本发明属于多关节电机驱动、控制和通信领域，具体是一种基于光通信的多关节电机驱控与通信系统。
背景技术：
运动控制系统日趋复杂，系统设备节点数越来越多，各节点间配合紧密，使得电机驱动、控制和通信系统集成和使用越来越广泛，同时也碰到了下面一系列问题：多关节驱动器与控制器之间在组网上的复杂嵌入式系统的设计与开发；嵌入式系统造成多关节机器人上增加供电模块难度，机构设计难度；嵌入式系统及其组成、保护装置使关节机构的转动惯量难以测定与设计；控制器与各关节电机控制的同步定时要求增加，同步系统难度增加；高速运动控制算法因复杂嵌入式系统的设计造成的时延、不同步，使控制算法复杂度增加(如使用滤波器)，进一步增加时延；电机附近复杂电磁干扰，对电机驱动板的编解码性能和稳定性造成巨大影响；多关节驱动板的元器件的材料、制造工艺造成系统的一致性难以保证；多关节电机驱动、控制和通信系统难以扩展。
现有技术中的公开号为cn207427013u、发明名称为一种基于光纤通信的总线型集成式电机的中国专利文献公开了如下结构：在电机系统间采用光纤仅用于数据收发连接，而电机系统内编解码器采用独立时钟，未充分考虑机器人运动控制易受非同步时钟影响的特点，对系统可靠运行带来不利影响，也不能满足电机系统作为运控部件在大系统组网时碰到的更为复杂和严酷的同步要求。仅涉及通信要求而不涉及驱动处理部分，对的同步问题不能有效解决，同时未能克服机器人系统面临的等关键问题。
技术实现要素：
为了解决上述问题，本发明提供了一种基于光通信的多关节电机驱控与通信系统，其包括：中心控制装置、光纤通信网络和多个驱动装置；多个所述驱动装置与多个关节电机一一对应，所述驱动装置具有：驱动器和检测单元，所述驱动器与所述关节电机连接，所述检测单元设置于所述关节电机的转子上，用于将表征所述关节电机的转动信息的物理量转化为电信号；所述光纤通信网络与多个所述驱动装置分别连接；所述中心控制装置与所述光纤通信网络连接，用于经所述光纤通信网络接收多个所述驱动装置发送的电信号以及将控制指令经所述光纤通信网络发送给多个所述驱动装置，所述中心控制装置具有编码单元，所述编码单元用于对所述电信号进行编码；其中，所述控制指令用于使所述驱动器控制所述关节电机转动；多个所述关节电机位于机器装置上，多个所述驱动装置、光纤通信网络和中心控制装置均设置于所述机器装置上。
在如上所述的多关节电机驱控与通信系统中，可选地，所述物理量包括：位置、速度和转矩。
在如上所述的多关节电机驱控与通信系统中，可选地，所述中心控制装置还与上位机连接，所述上位机用于根据接收的来自于所述中心控制装置的信息得到所述控制指令，并将所述控制指令发送给所述中心控制装置。
在如上所述的多关节电机驱控与通信系统中，可选地，所述中心控制装置还具有：融合单元，与所述编码单元连接，用于对经所述编码单元编码后的信号进行码域变换；后置电机处理逻辑单元，与所述融合单元连接，用于对经所述融合单元处理后的信号进行特征提取得到特征信息；其中，所述特征信息用于经处理得到控制指令。
在如上所述的多关节电机驱控与通信系统中，可选地，所述中心控制装置还具有：滤波模块，所述滤波模块与所述光纤通信网络连接，还与所述编码单元连接。
在如上所述的多关节电机驱控与通信系统中，可选地，所述中心控制装置还具有：测试模块，所述测试模块与所述光纤通信网络连接。
在如上所述的多关节电机驱控与通信系统中，可选地，所述光纤通信网络包括：所述控制器侧光收发器，设置于所述中心控制装置处，用于将控制指令编码并调制于光的不同时间、波长和子光纤上；所述光分发汇聚装置设置于所述机器装置上，与所述控制器侧光收发器连接，还与所述嵌入式侧光收发器连接，用于将光信号通信至各所述关节电机处的嵌入式侧光收发器；和所述嵌入式侧光收发器用于将接收的光信号转化为电信号以使所述驱动器驱动控制所述关节电机。
在如上所述的多关节电机驱控与通信系统中，可选地，所述中心控制装置使用频分、时分或码分方式区分各所述关节电机的电信号。
在如上所述的多关节电机驱控与通信系统中，可选地，所述光纤通信网络为无源光网络。
本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：
避免了现有技术中各关节电机处的编码单元因采用独立时钟带来的非同步性影响以及系统可靠运行低的影响，能满足驱动装置作为运控部件在大系统组网时碰到的更为复杂和严酷的同步要求，还可将多个驱动装置的检测单元检测到的数据直接上传至中心控制装置集中处理，增加了中心控制装置控制多个关节电机的能力。还能使中心控制装置和驱动装置之间获得极高的通信带宽，可将复杂控制指令传递给驱动装置，减少中心控制装置通信端口，减少在多关节电机控制时组网中嵌入式系统复杂度，降低控制指令在机器装置内受到的电干扰。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种多关节电机驱控与通信系统的架构示意图。
图2为本发明实施例提供的一种中心控制装置的功能模块示意图。
图3为本发明实施例提供的一种驱动装置的结构示意图。
图4为本发明实施例提供的一种光纤通信网络的拓扑示意图。
图5为本发明实施例提供的一种应用于多足机器人的多关节电机驱控与通信系统的结构示意图。
图中符号说明如下：
1-驱动装置、11-检测单元、12-光收发与光解码单元、13-电路板、14-电路板保护装置、15-驱动器、2-光纤通信网络、21-光滤波模块、22-控制器侧光复用器、23-躯干光复用器、24-肢光复用器、25-光接口电机、3-中心控制装置、31-编码单元、32-融合单元、33-后置电机处理逻辑单元、34-pc接口、35-前置电机处理逻辑单元，36-电光转换模块、4上位机、5四足机器人的本体腹腔、6四足机器人的足体、7关节电机、8-足光复用器。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。
在本发明的描述中，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明而不是要求本发明必须以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。本发明中使用的术语“相连”、“连接”、“设置”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间部件间接相连；对于本领域的普通技术人员而言，可根据具体情况理解上述术语的具体含义。
参见图1～5，本发明实施例提供了一种基于光通信的多关节电机驱控与通信系统，其应用于能自动执行动作的机器装置，该机器装置具有多个关节，在关节处设置有关节电机7。机器装置可以为：多足机器人、工业机器人、多协作机械臂、外骨骼机器人、作战机器人等，每个机器装置为完成正常工作会配置多个关节电机7。本多关节电机驱控与通信系统包括：中心控制装置3、光纤通信网络2和驱动装置1。
驱动装置1的数量为多个，多个驱动装置1与多个关节电机7一一对应，即为每个关节电机7配置一个驱动装置1。驱动装置1用于驱动关节电机7转动以使机器装置完成相应动作，其具有：检测单元11和驱动器15。检测单元11设置于关节电机7的转子上，用于将检测到的表征关节电机7的转动信息的物理量转化为电信号(或称传感信号)，物理量包括：转速、位置，还可以包括：转矩。驱动器15与关节电机7连接，用于根据接收的控制指令驱动关节电机7转动。光纤通信网络2设置于机器装置上，并分别与中心控制装置3和多个驱动装置1连接，用于实现中心控制装置3和多个驱动装置1之间的信息交互，即多个驱动装置1通过光纤通信网络2接收来自于中心控制装置3的控制指令或向中心控制装置3发送前述电信号，中心控制装置3通过光纤通信网络2接收来自于多个驱动装置1的前述电信号或向多个驱动装置1发送控制指令，也就是说，光纤通信网络2仅用于数据收发连接。中心控制装置3设置于机器装置上，用于得到控制指令，该控制指令可以是由上位机4对接收的来自于中心控制装置2的电信号进行处理后得到的，然后通过上位机4发送给中心控制装置2。上位机4脱离于机器装置，即上位机4并未设置在机器装置上。中心控制装置3具有编码单元31，编码单元31用于对电信号进行编码。中心控制装置3一般安装在机器装置转动幅度较小、质量较集中的地方，例如：四足机器人的腹部，外骨骼机器人的背部以及协作机器人的底部。中心控制装置3可以为fpga(现场可编程逻辑器件)或cfpga(中心现场可编程器件)。参见图5，以四足机器人为例对本系统的布置情况进行说明，中心控制装置3设置于四足机器人的本体腹腔5内，关节电机7设置于四足机器人的足体6，光纤通信网络2的足光复用器8设置于四足机器人的本体腹腔5内。
通过设置中心控制装置3使其具有编码单元31，通过设置驱动装置1使其具有检测单元11，并将中心控制装置3和驱动装置1通过光纤通信网络2连接，将原来均设置于各关节电机7处的编码单元31 检测单元11(两者合成为编码器)分离开，即检测单元11仍然在关节电机7处，编码单元31脱离关节电机7处，并通过光纤通信网络2与检测单元11连接，换言之，驱动装置1向中心控制装置3发送传感信号，中心控制装置3向驱动装置1发送控制信号(或称控制指令)。由于编码单元31的功能是对检测单元11的输出进行编码，因此将编码单元31的功能进行复用，即编码单元31不在关节电机7处，复用到中心控制装置3上，实现了多个驱动装置1的检测单元11的输出在同一个编码单元31(即中心控制装置的编码单元)进行处理，避免了现有技术中各关节电机7处的编码单元因采用独立时钟带来的非同步性影响以及系统可靠运行低的影响，能满足驱动装置1作为运控部件在大系统组网时碰到的更为复杂和严酷的同步要求，还可将多个驱动装置1的检测单元11检测到的数据(或称电机传感参数)直接上传至中心控制装置3集中处理，增加了中心控制装置3(或称单一控制器)控制多个关节电机7的能力，提高了多关节电机驱控的一致性，在中心控制装置3中对关节电机7的传感信号进行处理，能降低处理时延。还能使中心控制装置3和驱动装置1之间获得极高的通信带宽，可将复杂控制指令传递给驱动装置1，减少中心控制装置3通信端口，减少在多各关节电机7控制时组网中嵌入式系统复杂度，降低控制指令在机器装置内受到的电干扰。
关节电机7处仅包含必要的电机驱动电路(驱动器 检测单元)，不包含编码电路(即编码单元)，即不在关节电机7处进行编码。控制指令经光纤通信网络2直接作用于驱动器15，可以省去现有技术中在关节电机7处配置的机载mcu(microcontrollerunit，微控制单元)，即关节电机7处不包含复杂处理电路(或称机载mcu)，还便于转动惯量的调整和设计。机载mcu进行的复杂处理包括：对电信号的解帧、解码，对解码后的数据进行处理，处理后的电信号再发送至驱动器15，使其驱动光机电机7的转子转动。多关机电机驱控与通信系统对通信带宽、时延要求很高，采用传统嵌入式设备会产生带宽瓶颈、处理时延，若在嵌入式设备的基础上克服上述因素会使嵌入式设备更加复杂、成本增加，通过使用光纤通信网络2将驱动装置1与中心控制装置3直连，去除了中间嵌入式设备的设计与集成，降低了成本，避免了需要设计复杂的嵌入式设备。光收发与光解码单元12用于接收来自于光纤通信网络2的光信号，然后对光信号进行解码，解码后的光信号转变为电信号传输至驱动器15。实际应用中，驱动装置包括电路板13和电路板保护装置14，电路板13上设置有光收发与光解码单元12、驱动器15和检测单元11。
中心控制装置3还具有：融合单元32和后置电机处理逻辑单元33。融合单元32与编码单元31连接，其用于对经编码单元31编码后的信号进行码域变换。后置电机处理逻辑单元33与融合单元32连接，其用于对经融合单元32处理后的信号进行特征提取得到特征信息。上位机4经pc接口34接收后置电机处理逻辑单元33发送来的特征信息后，对其进行处理得到控制指令，然后通过pc接口34发送至前置电机处理逻辑单元35，经前置电机逻辑处理单元35处理后(即恢复出向关节电机发出的控制指令)，通过光纤通信网络2发送至驱动装置1。例如：某协作机器人具有12个关节电机7，关节电机7的转动信息包括：a、b和c，a表示电机位置信息、b表示电机速度信息、c表示电机力矩信息，设置于每个关节电机7处的驱动装置1会发送转动信息，以abc的形式发送，中心控制装置接收12个关节电机7信息后，以abcabcabcabcabcabcabcabcabcabcabcabc形式存储，然后对该信息进行码域变换，得到aaaaaaaaaaaabbbbbbbbbbbbcccccccccccc，然后对该信息进行特征提取，得到关键信息，在某个场景下，关键信息为aaaaaaabbbbbbbccccccc。为了降低噪声和滤除干扰，本中心控制装置还具有：滤波模块，其与与光纤通信网络2接，还与编码单元31连接，即来自于驱动装置1的传感信号经过光纤通信网络2后，首先被中心控制装置3的滤波模块处理，处理后的信号传输至编码单元31。为了进一步减少关机电机7处的电路，实现电路复用，本中心控制装置3还具有：测试模块，其与光纤通信网络2连接。测试模块2具有调试阶段对关节电机7的性能的测试功能，以及关节电机7上电后、使用前对本系统所形成的电路的自检功能。
光纤通信网络2用于对光进行汇聚、分发和虑光等光层操作，其包括：控制器侧光收发器22、光分发汇聚装置和嵌入式侧光收发器。控制器侧光收发器22设置于中心控制装置3处，与中心控制装置3连接，用于将控制指令编码并调制于光的不同时间、波长和子光纤上。光分发汇聚装置设置于机器装置上，与控制器侧光收发器22连接，用于将光信号在机器装置内通过分光器(或称光复用器)通信至各关节电机7处的嵌入式侧光收发器。嵌入式侧光收发器设置于关节电机7处，与光分光汇聚装置连接，用于将接收的光信号转化为电信号以使驱动器15驱动控制关节电机7。中心控制装置3使用频分、时分或码分方式区分各关节电机的电信号。光纤通信网络2为无源光网络，其不含有任何电子器件及电子电源，以便降低对电源的需求，减少电力消耗，降低电源电路的复杂度和成本，还能提高移动式机器装置的续航能力。在驱动装置与中心控制装置连接时，通过减少嵌入式设备及其支撑电路，转为使用光信号传输，降低了电磁干扰。光纤通信网络2通过使用同一同步光源及减少中间嵌入式设备的使用，增加了同步时钟的可靠性。在图4中，控制器侧光收发器22收到的信号传输至光滤波模块21，处理后传输至控制器侧光复用器22，再传输至躯干光复用器23，再传输至肢光复用器24，然后传输至关节电机7，传输至关节电机7时经嵌入式侧光收发器实现。光纤通信网络2通过电光转换模块36将电信号转换成光信号进行接收，中心控制装置3通过电光转换模块36将光信号转换成电信号进行接收。
综上所述，通过将关节电机7的驱控、通信系统重新设计，集中复用大量电机电路系统，减少中间通信电路和关节电机电路上嵌入式设备的使用，可有效解决关节电机驱动的不一致性、关节电机7和机器装置运动控制的高复杂性和关节电机驱控通信的低有效性；大大降低了多关节机器人，特别是高速运动多关节机器人的设计、控制和集成难度，降低制造成本。增加了多关节电机的驱动、控制和通信的可拓展性，增加了运动控制算法的可靠性和降低机器人整体系统的设计和复杂度。本系统的功能完备，模块精简，将分散冗余的功能集中在中心控制装置3处，层次分明，使用方便，可拓展性高，适用性高。
由技术常识可知，本发明可以通过其它的不脱离其精神实质或必要特征的实施方案来实现。因此，上述公开的实施方案，就各方面而言，都只是举例说明，并不是仅有的。所有在本发明范围内或在等同于本发明的范围内的改变均被本发明包含。
1.一种基于光通信的多关节电机驱控与通信系统，其特征在于，所述多关节电机驱控与通信系统包括：中心控制装置、光纤通信网络和多个驱动装置；
多个所述驱动装置与多个关节电机一一对应，所述驱动装置具有：驱动器和检测单元，所述驱动器与所述关节电机连接，所述检测单元设置于所述关节电机的转子上，用于将表征所述关节电机的转动信息的物理量转化为电信号；
所述光纤通信网络与多个所述驱动装置分别连接；
所述中心控制装置与所述光纤通信网络连接，用于经所述光纤通信网络接收多个所述驱动装置发送的电信号以及将控制指令经所述光纤通信网络发送给多个所述驱动装置，所述中心控制装置具有编码单元，所述编码单元用于对所述电信号进行编码；
其中，所述控制指令用于使所述驱动器控制所述关节电机转动；
多个所述关节电机位于机器装置上，多个所述驱动装置、光纤通信网络和中心控制装置均设置于所述机器装置上。
2.根据权利要求1所述的多关节电机驱控与通信系统，其特征在于，所述物理量包括：位置、速度和转矩。
3.根据权利要求1所述的多关节电机驱控与通信系统，其特征在于，所述中心控制装置还与上位机连接，所述上位机用于根据接收的来自于所述中心控制装置的信息得到所述控制指令，并将所述控制指令发送给所述中心控制装置。
4.根据权利要求1所述的多关节电机驱控与通信系统，其特征在于，所述中心控制装置还具有：
融合单元，与所述编码单元连接，用于对经所述编码单元编码后的信号进行码域变换；
后置电机处理逻辑单元，与所述融合单元连接，用于对经所述融合单元处理后的信号进行特征提取得到特征信息；
其中，所述特征信息用于经处理得到控制指令。
5.根据权利要求4所述的多关节电机驱控与通信系统，其特征在于，所述中心控制装置还具有：
滤波模块，所述滤波模块与所述光纤通信网络连接，还与所述编码单元连接。
6.根据权利要求4所述的多关节电机驱控与通信系统，其特征在于，所述中心控制装置还具有：
测试模块，所述测试模块与所述光纤通信网络连接。
7.根据权利要求1所述的多关节电机驱控与通信系统，其特征在于，所述光纤通信网络包括：
所述控制器侧光收发器，设置于所述中心控制装置处，用于将控制指令编码并调制于光的不同时间、波长和子光纤上；
所述光分发汇聚装置设置于所述机器装置上，与所述控制器侧光收发器连接，还与所述嵌入式侧光收发器连接，用于将光信号通信至各所述关节电机处的嵌入式侧光收发器；和
所述嵌入式侧光收发器用于将接收的光信号转化为电信号以使所述驱动器驱动控制所述关节电机。
8.根据权利要求1所述的多关节电机驱控与通信系统，其特征在于，所述中心控制装置使用频分、时分或码分方式区分各所述关节电机的电信号。
9.根据权利要求1所述的多关节电机驱控与通信系统，其特征在于，所述光纤通信网络为无源光网络。
技术总结