本發(fā)明涉及一種自動控制系統(tǒng)及方法，特別是涉及一種自動化控制系統(tǒng)及方法、機(jī)械設(shè)備。

背景技術(shù)：

3C就是電腦、通訊和消費(fèi)性電子(Computer、Communication、Consumer Electronic)的簡稱。由于半導(dǎo)體的不斷發(fā)展以及網(wǎng)際網(wǎng)路普及，3C產(chǎn)業(yè)漸漸發(fā)展為世界性的新興科技產(chǎn)業(yè)。3C產(chǎn)業(yè)所涵蓋的范圍相當(dāng)廣大，電腦方面包括筆記型電腦，各種電腦硬體及各項(xiàng)周邊設(shè)備等；通訊方面則包括無線通訊設(shè)備、用戶終端設(shè)備、交換設(shè)備、傳輸設(shè)備，近年則以行動電話及電信產(chǎn)業(yè)為主軸；消費(fèi)性電子包括數(shù)位相機(jī)、PDA、電子辭典、隨身碟等各種數(shù)位化的商品。

相比傳統(tǒng)市場，3C行業(yè)自動化設(shè)備趨向輕量級發(fā)展，但其對速度與精度的要求也隨之變高。為了滿足電子產(chǎn)品組裝加工日益嚴(yán)格的要求，高效、高精度并且簡單易用的輕量級自動化設(shè)備越來越受到市場的追捧。

現(xiàn)有的運(yùn)動控制器多數(shù)僅僅實(shí)現(xiàn)運(yùn)動控制，由運(yùn)動控制器和電機(jī)驅(qū)動器通過外部總線連接后實(shí)現(xiàn)的。這種方式不僅成本較高，而且在運(yùn)動精度、實(shí)時性方面都存在很多不足。

另外，現(xiàn)有的自動化設(shè)備以單一功能的編程為主，功能模塊簡單，主要進(jìn)行重復(fù)操作。對于復(fù)雜狀況或意外情況無法自動應(yīng)變和校正，需要由操作人員重新編程，也就增加了工作量。例如，工業(yè)機(jī)器人多以示教方式工作，雖然使用簡單方便，但同樣會使功能編輯變得困難，難以使用各種傳感器進(jìn)行條件分支。這樣一方面會造成一定的安全隱患，另一方面不利于工業(yè)機(jī)器人的智能化控制。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

鑒于以上所述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，本發(fā)明的目的在于提供一種自動化控制系統(tǒng)及方法、機(jī)械設(shè)備，通過嵌入式編程、驅(qū)控一體的方式實(shí)現(xiàn)安全、高速的自動化控制，其成本低、運(yùn)算精度高、可擴(kuò)展性高，便于系統(tǒng)升級和擴(kuò)展。

為實(shí)現(xiàn)上述目的及其他相關(guān)目的，本發(fā)明提供一種自動化控制系統(tǒng)，用于實(shí)現(xiàn)對機(jī)械本體的自動化控制，包括運(yùn)動控制器和伺服驅(qū)動器；所述運(yùn)動控制器用于接收客戶端發(fā)送來的控制指令并根據(jù)所述控制指令生成機(jī)械本體各個關(guān)節(jié)的位置數(shù)據(jù)并發(fā)送至所述伺服驅(qū)動器，以及接收由所述伺服驅(qū)動器發(fā)送來的機(jī)械本體的運(yùn)動信息；所述伺服驅(qū)動器用于根據(jù)機(jī)械本體各個關(guān)節(jié)的位置數(shù)據(jù)生成機(jī)械本體上各個電機(jī)的控制參數(shù)，以及獲取機(jī)械本體的運(yùn)動信息并發(fā)送至所述運(yùn)動控制器。

于本發(fā)明一實(shí)施例中，還包括客戶端，所述客戶端用于發(fā)送控制指令至所述運(yùn)動控制器，以及接收由所述運(yùn)動控制器發(fā)送來的機(jī)械本體的運(yùn)動信息。

于本發(fā)明一實(shí)施例中，所述運(yùn)動控制器包括路徑規(guī)劃單元、逆運(yùn)動學(xué)單元、插補(bǔ)平滑單元、網(wǎng)絡(luò)通信單元和SPI通信單元；

所述網(wǎng)絡(luò)通信單元用于通過以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)與客戶端之間的通信；

所述路徑規(guī)劃單元用于根據(jù)所述控制指令規(guī)劃機(jī)械本體的路徑；

所述插補(bǔ)平滑單元用于平滑所規(guī)劃的機(jī)械本體路徑；

所述逆運(yùn)動學(xué)單元用于將平滑后的機(jī)械本體路徑的位置信息轉(zhuǎn)換為機(jī)械本體各關(guān)節(jié)的位置數(shù)據(jù)；

所述SPI通信單元用于通過SPI總線實(shí)現(xiàn)與伺服驅(qū)動器之間的通信。

于本發(fā)明一實(shí)施例中，還包括圖像獲取裝置，所述圖像獲取裝置用于獲取機(jī)械本體所處的實(shí)時環(huán)境圖像，并發(fā)送至所述運(yùn)動控制器；

所述運(yùn)動控制器包括環(huán)境檢測單元、路徑規(guī)劃單元、逆運(yùn)動學(xué)單元、插補(bǔ)平滑單元、網(wǎng)絡(luò)通信單元和SPI通信單元；

所述環(huán)境檢測單元用于根據(jù)機(jī)械本體所處的實(shí)時環(huán)境圖像，獲取機(jī)械本體所處的實(shí)時環(huán)境信息；

所述路徑規(guī)劃單元用于根據(jù)所述控制指令和機(jī)械本體所處的實(shí)時環(huán)境信息為機(jī)械本體規(guī)劃路徑；

所述插補(bǔ)平滑單元用于平滑所規(guī)劃的機(jī)械本體路徑；

所述逆運(yùn)動學(xué)單元用于將平滑后的機(jī)械本體路徑的位置信息轉(zhuǎn)換為機(jī)械本體各關(guān)節(jié)的位置數(shù)據(jù)；

所述網(wǎng)絡(luò)通信單元用于通過以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)與客戶端之間的通信；

所述SPI通信單元用于通過SPI總線實(shí)現(xiàn)與伺服驅(qū)動器之間的通信。

于本發(fā)明一實(shí)施例中，所述伺服驅(qū)動器包括電機(jī)位置和速度控制單元和SPI通信單元；

所述電機(jī)位置和速度控制單元用于根據(jù)機(jī)械本體上各個電機(jī)的控制參數(shù)控制各個電機(jī)的運(yùn)動，以及獲取機(jī)械本體的運(yùn)動信息；

所述SPI通信單元用于實(shí)現(xiàn)與運(yùn)動控制器之間的通信。

于本發(fā)明一實(shí)施例中，所述伺服驅(qū)動器和所述機(jī)械本體上的電機(jī)通過RS485總線連接。

于本發(fā)明一實(shí)施例中，所述運(yùn)動控制器和所述伺服驅(qū)動器集成于同一片上系統(tǒng)。

同時，本發(fā)明還提供一種機(jī)械設(shè)備，包括機(jī)械本體、與機(jī)械本體相連的上述任一所述的自動化控制系統(tǒng)，以通過所述自動化控制系統(tǒng)對所述機(jī)械本體進(jìn)行控制。

于本發(fā)明一實(shí)施例中，所述機(jī)械本體為機(jī)器人本體。

相應(yīng)地，本發(fā)明還提供一種自動化控制方法，用于實(shí)現(xiàn)對機(jī)械本體的自動化控制，包括以下步驟：

通過運(yùn)動控制器接收客戶端發(fā)送來的控制指令并根據(jù)控制指令生成機(jī)械本體各個關(guān)節(jié)的位置數(shù)據(jù)并發(fā)送至伺服驅(qū)動器，同時接收由伺服驅(qū)動器發(fā)送來的機(jī)械本體的運(yùn)動信息；

通過伺服驅(qū)動器根據(jù)機(jī)械本體各個關(guān)節(jié)的位置數(shù)據(jù)生成機(jī)械本體上各個電機(jī)的控制參數(shù)，同時獲取機(jī)械本體的運(yùn)動信息并發(fā)送至運(yùn)動控制器。

于本發(fā)明一實(shí)施例中，還包括：通過客戶端發(fā)送控制指令至所述運(yùn)動控制器，以及接收由所述運(yùn)動控制器發(fā)送來的機(jī)械本體的運(yùn)動信息。

于本發(fā)明一實(shí)施例中，所述運(yùn)動控制器執(zhí)行以下操作：

通過網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)與客戶端之間的通信；

根據(jù)控制指令規(guī)劃機(jī)械本體的路徑；

平滑所規(guī)劃的機(jī)械本體路徑；

將平滑后的機(jī)械本體路徑的位置信息轉(zhuǎn)換為機(jī)械本體各關(guān)節(jié)的位置數(shù)據(jù)；

通過SPI總線實(shí)現(xiàn)與伺服驅(qū)動器之間的通信。

于本發(fā)明一實(shí)施例中，還包括通過圖像獲取裝置獲取機(jī)械本體所處的實(shí)時環(huán)境圖像，并發(fā)送至所述運(yùn)動控制器；

所述運(yùn)動控制器執(zhí)行以下操作；

根據(jù)機(jī)械本體所處的實(shí)時環(huán)境圖像，獲取機(jī)械本體所處的實(shí)時環(huán)境信息；

根據(jù)控制指令和機(jī)械本體所處的實(shí)時環(huán)境信息為機(jī)械本體規(guī)劃路徑；

平滑所規(guī)劃的機(jī)械本體路徑；

將平滑后的機(jī)械本體路徑的位置信息轉(zhuǎn)換為機(jī)械本體各關(guān)節(jié)的位置數(shù)據(jù)；

通過網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)與客戶端之間的通信；

通過SPI總線實(shí)現(xiàn)與伺服驅(qū)動器之間的通信。

于本發(fā)明一實(shí)施例中，所述伺服驅(qū)動器執(zhí)行以下操作：

根據(jù)機(jī)械本體上各個電機(jī)的控制參數(shù)控制各個電機(jī)的運(yùn)動，以及獲取機(jī)械本體的運(yùn)動信息；

通過SPI總線實(shí)現(xiàn)與伺服驅(qū)動器之間的通信。

于本發(fā)明一實(shí)施例中，所述伺服驅(qū)動器和所述機(jī)械本體上的電機(jī)通過RS485總線連接。

于本發(fā)明一實(shí)施例中，所述運(yùn)動控制器和所述伺服驅(qū)動器集成于同一片上系統(tǒng)。

如上所述，本發(fā)明的自動化控制系統(tǒng)及方法、機(jī)械設(shè)備，具有以下有益效果：

(1)通過嵌入式編程實(shí)現(xiàn)安全、高速的自動化控制，其成本低、運(yùn)算精度高；

(2)將自動化控制系統(tǒng)分成了用戶層、運(yùn)動控制層和伺服驅(qū)動層，各層之間分工明確且緊密銜接；運(yùn)動控制層和伺服驅(qū)動層之間的協(xié)議內(nèi)容能夠自定義，能夠以最小的數(shù)據(jù)量傳輸最大的信息量以實(shí)現(xiàn)最大的響應(yīng)時間和更快的運(yùn)行速度；

(3)將運(yùn)動控制器和伺服驅(qū)動器集成在一起，實(shí)現(xiàn)驅(qū)控一體，便于進(jìn)行軟硬件升級，易于快速適應(yīng)于不同的機(jī)械本體；

(4)克服現(xiàn)有示教編程的弊端，能夠智能地實(shí)時結(jié)合外部環(huán)境進(jìn)行自動化控制，保證以最優(yōu)且最安全的方式運(yùn)行；

(5)能夠同時支持六軸同步運(yùn)動，八軸獨(dú)立控制，具有極大的靈活性與較廣的適用范圍。

附圖說明

圖1顯示為本發(fā)明的自動化控制系統(tǒng)的一個實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2顯示為本發(fā)明的運(yùn)動控制器的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3顯示為本發(fā)明的伺服驅(qū)動器的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4顯示為本發(fā)明的自動化控制系統(tǒng)的另一個實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5顯示為本發(fā)明的機(jī)械設(shè)備的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖6顯示為本發(fā)明的自動化控制方法的流程圖。

元件標(biāo)號說明

1 自動化控制系統(tǒng)

11 客戶端

12 運(yùn)動控制器

121 路徑規(guī)劃單元

122 插補(bǔ)平滑單元

123 逆運(yùn)動學(xué)單元

124 網(wǎng)絡(luò)通信單元

125 SPI通信單元

13 伺服驅(qū)動器

131 SPI通信單元

132 電機(jī)位置和速度控制單元

14 圖像獲取裝置

2 機(jī)械本體

具體實(shí)施方式

以下通過特定的具體實(shí)例說明本發(fā)明的實(shí)施方式，本領(lǐng)域技術(shù)人員可由本說明書所揭露的內(nèi)容輕易地了解本發(fā)明的其他優(yōu)點(diǎn)與功效。本發(fā)明還可以通過另外不同的具體實(shí)施方式加以實(shí)施或應(yīng)用，本說明書中的各項(xiàng)細(xì)節(jié)也可以基于不同觀點(diǎn)與應(yīng)用，在沒有背離本發(fā)明的精神下進(jìn)行各種修飾或改變。需說明的是，在不沖突的情況下，以下實(shí)施例及實(shí)施例中的特征可以相互組合。

需要說明的是，以下實(shí)施例中所提供的圖示僅以示意方式說明本發(fā)明的基本構(gòu)想，遂圖式中僅顯示與本發(fā)明中有關(guān)的組件而非按照實(shí)際實(shí)施時的組件數(shù)目、形狀及尺寸繪制，其實(shí)際實(shí)施時各組件的型態(tài)、數(shù)量及比例可為一種隨意的改變，且其組件布局型態(tài)也可能更為復(fù)雜。

本發(fā)明的自動化控制系統(tǒng)用于實(shí)現(xiàn)對機(jī)械本體的自動化控制，包括運(yùn)動控制器和伺服驅(qū)動器；所述運(yùn)動控制器用于接收客戶端發(fā)送來的控制指令并根據(jù)所述控制指令生成機(jī)械本體各個關(guān)節(jié)的位置數(shù)據(jù)并發(fā)送至所述伺服驅(qū)動器，以及接收由所述伺服驅(qū)動器發(fā)送來的機(jī)械本體的運(yùn)動信息；所述伺服驅(qū)動器用于根據(jù)機(jī)械本體各個關(guān)節(jié)的位置數(shù)據(jù)生成機(jī)械本體上各個電機(jī)的控制參數(shù)，以及獲取機(jī)械本體的運(yùn)動信息并發(fā)送至所述運(yùn)動控制器

參照圖1，本發(fā)明的自動化控制系統(tǒng)1用于實(shí)現(xiàn)對機(jī)械本體的自動化控制，包括客戶端11、運(yùn)動控制器12和伺服驅(qū)動器13。

客戶端11用于發(fā)送控制指令至運(yùn)動控制器，以及接收由運(yùn)動控制器發(fā)送來的機(jī)械本體的運(yùn)動信息。

具體地，客戶端11可以發(fā)送單一控制指令，也可以發(fā)送系列控制指令。其中，單一控制指令用于控制機(jī)械本體執(zhí)行單一的動作，如啟動、停止、暫停、恢復(fù)、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、前移、后移等等。系列控制指令用于控制機(jī)械本體執(zhí)行一系列操作，如拾取操作、旋轉(zhuǎn)操作等等。

機(jī)械本體的運(yùn)動信息包括運(yùn)動狀態(tài)信息以及各個關(guān)節(jié)的位置數(shù)據(jù)。其中，運(yùn)動狀態(tài)信息包括正常運(yùn)動、異常運(yùn)動等等。

客戶端11可以采用觸摸屏、按鈕等發(fā)送控制指令，通過顯示屏顯示接收到的機(jī)械本體反饋的運(yùn)動信息，以及顯示機(jī)械本體的仿真運(yùn)動。

優(yōu)選地，客戶端11采用上位機(jī)，即可以直接發(fā)出操控命令的計(jì)算機(jī)。上位機(jī)可以是示教器或者工控機(jī)。其中，示教器又叫示教編程器，是由電子系統(tǒng)或計(jì)算機(jī)系統(tǒng)執(zhí)行的。工控機(jī)(Industrial Personal Computer，IPC)即工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，是一種采用總線結(jié)構(gòu)，對生產(chǎn)過程及機(jī)電設(shè)備、工藝裝備進(jìn)行檢測與控制的工具總稱。工控機(jī)具有重要的計(jì)算機(jī)屬性和特征，如具有計(jì)算機(jī)CPU、硬盤、內(nèi)存、外設(shè)及接口，并有操作系統(tǒng)、控制網(wǎng)絡(luò)和協(xié)議、計(jì)算能力、友好的人機(jī)界面。工控行業(yè)的產(chǎn)品和技術(shù)非常特殊，屬于中間產(chǎn)品，是為其他各行業(yè)提供可靠、嵌入式、智能化的工業(yè)計(jì)算機(jī)。

在本發(fā)明一實(shí)施例中，客戶端11可通過離線編程來生成控制指令。其中，客戶端可使用的語言包括G代碼、PYTHON語言和C/C++語言?？蛻舳诉€包括仿真環(huán)境，能夠根據(jù)要求離線仿真出機(jī)械本體的運(yùn)動軌跡并且評估運(yùn)動的可行性，同時能夠根據(jù)反饋回來的機(jī)械本體的每個關(guān)節(jié)的位置數(shù)據(jù)實(shí)時模擬機(jī)械本體的最新運(yùn)動情況。

運(yùn)動控制器12用于根據(jù)控制指令生成機(jī)械本體各個關(guān)節(jié)的位置數(shù)據(jù)并發(fā)送至伺服驅(qū)動器13，以及接收由伺服驅(qū)動器13發(fā)送來的機(jī)械本體的運(yùn)動信息并發(fā)送至客戶端。

其中，運(yùn)動控制器12集成于一片上系統(tǒng)，用于運(yùn)行一運(yùn)動控制程序，以根據(jù)控制指令生成機(jī)械本體各個關(guān)節(jié)的位置數(shù)據(jù)并發(fā)送至伺服驅(qū)動器13，以及接收由伺服驅(qū)動器13發(fā)送來的機(jī)械本體的運(yùn)動信息并發(fā)送至客戶端。

運(yùn)動控制器12與客戶端之間通過網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)通信；運(yùn)動控制器12與伺服控制器13之間通過SPI總線連接，采用全雙工數(shù)據(jù)傳輸。

運(yùn)動控制器12由嵌入式系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)。具體地，運(yùn)動控制器采用四核ARM構(gòu)架，cortex A8處理器，主頻為900M Hz，運(yùn)行Linux操作系統(tǒng)，能夠接收客戶端發(fā)送來的控制指令、數(shù)據(jù)等，且針對不同的控制指令，生成對應(yīng)的各關(guān)節(jié)的位置數(shù)據(jù)。對于本領(lǐng)域技術(shù)人員人員，根據(jù)控制指令和機(jī)械本體所處的環(huán)境信息來生成對應(yīng)的各個關(guān)節(jié)的位置數(shù)據(jù)是已經(jīng)比較成熟的算法，是能夠?qū)崿F(xiàn)的。該算法的具體實(shí)現(xiàn)不是本發(fā)明的重點(diǎn)所在，故在此不再贅述。

如圖2所示，在本發(fā)明一優(yōu)選實(shí)施例中，運(yùn)動控制器12包括路徑規(guī)劃單元121、插補(bǔ)平滑單元122、逆運(yùn)動學(xué)單元123、網(wǎng)絡(luò)通信單元124和SPI通信單元125。

網(wǎng)絡(luò)通信單元124用于通過以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)與客戶端之間的通信。具體地，網(wǎng)絡(luò)通信單元124接收客戶端發(fā)送來的控制指令，及發(fā)送機(jī)械本體的運(yùn)動信息至客戶端。

路徑規(guī)劃單元121用于規(guī)劃機(jī)械本體的路徑。其中，路徑規(guī)劃單元121可根據(jù)不同的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)劃不同的路徑，如最短路徑、最平緩路徑、最遠(yuǎn)路徑等等。

插補(bǔ)平滑單元122用于平滑所規(guī)劃的機(jī)械本體路徑。平滑處理后的路徑避免了機(jī)械本體不必要的劇烈轉(zhuǎn)動。對于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言，平滑路徑已經(jīng)是非常成熟的現(xiàn)有技術(shù)，包括多種算法，在此不再贅述。

逆運(yùn)動學(xué)單元123用于將平滑后的機(jī)械本體路徑的位置信息轉(zhuǎn)換為機(jī)械本體各關(guān)節(jié)的位置數(shù)據(jù)。逆運(yùn)動學(xué)是決定要達(dá)成所需要的姿勢所要設(shè)置的關(guān)節(jié)可活動對象的參數(shù)的過程。

SPI通信單元125用于通過SPI總線實(shí)現(xiàn)與伺服驅(qū)動器之間的通信。具體地，SPI通信單元125通過SPI總線發(fā)送機(jī)械本體的控制數(shù)據(jù)至伺服驅(qū)動器，及接收伺服控制器發(fā)送來的機(jī)械本體的運(yùn)動信息。

優(yōu)選地，運(yùn)動控制器12還包括IO控制單元、錯誤處理單元和測試單元。IO控制單元用于負(fù)責(zé)接收IO狀態(tài)，并將IO進(jìn)行清零或置位。錯誤處理單元用于接收并上報伺服驅(qū)動器發(fā)送來的錯誤信息。測試單元用于對運(yùn)動控制器進(jìn)行系統(tǒng)測試和調(diào)試。

伺服驅(qū)動器13用于根據(jù)機(jī)械本體各個關(guān)節(jié)的位置數(shù)據(jù)生成機(jī)械本體上各個電機(jī)的控制參數(shù)，以及獲取機(jī)械本體的運(yùn)動信息并發(fā)送至運(yùn)動控制器12。

其中，伺服驅(qū)動器13集成于一片上系統(tǒng)，用于運(yùn)行一伺服驅(qū)動程序，以根據(jù)機(jī)械本體各個關(guān)節(jié)的位置數(shù)據(jù)生成機(jī)械本體上各個電機(jī)的控制參數(shù)，以及獲取機(jī)械本體的運(yùn)動信息并發(fā)送至運(yùn)動控制器12。

具體地，伺服驅(qū)動器13由嵌入式系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)。在本發(fā)明的一個優(yōu)選實(shí)施例中，采用FPGA運(yùn)行NIOS和VERILOG，以SPI NIOS核接收各個關(guān)節(jié)的位置數(shù)據(jù)并轉(zhuǎn)換成每個電機(jī)的控制參數(shù)，然后通過Mailbox將每個電機(jī)的控制參數(shù)分發(fā)到六個電機(jī)控制NIOS核中，達(dá)到六軸同步控制的目的。

其中，伺服驅(qū)動器13和機(jī)械本體上的電機(jī)通過RS485總線連接。

如圖3所示，在本發(fā)明一優(yōu)選實(shí)施例中，伺服驅(qū)動器13包括SPI通信單元131和電機(jī)位置和速度控制單元132。

SPI通信單元131用于通過SPI總線實(shí)現(xiàn)與運(yùn)動控制器之間的通信。具體地，SPI通信單元通過SPI總線接收機(jī)械本體上各個電機(jī)的控制參數(shù)，并將機(jī)械本體的運(yùn)動信息發(fā)送至運(yùn)動控制器。

電機(jī)位置和速度控制單元132用于根據(jù)機(jī)械本體上各個電機(jī)的控制參數(shù)控制各個電機(jī)的運(yùn)動，以及獲取機(jī)械本體的運(yùn)動信息。具體地，電機(jī)位置和速度控制單元通過ENDAT2.2協(xié)議根據(jù)機(jī)械本體上各個電機(jī)的控制參數(shù)控制各個電機(jī)的運(yùn)動，以及獲取機(jī)械本體的運(yùn)動信息。

優(yōu)選地，伺服驅(qū)動器13還包括節(jié)能單元、錯誤檢測單元和硬件測試單元。節(jié)能單元用于根據(jù)檢測到的機(jī)械本體的電機(jī)驅(qū)動板的各個狀態(tài)，調(diào)節(jié)功率輸出。錯誤檢測單元用于檢測伺服驅(qū)動器的錯誤信息。硬件測試單元用于對伺服驅(qū)動器的硬件進(jìn)行測試和調(diào)試。

優(yōu)選地，如圖4所示，本發(fā)明的自動化控制系統(tǒng)還包括圖像獲取裝置14，該圖像獲取裝置14用于獲取機(jī)械本體所處的實(shí)時環(huán)境圖像，并發(fā)送至運(yùn)動控制器。其中，圖像獲取裝置采用攝像頭。

圖像獲取裝置14可以設(shè)置在機(jī)械本體上，也可以設(shè)置在能夠獲取機(jī)械本體所處的環(huán)境圖像的任意位置處。圖像獲取裝置14可以與運(yùn)動控制器12直接相連，也可以通過無線通信的方式進(jìn)行連接。

相應(yīng)地，運(yùn)動控制器12還包括環(huán)境檢測單元，該環(huán)境檢測單元用于根據(jù)機(jī)械本體所處的實(shí)時環(huán)境圖像，獲取機(jī)械本體所處的實(shí)時環(huán)境信息。

路徑規(guī)劃單元用于根據(jù)機(jī)械本體所處的實(shí)時環(huán)境信息為機(jī)械本體規(guī)劃路徑。例如，路徑規(guī)劃單元規(guī)劃路徑時，若實(shí)時環(huán)境信息表明路徑前方有障礙物，則重新規(guī)劃路徑。

優(yōu)選地，本發(fā)明的自動化控制系統(tǒng)中，運(yùn)動控制器12和伺服驅(qū)動器13集成于同一片上系統(tǒng)。

參照圖5，本發(fā)明的機(jī)械設(shè)備包括機(jī)械本體2，與機(jī)械本體相連的上述自動化控制系統(tǒng)1，以通過自動化控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對機(jī)械本體的自動化控制。

參照圖6，本發(fā)明的自動化控制方法用于實(shí)現(xiàn)對機(jī)械本體的自動化控制，包括以下步驟：

步驟S1、通過客戶端發(fā)送控制指令至運(yùn)動控制器，同時接收由運(yùn)動控制器發(fā)送來的機(jī)械本體的運(yùn)動信息。

具體地，客戶端可以發(fā)送單一控制指令，也可以發(fā)送系列控制指令。其中，單一控制指令用于控制機(jī)械本體執(zhí)行單一的動作，如啟動、停止、暫停、恢復(fù)、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、前移、后移等等。系列控制指令用于控制機(jī)械本體執(zhí)行一系列操作，如拾取操作、旋轉(zhuǎn)操作等等。

機(jī)械本體的運(yùn)動信息包括運(yùn)動狀態(tài)信息以及各個關(guān)節(jié)的位置數(shù)據(jù)。其中，運(yùn)動狀態(tài)信息包括正常運(yùn)動、異常運(yùn)動等等。

客戶端可以采用觸摸屏、按鈕等發(fā)送控制指令，通過顯示屏顯示接收到的機(jī)械本體反饋的運(yùn)動信息，以及顯示機(jī)械本體的仿真運(yùn)動。

優(yōu)選地，客戶端采用上位機(jī)，即可以直接發(fā)出操控命令的計(jì)算機(jī)。上位機(jī)可以是示教器或者工控機(jī)。其中，示教器又叫示教編程器，是由電子系統(tǒng)或計(jì)算機(jī)系統(tǒng)執(zhí)行的。工控機(jī)(Industrial Personal Computer，IPC)即工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，是一種采用總線結(jié)構(gòu)，對生產(chǎn)過程及機(jī)電設(shè)備、工藝裝備進(jìn)行檢測與控制的工具總稱。工控機(jī)具有重要的計(jì)算機(jī)屬性和特征，如具有計(jì)算機(jī)CPU、硬盤、內(nèi)存、外設(shè)及接口，并有操作系統(tǒng)、控制網(wǎng)絡(luò)和協(xié)議、計(jì)算能力、友好的人機(jī)界面。工控行業(yè)的產(chǎn)品和技術(shù)非常特殊，屬于中間產(chǎn)品，是為其他各行業(yè)提供可靠、嵌入式、智能化的工業(yè)計(jì)算機(jī)。

在本發(fā)明一實(shí)施例中，客戶端可通過離線編程來生成控制指令。其中，客戶端可使用的語言包括G代碼、PYTHON語言和C/C++語言。客戶端還包括仿真環(huán)境，能夠根據(jù)要求離線仿真出機(jī)械本體的運(yùn)動軌跡并且評估運(yùn)動的可行性，同時能夠根據(jù)反饋回來的機(jī)械本體的每個關(guān)節(jié)的位置數(shù)據(jù)實(shí)時模擬機(jī)械本體的最新運(yùn)動情況。

步驟S2、通過運(yùn)動控制器根據(jù)控制指令生成機(jī)械本體各個關(guān)節(jié)的位置數(shù)據(jù)并發(fā)送至伺服驅(qū)動器，同時接收由伺服驅(qū)動器發(fā)送來的機(jī)械本體的運(yùn)動信息并發(fā)送至客戶端。

其中，運(yùn)動控制器集成于一片上系統(tǒng)，用于運(yùn)行一運(yùn)動控制程序，以根據(jù)控制指令生成機(jī)械本體各個關(guān)節(jié)的位置數(shù)據(jù)并發(fā)送至伺服驅(qū)動器，以及接收由伺服驅(qū)動器發(fā)送來的機(jī)械本體的運(yùn)動信息并發(fā)送至客戶端。

運(yùn)動控制器與客戶端之間通過網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)通信；運(yùn)動控制器與伺服控制器之間通過SPI總線連接，采用全雙工數(shù)據(jù)傳輸。

運(yùn)動控制器由嵌入式系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)。具體地，運(yùn)動控制器采用四核ARM構(gòu)架，cortex A8處理器，主頻為900MHz，運(yùn)行Linux操作系統(tǒng)，能夠接收客戶端發(fā)送來的控制指令、數(shù)據(jù)等，且針對不同的控制指令，生成對應(yīng)的各關(guān)節(jié)的位置數(shù)據(jù)。對于本領(lǐng)域技術(shù)人員人員，根據(jù)控制指令和機(jī)械本體所處的環(huán)境信息來生成對應(yīng)的各個關(guān)節(jié)的位置數(shù)據(jù)是已經(jīng)比較成熟的算法，是能夠?qū)崿F(xiàn)的。該算法的具體實(shí)現(xiàn)不是本發(fā)明的重點(diǎn)所在，故在此不再贅述。

在本發(fā)明一優(yōu)選實(shí)施例中，運(yùn)動控制器執(zhí)行以下操作：

1)通過網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)與客戶端之間的通信。

具體地，通過網(wǎng)絡(luò)接收客戶端發(fā)送來的控制指令，及發(fā)送機(jī)械本體的運(yùn)動信息至客戶端。

2)規(guī)劃機(jī)械本體的路徑。

其中，路徑規(guī)劃單元可根據(jù)不同的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)劃不同的路徑，如最短路徑、最平緩路徑、最遠(yuǎn)路徑等等。

3)平滑所規(guī)劃的機(jī)械本體路徑。

平滑處理后的路徑避免了機(jī)械本體不必要的劇烈轉(zhuǎn)動。對于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言，平滑路徑已經(jīng)是非常成熟的現(xiàn)有技術(shù)，包括多種算法，在此不再贅述。

4)將平滑后的機(jī)械本體路徑的位置信息轉(zhuǎn)換為機(jī)械本體各關(guān)節(jié)的位置數(shù)據(jù)。

逆運(yùn)動學(xué)是決定要達(dá)成所需要的姿勢所要設(shè)置的關(guān)節(jié)可活動對象的參數(shù)的過程。

5)通過SPI總線實(shí)現(xiàn)與伺服驅(qū)動器之間的通信。

具體地，通過SPI總線發(fā)送機(jī)械本體的控制數(shù)據(jù)至伺服驅(qū)動器，及接收伺服控制器發(fā)送來的機(jī)械本體的運(yùn)動信息。

優(yōu)選地，運(yùn)動控制器還包括檢測運(yùn)動控制器的錯誤信息，對運(yùn)動控制器進(jìn)行系統(tǒng)測試和調(diào)試，以及接收IO狀態(tài)，并將IO進(jìn)行清零或置位。

步驟S3、通過伺服驅(qū)動器根據(jù)機(jī)械本體各個關(guān)節(jié)的位置數(shù)據(jù)生成機(jī)械本體上各個電機(jī)的控制參數(shù)，同時獲取機(jī)械本體的運(yùn)動信息并發(fā)送至運(yùn)動控制器。

其中，伺服驅(qū)動器集成于一片上系統(tǒng)，用于運(yùn)行一伺服驅(qū)動程序，以根據(jù)機(jī)械本體各個關(guān)節(jié)的位置數(shù)據(jù)生成機(jī)械本體上各個電機(jī)的控制參數(shù)，以及獲取機(jī)械本體的運(yùn)動信息并發(fā)送至運(yùn)動控制器。

具體地，伺服驅(qū)動器由嵌入式系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)。在本發(fā)明的一個優(yōu)選實(shí)施例中，采用FPGA運(yùn)行NIOS和VERILOG，以SPI NIOS核接收各個關(guān)節(jié)的位置數(shù)據(jù)并轉(zhuǎn)換成每個電機(jī)的控制參數(shù)，然后通過Mailbox將每個電機(jī)的控制參數(shù)分發(fā)到六個電機(jī)控制NIOS核中，達(dá)到六軸同步控制的目的。

其中，伺服驅(qū)動器和機(jī)械本體上的電機(jī)通過RS485總線連接。

在本發(fā)明一優(yōu)選實(shí)施例中，伺服驅(qū)動器執(zhí)行以下操作：

1)根據(jù)機(jī)械本體上各個電機(jī)的控制參數(shù)控制各個電機(jī)的運(yùn)動，以及獲取機(jī)械本體的運(yùn)動信息。

具體地，通過ENDAT2.2協(xié)議根據(jù)機(jī)械本體上各個電機(jī)的控制參數(shù)控制各個電機(jī)的運(yùn)動，以及獲取機(jī)械本體的運(yùn)動信息。

2)通過SPI總線實(shí)現(xiàn)與運(yùn)動控制器之間的通信。

具體地，通過SPI總線接收機(jī)械本體上各個電機(jī)的控制參數(shù)，并將機(jī)械本體的運(yùn)動信息發(fā)送至運(yùn)動控制器。

優(yōu)選地，伺服驅(qū)動器還能夠根據(jù)檢測到的機(jī)械本體的電機(jī)驅(qū)動板的各個狀態(tài)，調(diào)節(jié)功率輸出的節(jié)能效果、檢測伺服驅(qū)動器的錯誤信息，以及對伺服驅(qū)動器的硬件進(jìn)行測試和調(diào)試。

優(yōu)選地，本發(fā)明的自動化控制方法還包括通過圖像獲取裝置獲取機(jī)械本體所處的實(shí)時環(huán)境圖像，并發(fā)送至運(yùn)動控制器。其中，圖像獲取裝置采用攝像頭。

圖像獲取裝置可以設(shè)置在機(jī)械本體上，也可以設(shè)置在能夠獲取機(jī)械本體所處的環(huán)境圖像的任意位置處。圖像獲取裝置可以與運(yùn)動控制器直接相連，也可以通過無線通信的方式進(jìn)行連接。

相應(yīng)地，運(yùn)動控制器還包括執(zhí)行以下操作：根據(jù)機(jī)械本體所處的實(shí)時環(huán)境圖像，獲取機(jī)械本體所處的實(shí)時環(huán)境信息；根據(jù)機(jī)械本體所處的實(shí)時環(huán)境信息為機(jī)械本體規(guī)劃路徑。例如，路徑規(guī)劃單元規(guī)劃路徑時，若實(shí)時環(huán)境信息表明路徑前方有障礙物，則重新規(guī)劃路徑。

優(yōu)選地，本發(fā)明的自動化控制方法中，運(yùn)動控制器和伺服驅(qū)動器集成于同一片上系統(tǒng)。

綜上所述，本發(fā)明的自動化控制系統(tǒng)及方法、機(jī)械設(shè)備通過嵌入式編程實(shí)現(xiàn)安全、高速的自動化控制，其成本低、運(yùn)算精度高；將自動化控制系統(tǒng)分成了用戶層、運(yùn)動控制層和伺服驅(qū)動層，各層之間分工明確且緊密銜接；運(yùn)動控制層和伺服驅(qū)動層之間的協(xié)議內(nèi)容能夠自定義，能夠以最小的數(shù)據(jù)量傳輸最大的信息量以實(shí)現(xiàn)最大的響應(yīng)時間和更快的運(yùn)行速度；將運(yùn)動控制器和伺服驅(qū)動器集成在一起，實(shí)現(xiàn)驅(qū)控一體，便于進(jìn)行軟硬件升級，易于快速適應(yīng)于不同的機(jī)械本體；克服現(xiàn)有示教編程的弊端，能夠智能地實(shí)時結(jié)合外部環(huán)境進(jìn)行自動化控制，保證以最優(yōu)且最安全的方式運(yùn)行；能夠同時支持六軸同步運(yùn)動，八軸獨(dú)立控制，具有極大的靈活性與較廣的適用范圍。所以，本發(fā)明有效克服了現(xiàn)有技術(shù)中的種種缺點(diǎn)而具高度產(chǎn)業(yè)利用價值。

上述實(shí)施例僅例示性說明本發(fā)明的原理及其功效，而非用于限制本發(fā)明。任何熟悉此技術(shù)的人士皆可在不違背本發(fā)明的精神及范疇下，對上述實(shí)施例進(jìn)行修飾或改變。因此，舉凡所屬技術(shù)領(lǐng)域中具有通常知識者在未脫離本發(fā)明所揭示的精神與技術(shù)思想下所完成的一切等效修飾或改變，仍應(yīng)由本發(fā)明的權(quán)利要求所涵蓋。