节点序列通过辅CPU写入FPGA的高速缓存模块Block RAM中，主CPU通过内部总线A读取高速缓存模块Block RAM中的关节位置节点序列，并传送给位置控制模块实现各关节的运动控制。同时主CPU通过FPGA内部总线A将关节位置序列写入关节位置控制指令模块，辅CPU可通过内部总线B从关节位置控制指令模块中读取到当前的关节位置控制指令。

实施例一

参考图1，以第三方任务空间轨迹规划位姿节点序列数据文件传输为例进行说明。在第三方平台中进行任务空间轨迹规划后，将位姿节点序列数据文件保存为.bin格式的文件，通过网口将轨迹数据文件下载到RAM/ROM块中的轨迹数据指定存储段中。主CPU通过设置DMA控制器的寄存器相应位为1，使DMA控制器使能。DMA控制器从存储在RAM/ROM块中指定存储位置处读取位姿节点序列数据到高速缓存Block RAM中，主CPU通过内部总线控制器A读取高速缓存Block RAM中的位姿节点序列，并发送给主CPU运动学逆解模块，将求解的各关节转角序列发送给位置控制模块，位置控制模块通过PD控制实现关节轨迹跟踪。同时主CPU通过FPGA内部总线A将关节位置序列写入关节位置控制指令模块，辅CPU可通过内部总线B从关节位置控制指令模块中读取到当前的关节位置控制指令。

实施例二

参考图1，以第三方关节空间轨迹规划关节位置节点序列在线传输方式为例进行说明。第三方平台将关节空间轨迹规划的关节位置节点序列通过以太网接口和UDP协议以十六进制的格式在线发送给辅CPU，通信速度为1kHz。辅CPU接收到一帧数据就将其写入高速缓存模块Block RAM中，起始地址为0x0000。主CPU通过内部总线A读取高速缓存模块Block RAM中的关节位置节点序列，并传送给位置控制模块,位置控制模块通过PD控制实现关节轨迹跟踪。同时主CPU通过FPGA内部总线A将关节位置序列写入关节位置控制指令模块，辅CPU可通过内部总线B从关节位置控制指令模块中读取到当前的关节位置控制指令。