基于可编程逻辑器件的开放式机器人控制系统的操作控制终端装置

1.本发明属于数控自动化技术领域，具体涉及一种基于可编程逻辑器件的开放式机器人控制系统的操作控制终端装置。


背景技术：

2.随着制造业向高度自动化、网络化和智能化方向发展，高性能机器人技术广泛应用于工业生产现场。为便于远程控制的机器人位姿调整以及示教轨迹点的采集和控制，十分有必要研发一种低成本、开放式机器人控制系统的操作控制终端装置。


技术实现要素：

3.本发明立足于基于“pc 可编程i/o接口卡”的开放式机器人控制系统的体系结构，该体系的结构特点是将大部分控制功能软件化由pc机实现，保留小部分强实时性功能由机器人控制系统i/o接口卡实现。
4.基于以上开放式机器人控制系统的体系结构，本发明采用cpld作为操作控制终端的核心处理器，结合rs485总线接口，充分利用了cpld逻辑资源，形成了以cpld fpga为核心的机器人控制系统底层逻辑功能硬件，能满足机器人控制系统高速运行和分布式控制要求，同时避免了使用主流的fpga或arm处理器带来的操作控制终端功能冗余和成本高等问题。
5.本发明的目的在于设计一种基于可编程逻辑器件的开放式机器人控制系统的操作控制终端装置，利用该装置和机器人控制系统i/o接口卡相配合，能够在工业现场操作矩阵键盘的功能按键控制机器人的示教动作和程序启停，将采集的机器人各关节位置信息上传给机器人控制系统的pc机端，同时接收机器人控制系统i/o接口卡和pc机反馈的响应信号并显示在lcd显示屏上，完成机器人控制的人机交互。
6.本装置用于实现基于rs485的开放式机器人操作控制终端与机器人控制系统i/o接口卡的远程通讯，作为人机交互设备完成工业现场对机器人的示教及程序启停等功能。本装置由可编程逻辑控制板卡、lcd显示屏、急停按钮、上电按钮、使能按钮等组成。可编程逻辑控制板卡通过矩阵键盘、可编程逻辑器件和rs485电平转换芯片等元器件将控制指令传输给机器人控制系统i/o接口卡。操作控制终端以可编程逻辑器件cpld为支撑硬件，设有矩阵键盘采集与编码模块、rs485传输模块、lcd显示控制模块和数据管理模块等应用模块。矩阵键盘采集与编码模块将按键信号采集并编码，经过数据管理模块的分发，一路传给lcd显示控制模块进行状态显示，一路传给rs485发送模块进而传输给机器人控制系统i/o接口卡。机器人控制系统i/o接口卡反馈的信号经过rs485接收模块后，通过数据管理模块后传输给lcd显示控制模块。数据管理模块作为操作控制终端的信号调度中心，将按键信号和接收到的反馈信号按照信号类型统一处理后分发给相应模块，使各模块间协同有效工作。
7.本发明解决其技术问题具体采用的技术方案是：
一种基于可编程逻辑器件的开放式机器人控制系统的操作控制终端装置，其特征在于：操作控制终端通过rs485总线接口与机器人控制系统i/o接口卡进行数据传输，再由i/o接口卡通过ethercat总线与机器人控制系统的pc机进行数据传输，以及由i/o接口卡通过rs232、i2c等总线与外围设备进行数据传输，从而实现操作控制终端与pc机和机器人等外围设备数据传输；操作控制终端装置包括：可编程逻辑控制板卡，以及分别连接可编程逻辑控制板卡的lcd显示屏、急停按钮、上电按钮和使能按钮；所述可编程逻辑控制板卡设有矩阵键盘、rs485接口、rs232接口、lcd显示接口、通用io接口；所述可编程逻辑控制板卡与lcd显示屏采用8位并行数据接口连接；所述操作控制终端装置通过通用i/o接口连接外围设备控制机器人辅助执行机构。
8.进一步地，所述可编程逻辑控制板卡包括：cpld芯片以及分别连接cpld芯片的电压转换电路、时钟电路、rs485接口电路、rs232接口电路、矩阵键盘电路、lcd显示接口电路、jtag接口电路，由cpld芯片实现操作控制终端的逻辑控制；基于cpld构建：矩阵键盘采集与编码模块、rs485传输模块、rs232传输模块、lcd显示控制模块、数据管理模块等逻辑功能模块；可编程逻辑控制板卡处理包括矩阵键盘编码数据、rs485数据帧和lcd显示状态机跳转的控制任务，并为基于并行数据传输的lcd显示驱动模块提供数据接口。
9.进一步地，所述可编程逻辑控制板卡的cpld芯片中设有四种通讯通道，用于实现操作控制终端装置和机器人控制系统i/o接口卡及其它外围设备的双向数据传输：其中第一种通道用于操作控制终端装置通过rs485传输模块向机器人控制系统i/o接口卡发送轴运动信号、示教点信息和程序信息命令，并接收机器人控制系统i/o接口卡反馈的响应信号；第二种通道用于操作控制终端装置通过lcd显示控制模块向lcd显示屏发送状态指令和待显示数据信息；第三种通道用于操作控制终端装置通过rs232传输模块与pc机进行通信调试功能；最后一种通道通过i/o信号采集模块连接其他类型的外设，作为操作控制终端装置的可扩展通道。
10.进一步地，所述可编程逻辑控制板卡以可编程逻辑器件cpld为支撑硬件，设有与机器人控制系统i/o接口卡通信的rs485传输模块，以及对应rs232传输模块、lcd显示控制模块、矩阵键盘采集与编码模块、数据管理模块的应用层逻辑功能模块；所述rs485传输模块将编码后的矩阵键盘按键信号封装成帧发送给机器人控制系统i/o接口卡，并接收机器人控制系统i/o接口卡反馈的响应信号进行解码后传送到lcd显示控制模块进行状态显示；机器人控制系统i/o接口卡接收到操作终端运动指令后产生相应倍率的脉冲信号驱动机器人各关节轴运动；当机器人末端执行器到达指定位置后，可编程逻辑控制板卡发送提取指令给机器人控制系统i/o接口卡进行各关节位置数据的采集；在提取完当前位置机器人各关节数据后，可编程逻辑控制板卡发送结束指令给机器人控制系统i/o接口卡，i/o接口卡将所采集的当前位置机器人关节数据上传到机器人控制系统的pc机端；机器人控制系统i/o接口卡成功完成操作控制终端相关指令后向可编程逻辑控制
板卡发送反馈响应信号，可编程逻辑控制板卡根据接收到的响应信号驱动lcd屏显示相关状态。
11.进一步地，基于可编程逻辑器件的逻辑顶层例化的功能模块包括rs485传输模块、rs232传输模块、lcd显示控制模块、矩阵键盘采集与编码模块、数据管理模块、时钟分频模块、i/o信号采集模块：所述rs485传输模块通过rs485电平转换芯片与机器人控制系统i/o接口卡通信，该模块例化了rs485接收模块和rs485发送模块；rs485发送模块将数据管理模块封装的按键信号以串行数据的形式一位一位地发送至机器人控制系统i/o接口卡的片上fifo中，使其执行相应指令；rs485接收模块接收机器人控制系统i/o接口卡反馈的串行响应信号，并组装为八位并行数据，通过数据管理模块的解码后送至lcd显示控制模块进行信息显示；所述rs232传输模块通过rs232电平转换芯片与pc机串口调试助手通信，该模块例化了rs232接收模块和rs232发送模块，用于可编程逻辑控制板卡的功能调试；所述lcd显示控制模块例化了lcd状态控制模块和lcd读写控制模块；lcd状态控制模块完成对lcd屏的初始化配置，并根据当前lcd屏显示内容和按键信号以及响应信号进行待显示数据的更新，传输给lcd读写控制模块；lcd读写控制模块接收待显示数据并按照lcd屏的接口时序传输给lcd进行内容显示；所述矩阵键盘采集与编码模块对矩阵键盘持续进行行扫描，当检测到发生按键动作后，对按键信号进行消抖处理得到稳定的行列信号，根据按键位置行列信号进行统一编码，编码后的按键数据传输给数据管理模块；所述数据管理模块将矩阵键盘采集与编码模块采集的矩阵键盘信号进行封装，并根据信号类型协调分发给rs485发送模块和lcd显示控制模块；数据管理模块接收rs485接收模块组装的响应数据，根据对应的命令参数值存入不同的寄存器中，最后解码发送给lcd显示控制模块。
12.进一步地，所述操作控制终端装置以可编程逻辑控制器件为支撑，以实现上电自动初始化lcd显示屏；矩阵键盘按键信号经矩阵键盘采集与编码模块处理后传输给数据管理模块，数据管理模块将按键编码数据分配给rs485发送模块发送给机器人控制系统i/o接口卡；rs485接收模块同时接收i/o接口卡反馈的响应信号，以完成指令动作的应答；通过操作控制终端上的矩阵键盘和lcd显示屏，以直完成现场控制机器人的示教点提取和程序启停功能。
13.相比于现有主流技术方案，本发明及其优选方案采用的是与原有的开放式机器人控制系统可编程i/o接口卡相互配合的方式，设计基于可编程逻辑器件cpld的逻辑功能模块，构成以cpld fpga为核心的机器人控制系统下层硬件平台。相对于主流的以嵌入式arm dsp或fpga的机器人操控终端设备，本发明可以更低成本的实现机器人现场控制的任务，不会产生与机器人控制系统软件功能冗余问题。同时可以方便地连接各类型外设，具有可扩展性。采用的rs485通信可以满足数据较长距离传输的要求，方便快捷地完成控制任务，使操作控制终端满足分布式工业环境。
附图说明
14.下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步详细的说明：
图1为本发明实施例操作控制终端装置框架图。
15.图2是本发明实施例可编程逻辑控制板卡硬件电路及逻辑功能模块构成示意图。
16.图3是本发明实施例操作控制终端装置操作流程图。
具体实施方式
17.为让本专利的特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，作详细说明如下：应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本技术提供进一步的说明。除非另有指明，本说明书使用的所有技术和科学术语具有与本技术所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
18.需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本技术的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
19.本发明实施例提供一种基于可编程逻辑器件的开放式机器人控制系统的操作控制终端装置，如图1所示。操作控制终端通过rs485总线接口与机器人控制系统i/o接口卡进行数据传输，再由i/o接口卡通过ethercat总线与机器人控制系统的pc机进行数据传输，以及由i/o接口卡通过rs232、i2c等总线与外围设备（伺服驱动器等）进行数据传输，从而实现操作控制终端与pc机和机器人等外围设备数据传输。操作控制终端装置由可编程逻辑控制板卡、lcd显示屏、急停按钮、上电按钮、使能按钮等组成；可编程逻辑控制板卡与lcd显示屏采用8位并行数据接口连接；操作控制终端装置通过通用i/o接口连接外围设备控制机器人辅助执行机构。
20.在本发明一实施例中，可编程逻辑控制板卡由电压转换电路、时钟电路、rs485接口电路、rs232接口电路、矩阵键盘电路、lcd显示接口电路、jtag接口电路等电路模块组成，如图2所示。可编程逻辑控制板卡由cpld芯片实现操作控制终端的逻辑控制。基于cpld设计矩阵键盘采集与编码模块、rs485传输模块、rs232传输模块、lcd显示控制模块、数据管理模块等逻辑功能模块。可编程逻辑控制板卡处理矩阵键盘编码数据、rs485数据帧和lcd显示状态机跳转等控制任务，并为基于并行数据传输的lcd显示驱动模块提供数据接口。
21.在本发明一实施例中，可编程逻辑控制板卡的cpld芯片中设有四种通讯通道，用于实现操作控制终端装置和机器人控制系统i/o接口卡及其它外围设备的双向数据传输。其中第一种通道用于操作控制终端装置通过rs485传输模块向机器人i/o接口卡发送轴运动信号、示教点信息和程序信息等命令，并接收机器人i/o接口卡反馈的响应信号；第二种通道用于操作控制终端装置通过lcd显示控制模块向lcd显示屏发送状态指令和待显示数据等信息；第三种通道用于操作控制终端装置通过rs232传输模块与pc机进行通信调试等功能；最后一种通道通过i/o信号采集模块连接其他类型的外设，作为操作控制终端装置的可扩展通道。
22.在本发明一实施例中，可编程逻辑控制板卡以可编程逻辑器件cpld为支撑硬件，设有与机器人控制系统i/o接口卡通信的rs485传输模块，以及rs232传输模块、lcd显示控制模块、矩阵键盘采集与编码模块、数据管理模块等应用层逻辑功能模块。rs485传输模块将编码后的矩阵键盘按键信号封装成帧发送给机器人控制系统i/o接口卡，并接收机器人
控制系统i/o接口卡反馈的响应信号进行解码后传送到lcd显示控制模块进行状态显示。机器人控制系统i/o接口卡接收到操作终端运动指令后产生相应倍率的脉冲信号驱动机器人各关节轴运动，当机器人末端执行器到达指定位置后，可编程逻辑控制板卡发送提取指令给机器人控制系统i/o接口卡进行各关节位置数据的采集。在提取完当前位置机器人各关节数据后，可编程逻辑控制板卡发送结束指令给机器人控制系统i/o接口卡，后者将所采集的当前位置机器人关节数据上传到机器人控制系统的pc机端。机器人控制系统i/o接口卡成功完成操作控制终端相关指令后向可编程逻辑控制板卡发送反馈响应信号，后者根据接收到的响应信号驱动lcd屏显示相关状态。基于可编程逻辑器件的逻辑顶层例化的功能模块包括rs485传输模块、rs232传输模块、lcd显示控制模块、矩阵键盘采集与编码模块、数据管理模块、时钟分频模块、i/o信号采集模块。
23.rs485传输模块通过rs485电平转换芯片与机器人控制系统i/o接口卡通信，该模块例化了rs485接收模块和rs485发送模块。rs485发送模块将数据管理模块封装的按键信号以串行数据的形式一位一位地发送至机器人控制系统i/o接口卡的片上fifo中，使其执行相应指令；rs485接收模块接收机器人控制系统i/o接口卡反馈的串行响应信号，并组装为八位并行数据，通过数据管理模块的解码后送至lcd显示驱动模块进行信息显示。
24.rs232传输模块通过rs232电平转换芯片与pc机串口调试助手通信，该模块例化了rs232接收模块和rs232发送模块，用于可编程逻辑控制板卡的功能调试。
25.lcd显示控制模块例化了lcd状态控制模块和lcd读写控制模块。lcd状态控制模块完成对lcd屏的初始化配置，并根据当前lcd屏显示内容和按键信号以及响应信号进行待显示数据的更新，传输给lcd读写控制模块。lcd读写控制模块接收待显示数据并按照lcd屏的接口时序传输给lcd进行内容显示。
26.矩阵键盘采集与编码模块对矩阵键盘不断进行行扫描，当检测到发生按键动作后，对按键信号进行消抖处理得到稳定的行列信号，根据按键位置行列信号进行统一编码，编码后的按键数据传输给数据管理模块。
27.数据管理模块将矩阵键盘采集与编码模块采集的矩阵键盘信号进行封装，并根据信号类型协调分发给rs485发送模块和lcd显示驱动模块。数据管理模块接收rs485接收模块组装的响应数据，根据对应的命令参数值存入不同的寄存器中，最后解码发送给lcd显示驱动模块。
28.时钟分频模块将系统时钟按一定比例进行分频处理，分频后的时钟信号作为lcd显示控制模块驱动时钟，其它功能模块以系统时钟运行。
29.在本发明一实施例中，操作控制终端装置以可编程逻辑控制器件为支撑，实现上电自动初始化lcd显示屏。矩阵键盘按键信号经矩阵键盘采集与编码模块处理后传输给数据管理模块，数据管理模块将按键编码数据分配给rs485发送模块发送给机器人控制系统i/o接口卡。rs485接收模块同时接收i/o接口卡反馈的响应信号，完成指令动作的应答。通过操作控制终端上的矩阵键盘和lcd显示屏，可以直观方便地完成现场控制机器人的示教点提取和程序启停等功能。
30.图1为本发明实施例的操作控制终端装置框架图。操作控制终端通过rs485总线接口与机器人控制系统i/o接口卡进行数据传输，再由i/o接口卡通过ethercat总线与机器人控制系统的pc机进行数据传输，以及由i/o接口卡通过rs232、i2c等总线与外围设备（伺服
驱动器等）进行数据传输，从而实现操作控制终端与pc机和机器人等外围设备数据传输。操作控制终端与机器人控制系统i/o接口卡位于机器人控制系统下层，所示操作控制终端通过rs485总线与机器人控制系统i/o接口卡连接并进行数据传输；所示操作控制终端与lcd显示屏采用并行数据接口连接；所示操作控制终端通过rs232接口与pc机连接，进行调试工作；所示操作控制终端通过通用i/o接口连接外围设备控制机器人等执行机构。
31.图2是本发明的可编程逻辑控制板卡硬件电路模块及逻辑功能模块构成示意图。可编程逻辑控制板卡由电压转换电路、时钟电路、rs485接口电路、rs232接口电路、矩阵键盘电路、lcd显示接口电路、jtag接口电路等电路模块组成。矩阵键盘采集与编码模块将采集到的按键信号进行统一编码后发送给数据管理模块。lcd显示控制模块根据按键信号和响应信号产生待显示内容并按照lcd屏时序要求发送给lcd。rs485数据传输模块包括rs485接收模块和rs485发送模块。数据管理模块作为各功能模块的信号分配调度中心，接收rs485数据和矩阵键盘信号，并根据各信号类型分发给lcd显示控制模块和rs485发送模块。为方便调试和拓展外部接口，设计了rs232接口模块和通用i/o信号采集模块。
32.矩阵键盘作为人机交互的关键部件，划分为三大功能类型区。功能按键区用于模式选择、速度加减等功能；程序编辑区用于以特定英文字母加数字组成的程序名的编辑；运动按键区用于控制机器人六个轴和第七轴扩展轴的运动。本发明的操作控制终端设备与外界通信采用db9接口，引脚定义包括供电端口、rs485端口、急停端口、使能端口，作为连接机器人控制系统i/o接口卡的物理端口。操作控制终端还包括设备上电按钮、lcd显示屏、急停按钮、使能按钮等外围器件。当运动机器人各轴时，需保证使能按钮有效，轴运动按键才能正常工作。
33.图3是本发明的操作控制终端装置的操作流程图。系统上电后，可编程逻辑控制板卡对lcd显示屏进行初始化并显示初始界面，之后根据按键信号进入示教模式或远程模式。在示教模式下，首先输入轨迹段名称和示教点名称，然后调整速度倍率并进行各轴的运动。当末端执行器到达指定位置后，发送提取信号给机器人控制系统i/o接口卡提取当前位置信息。当提取完指定数量的示教点位置信息后，发送完成信号给机器人控制系统i/o接口卡将该示教段内各示教点信息发送给控制系统pc端上层软件。在远程模式下，首先输入待启动程序名并发送给pc端，当pc端查询到该程序名后反馈一个正确应答信号，通过机器人i/o接口卡传输给操作控制终端，进而显示在lcd显示屏上。通过选择单循环或单步运行模式进行目标程序的试运行。单循环运行模式下对目标程序进行完整的程序运行，单步运行模式下每次按键动作只对目标程序的一行运动指令进行运行，目标程序运行完成后可以进行下一次运行或结束本轮运行。
34.以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。
35.本专利不局限于上述最佳实施方式，任何人在本专利的启示下都可以得出其它各种形式的基于可编程逻辑器件的开放式机器人控制系统的操作控制终端装置，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本专利的涵盖范围。