[发明专利]一种实时分布式协作机器人控制系统

权利要求书

1.一种实时分布式协作机器人控制系统，其特征在于，所述控制系统与机器人本体连接，所述控制系统包括：

Linux操作系统单元，用于为建立所述机器人的操作运行环境构建Ubuntu环境；

实时内核单元，用于执行所述控制系统的实时控制；其中，所述实时内核单元是基于所述Linux操作系统单元，通过对原生Linux内核进行修改和编译来构建的；

数据分发服务单元，用于对数据进行分发和订阅；其中，所述数据分发服务单元是基于ROS2的环境构建的；

与所述数据分发服务单元连接的机器人控制单元，包括实时控制模块和非实时控制模块；所述实时控制模块用于基于所述实时内核单元根据实时任务计算得到第一控制指令，并将所述第一控制指令输入至EtherCAT现场总线单元；所述非实时控制模块，用于根据非实时任务计算得到第二控制指令，并将所述第二控制指令输入至所述EtherCAT现场总线单元；

所述EtherCAT现场总线单元，用于将接收到的所述实时控制模块和所述非实时控制模块发送的控制信号，通过EtherCAT总线传输到所述机器人本体的驱动器进行相应的控制；

其中，所述实时控制模块的工作原理包括：

设置操作系统的调度模式为先进先出模式，然后设置较高的调度优先级；

对内存提前分配并固定，通过设置参数cpu_dma_latency为0,来拒绝处理器进入低损耗模式，从而使处理器的电源状态处于最高级；

采用高精度定时器进行定时，通过获取时间函数clock_gettime,来获得当前精确的时间，来提升计时的准确性，在这个过程中不能引入IO操作，通过始终高分辨率睡眠函数clock_nanosleep来设置定时周期，实现定时延迟；

根据预设条件的判断,若任务未完成,则循环执行对应 的任务,若任务完成,则结束当前任务执 行下一程序 任务；

所述实时控制模块具体用于：

设置所述操作系统的调度模式为先进先出模式；

设置调度优先级；

对内存进行提前分配及固定；

设置拒绝处理器进入低损耗模式；

通过所述实时内核单元的高分辨率定时器进行定时，并通过设置定时周期，来根据实时任务进行计算。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，通过以下方式构建所述实时内核单元：

对所述原生Linux内核配置实时抢占补丁，并重新编译；其中，抢占模式设置为全抢占内核，定时系统设置为高分辨率计时器，定时器中断处理设置为无中断，默认的CPU频率调节策略设置为性能优先，且处理器的电源状态设置为最高级。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述数据分发服务单元中构建服务质量策略QoS。

4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述机器人控制单元具体用于：

针对数据任务，根据正向运动学、逆向运动学、以及动力学建立模型；

根据所述模型，进行笛卡尔层和关节空间的规划；

根据所述关节空间的规划，由所述实时控制模块基于实时内核单元计算，得到针对空间的力量控制和位置控制的第一控制指令，并将所述第一控制指令输入至所述EtherCAT现场总线单元；

根据所述笛卡尔层的规划，由所述非实时控制模块计算得到针对笛卡尔层的力量控制和位置控制的第二控制指令，并将所述第二控制指令输入至所述EtherCAT现场总线单元。

5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述实时控制模块针对力量控制的计算公式包括：

其中，K_θ，D_θ是位置和速度比例增益系数，G(θ_Ld)表示基于连杆端期望的位置常重力补偿，θ_md为期望电机位置，θ_m为实际电机位置、为实际电机速度，T_i表示位置控制环力矩输出，I_m为电机的惯量，I_n是名义的电机的惯量，T是实际的电机力矩，D为电机阻尼，D_n为名义电机的阻尼，Tm是电机控制力矩，K是刚度矩阵。