EtherCAT有线转无线通信的机器臂控制系统

ethercat有线转无线通信的机器臂控制系统
技术领域
1.本发明涉及机器人技术领域，特别是一种ethercat有线转无线通信的机器臂控制系统。


背景技术：

2.机器臂是一个高精度、多输入多输出、高非线性、强耦合的复杂系统。由于其独特的操作灵活性，它已广泛应用于工业装配、安全和防爆等众多领域。
3.目前，现有的机器臂系统大都采用ethercat总线方式，以实现管理节点与各个终端节点进行数据通信，实时、快速、精准传送生产参数、工况信息、控制指令等。但在实际生产过程中，机器臂要长时间实现多种操作与相应的动作，如前后来回移动、上下翻转、左右转动等。机器臂工作时间久了，容易使机器臂末端的有线ethercat的数据线发生缠绕，甚至脱落、折断等现象，进而造成设备走位，甚至停机的故障。这样轻则影响生产，耽搁生产进度、降低生产效率；重则造成生产事故，乃至重大事故，给生产单位造成不可挽回的重大损失。为此，生产单位迫切一套高效的、稳定的能使ethercat有线方式转化为无线通信的机器臂系统，以克服目前存在的弊端与突破上述存在的问题。
4.目前无线通信的方式有多种方式，如4g、5g、蓝牙(bluetooth)、wifi、zigbee、红外等。由于4g、5g需要使用sim卡，数据通信将产生费用，成本高。而蓝牙(bluetooth)、wifi、zigbee占用ism频段，将不产生通信费用。但是由于生产车间内工况复杂，如有极强的干扰信号，如电磁信号等，而蓝牙、wifi、zigbee无法抗拒干扰信号，进而容易产生数据丢包，根本无法确保稳定、可靠的数据通信。


技术实现要素：

5.为解决现有技术中存在的问题，本发明的目的是提供一种ethercat有线转无线通信的机器臂控制系统，本发明采用fhss跳频技术，有效规避了由工况、电磁干扰信号所造成的影响，有效保障了工作效率。
6.为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种ethercat有线转无线通信的机器臂控制系统，包括管理中心上位机plc、机器臂无线通信管理中心、多个机器臂无线通信终端和多个通信终端下位机plc；所述管理中心上位机plc通过ethercat总线与所述机器臂无线通信管理中心通信连接，所述机器臂无线通信管理中心通过跳频无线通信技术fhss与多个所述机器臂无线通信终端通信连接，且机器臂无线通信终端和机器臂无线通信管理中心之间通过加密算法进行数据传输，多个所述机器臂无线通信终端分别通过ethercat总线与多个所述通信终端下位机plc一一通信连接。
7.作为本发明的进一步改进，所述机器臂无线通信终端和机器臂无线通信管理中心之间通过加密算法进行数据传输具体包括以下步骤：
8.步骤1、第一次对原始数据进行传输：发送方在原始数据前面加上帧头标志值，在原始数据后面加上数据结束标志值、以及原始数据的长度信息和差错控制信息的数据值，
然后再增加帧尾标志值；接收方按照传输协议规定的方式进行接收数据，原始数据接收完毕后，接收方首先验证接收到的数据中依次是否含有帧头标志值、数据结束标志值和帧尾标志值这三个数据帧的标志值；如果含有，则统计接收到的原始数据长度，对接收到的原始数据按照既定的差错控制协议，现场生成差错控制信息，然后把接收的数据长度信息与现场数据长度信息作比较，接收到的差错控制信息与现场生成的差错控制信息作比较，如果两种信息的比较结果均一致，说明接收到的信息是完备的，接收方立即给发送方返回第一次接收的数据是完备的应答标志值；
9.步骤2、第二次对加密数据进行传输：发送方接收到接收方发来的数据应答标志值后，再次进行第二次数据传输，第二次传输的数据是第一次原始数据加密之后形成的新数据，即加密数据；发送方在加密数据前面加上帧头标志值，在加密数据后面加上数据结束标志值、以及增加加密数据的长度信息、差错控制信息的数据值，然后再增加帧尾标志值；接收方按照传输协议规定的方式进行接收加密数据，加密数据接收完毕后，接收方首先验证接收到的数据中依次是否含有帧头标志值、数据结束标志值和帧尾标志值这三个数据帧的标志值；如果含有，则统计接收到的现场数据长度，对接收到的加密数据按照既定的差错控制协议，现场生成差错控制信息，然后把接收的加密数据长度信息与现场加密数据长度信息作比较，接收到的差错控制信息与现场生成的差错控制信息作比较，如果两种信息的比较结果均一致，说明接收到的信息是完备的，接收方立即给发送方返回第二次接收的加密数据是完备的应答标志值；
10.步骤3、接收方在接收到第二次的应答标志值，表示第二次数据接收是完备的，然后把接收的加密数据按照加密协议进行还原，得到一组解密数据，然后把解密数据与原始数据进行比对、研判，以验证两次的接收数据是否相同；如果相同，则存放在指定的内存单元，并给发送方反馈一个数据正常的标志值；如果不相同，则表示数据无效，数据不予存放，并且给发送方反馈一个数据不正常的标志值。发送方如果接收到数据正常的标志值，则执行后续的程序指令；发送方如果接收到数据不正常的标志值，则重复步骤1和步骤2。
11.作为本发明的进一步改进，如果接收方的数据中没有含有帧头标志值、数据结束标志值和帧尾标志值这三个数据帧标志值，或者并非按照帧头标志值、数据结束标志值和帧尾标志值这样的次序，则表示接收方接收的数据是无效的；另外，如果接收的数据长度信息与现场生成的数据长度信息不一致，或者接收到的差错控制信息与现场生成的差错控制信息不一致，也表示接收方接收的数据无效，则接收方给发送方返回接收数据无效标志值；发送方接收到接收方发来的数据无效标志值，则需对刚发送出错的原始数据重新再次发送，直至原始数据完整发送。
12.作为本发明的进一步改进，对原始数据加密具体包括：
13.在第一次传输的原始数据基础之上，按照一定的数学方法进行加密，生成一组与第一次传输的原始数据有关的新数据，即加密数据；所述的数学方法为把第一次传输的原始数据作为某一固定数学表达式或函数的参数，那么数学表达式或函数进行运算后所生成的结果作为加密后的新数据。
14.作为本发明的进一步改进，在步骤2中，对原始数据加密具体包括：如果接收的数据中没有含有帧头标志值、数据结束标志值和帧尾标志值这三个数据帧标志值，或者并非按照帧头标志值、数据结束标志值和帧尾标志值这样的次序，则表示接收方接收的数据是
无效的；另外，如果接收的数据长度信息与现场生成的数据长度信息不一致，或者接收到的差错控制信息与现场生成的差错控制信息不一致，也表示接收方接收的数据无效，则接收方给发送方返回接收数据无效标志值；发送方接收到接收方发来的数据无效标志值，则需对刚发送出错的加密数据重新再次发送，直至加密数据完整发送。
15.作为本发明的进一步改进，每一个所述机器臂无线通信终端包括高性能处理器和与所述高性能处理器连接的fhss无线模块、ethercat总线接口、生产参数采集模块、数据显示模块和预警信息模块。
16.作为本发明的进一步改进，所述机器臂无线通信管理中心包括高性能微处理器和与所述高性能微处理器连接的fhss无线模块、ethercat总线接口和生产参数/预警信息显示模块，所述生产参数/预警信息显示模块与多个所述机器臂无线通信终端通信连接。
17.本发明的有益效果是：
18.1、本发明中由于机器臂终端与无线管理中心之间采用无线通信，有效避免了机器臂终端发生数据线缠绕、折断、脱落等故障，进而有效杜绝了设备走位，以及由于数据线缠绕、折断、脱落等造成的停机所引发的停机损失。从而有效提高了生产效率。
19.2、本发明采用fhss跳频技术，有效规避了由工况、电磁干扰信号所造成的影响，有效保障了工作效率。
20.3、本发明减少了由于数据线缠绕、折断、脱落等造成的维修，降低了生产成本，有效促进了生产效益。
21.4、本发明中由于机器臂无线通信终端存在着ethercat总线与无线通信fhss方式之间要实现数据交互，于是存在着大量的数据处理、融合、加密及与之相应的算法。如果ethercat总线转换为无线通信fhss方式，则在数据交互之前，得完成ethercat总线数据的提取。待数据提取完毕后，得按照无线通信fhss的数据格式实现无线传输。如果无线通信fhss方式转换为ethercat总线，则在交互之前，得完成无线通信fhss方式数据提取。待数据提取完毕后，得按照ethercat总线数据格式实现传输。
22.5、本发明利用跳频无线通信技术(fhss，frequency hopping spread spectrum)，具有极强的抗干扰能力，并采用高效的数据加密算法，从而有效规避了数据掉包，以确保高效的数据通信。
附图说明
23.图1为本发明实施例中基于ethercat的机器臂无线通信功能设计系统框图；
24.图2为本发明实施例中机器臂无线通信终端功能设计框图；
25.图3为本发明实施例中机器臂无线通信管理中心功能设计框图；
26.图4为本发明实施例中一帧完整的原始数据帧的示意图；
27.图5为本发明实施例中一帧完整的加密数据帧的示意图。
具体实施方式
28.下面结合附图对本发明的实施例进行详细说明。
29.实施例
30.一种ethercat有线转无线通信的机器臂控制系统，ethercat转无线通信的机器臂
控制系统为多对一系统，即系统由多个机器臂无线通信终端、多个通信终端下位机plc与机器臂无线通信管理中心端、管理中心上位机plc等构成，如图1所示。机器臂无线通信终端为现场工作的机器臂节点，其主要功能是采集与现场生产相关的生产数据，然后进行分类、筛查、研判，有效掌握当前机器臂的工作情况与工作状态，若有异常，可自行预警并停机。接着再进行数据汇总、打包，按照ethercat总线方式的数据格式，准确无误地传输给下位机plc。同时也按照无线通信方式的数据格式传输给机器臂无线通信管理中心。由于车间里工况复杂，如有极强的干扰信号、电磁信号等，为了保证无线通信的可靠性、数据稳定性——数据不掉包，采用抗干扰强的跳频无线通信技术(fhss，frequency hopping spread spectrum)，从而有效规避了数据丢包、掉包。当然机器臂无线通信终端也可按照ethercat总线方式的数据格式，准确无误地接收来自通信终端下位机plc发来的控制指令，并执行相应的动作或操作。同时机器臂无线通信终端还可按照无线通信fhss方式的数据格式，准确无误地接收来自机器臂无线通信管理中心的相关控制指令，并执行相应的动作或操作。因此，机器臂无线通信终端存在着ethercat总线与无线通信fhss方式之间的数据交互。如果ethercat总线转换为无线通信fhss方式，在交互之前，得完成ethercat总线数据提取。待提取完后，得按照无线通信fhss格式实现无线传输。如果无线通信fhss方式转换为ethercat总线，在交互之前，得完成无线通信fhss方式数据提取。待提取完后，得按照ethercat总线格式实现传输。因此机器臂无线通信终端由fhss无线、高性能微处理器、ethercat总线接口、生产参数采集、数据显示、预警信息等多个模块组成，如图2所示。此外各个机器臂无线通信终端，它们相互之间无法进行数据交互。机器臂无线通信终端的位置既可以是变动的，也可以是固定的。
31.机器臂无线通信管理中心接收到来自各个机器臂无线通信终端的生产数据，然后进行分类、筛查、研判、预警、汇总等，从而及时掌握各个机器臂无线通信终端的工作情况与工作状态。机器臂无线通信管理中心不仅可以主动查询某个机器臂无线通信终端的生产数据，而且还可发送相关指令，主动控制某个、某几个或全部机器臂无线通信终端。机器臂无线通信管理中心位置是固定的。机器臂无线通信管理中心由fhss无线、高性能微处理器、ethercat总线接口以及各个机器臂无线通信终端的生产参数与预警信息显示等多个模块组成，如图3所示。
32.机器臂无线通信终端与机器臂无线通信管理中心进行传输数据，采用了加密算法。加密算法如下：
33.1、第一次传输的是原始数据，传输前，发送方在原始数据前面加上帧头标志值“#$％！”，在原始数据后面加上数据结束标志值“#$&*”,接着增加的是原始数据的长度信息(即总共有多少个字节，用2个字节来存放原始数据的长度信息)、差错控制信息(对原始数据按照传输前既定的差错控制协议标准，生成差错控制信息)等数据值，最后再增加帧尾标志值“#$@+”。这样形成了一个完整的原始数据帧，如图4所示。然后进行数据传输。待所有数据传输完毕后，接收方按照传输协议规定的方式进行接收数据。一旦数据接收完毕，接收方首先验证接收到的数据中依次是否含有“#$％！”、“#$&*”、“#$@+”这三个数据帧的标志值。如果含有，马上统计接收到的现场数据长度；对接收到的数据按照既定的差错控制协议，现场生成差错控制信息。然后把接收的数据长度信息与现场数据长度信息作比较，接收到的差错控制信息与现场生成的差错控制信息作比较。如果两种信息的比较结果均一致，说明
接收到的信息是完备的，接收方立即给发送方返回第一次接收的数据是完备的应答标志值“#$ok”，标志着接收方已经完整地接收了发送方刚传输来的数据。如果接收的数据中没有含有“#$％！”、“#$&*”、“#$@+”这三个数据帧标志值，或者并非按照“#$％！”、“#$&*”、“#$@+”这样的次序，则表示接收方接收的数据是无效的。另外，如果接收的数据长度信息与现场生成的数据长度信息不一致，或者接收到的差错控制信息与现场生成的差错控制信息不一致，也表示接收方接收的数据无效。则接收方给发送方返回接收数据无效标志值“#$kr”。发送方接收到接收方发来的数据无效标志值“#$kr”，则需对刚发送出错的原始数据重新再次发送，即按照前述的步骤再次发送刚才的数据。如果这次发送的数据再次出错,则继续按照前述步骤操作,直至原始数据完备发送为止。
34.2、发送方接收到接收方发来的数据应答标志值“#$ok”后，知道第一次数据已完备传输了，于是进行第二次数据传输。第二次传输的数据是第一次原始数据加密之后形成的新数据——加密数据。加密算法的思想为：在第一传输的原始数据基础之上，按照一定的数学方法进行加密(可以把第一次的原始数据作为某一固定数学表达式或函数的参数，那么数学表达式或函数进行运算后所生成的结果作为加密后的新数据)，生成一组与第一原始数据有关的新数据——加密数据。在加密数据传输前，发送方在加密数据前面加上帧头标志值“"/mn”，在加密数据后面加上数据结束标志值“"/rt”,接着增加的是加密数据的长度信息(即总共有多少个字节，用2个字节来存放原始数据的长度信息)、差错控制信息(对加密数据按照传输前既定的差错控制协议标准，生成差错控制信息)等数据值，最后再增加帧尾标志值“"/qp”。这样形成了一个完整的加密数据帧，如图5所示。然后进行数据传输。待所有数据传输完毕后，接收方按照传输协议规定的方式进行接收加密数据。一旦加密数据接收完毕，接收方首先验证接收到的加密数据中依次是否含有“"/mn”、“"/rt”、“"/qp”这三个数据帧的标志值。如果含有，马上统计接收到的现场数据长度；对接收到的加密数据按照既定的差错控制协议，现场生成差错控制信息。然后把接收的加密数据长度信息与现场加密数据长度信息作比较，接收到的差错控制信息与现场生成的差错控制信息作比较。如果两种信息的比较结果均一致，说明接收到的信息是完备的，接收方立即给发送方返回第二次接收的数据是完备的应答标志值“"/ys”，标志着接收方已经完备地接收了发送方刚传输来的加密数据。如果接收的数据中没有含有“"/mn”、“"/rt”、“"/qp”这三个数据帧标志值，或者并非按照“"/mn”、“"/rt”、“"/qp”这样的次序，则表示接收方接收的数据是无效的。另外，如果接收的数据长度信息与现场生成的数据长度信息不一致，或者接收到的差错控制信息与现场生成的差错控制信息不一致，也表示接收方接收的数据无效。若接收的数据无效，则接收方给发送方返回接收数据无效标志值“"/》＝”。发送方接收到接收方发来的数据无效标志值“"/》＝”，则需对刚发送出错的加密数据重新再次发送，即按照前述的步骤再次发送刚才的数据。如果这次发送的数据再次出错,则继续按照前述步骤操作,直至加密数据完整发送为止。
35.3、接收方在接收到“"/ys”后，表示两次数据接收是完备的。然后把接收的加密数据按照加密协议进行还原，得到一组解密数据。然后把解密数据与第一次接收的原始数据进行比对、研判，进一步来验证两次的接收数据是否相同。如果相同，存放在指定的内存单元，并给发送方反馈一个数据正常的标志值“dataok”。如果不相同，则表示数据无效，数据不予存放，并且给发送方反馈一个数据不正常的标志值“dataerror”。发送方如果接收到数
据正常的标志值“dataok”，则执行后续的程序指令。发送方如果接收到数据不正常的标志值“dataerror”，则重新按照前述1、2步骤，再次把第一次原始数据发送。
36.以上所述实施例仅表达了本发明的具体实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

技术特征：
1.一种ethercat有线转无线通信的机器臂控制系统，其特征在于，包括管理中心上位机plc、机器臂无线通信管理中心、多个机器臂无线通信终端和多个通信终端下位机plc；所述管理中心上位机plc通过ethercat总线与所述机器臂无线通信管理中心通信连接，所述机器臂无线通信管理中心通过跳频无线通信技术fhss与多个所述机器臂无线通信终端通信连接，且机器臂无线通信终端和机器臂无线通信管理中心之间通过加密算法进行数据传输，多个所述机器臂无线通信终端分别通过ethercat总线与多个所述通信终端下位机plc一一通信连接。2.根据权利要求1所述的ethercat有线转无线通信的机器臂控制系统，其特征在于，所述机器臂无线通信终端和机器臂无线通信管理中心之间通过加密算法进行数据传输具体包括以下步骤：步骤1、第一次对原始数据进行传输：发送方在原始数据前面加上帧头标志值，在原始数据后面加上数据结束标志值、以及原始数据的长度信息和差错控制信息的数据值，然后再增加帧尾标志值；接收方按照传输协议规定的方式进行接收数据，原始数据接收完毕后，接收方首先验证接收到的数据中依次是否含有帧头标志值、数据结束标志值和帧尾标志值这三个数据帧的标志值；如果含有，则统计接收到的原始数据长度，对接收到的原始数据按照既定的差错控制协议，现场生成差错控制信息，然后把接收的数据长度信息与现场数据长度信息作比较，接收到的差错控制信息与现场生成的差错控制信息作比较，如果两种信息的比较结果均一致，说明接收到的信息是完备的，接收方立即给发送方返回第一次接收的数据是完备的应答标志值；步骤2、第二次对加密数据进行传输：发送方接收到接收方发来的数据应答标志值后，再次进行第二次数据传输，第二次传输的数据是第一次原始数据加密之后形成的新数据，即加密数据；发送方在加密数据前面加上帧头标志值，在加密数据后面加上数据结束标志值、以及增加加密数据的长度信息、差错控制信息的数据值，然后再增加帧尾标志值；接收方按照传输协议规定的方式进行接收加密数据，加密数据接收完毕后，接收方首先验证接收到的数据中依次是否含有帧头标志值、数据结束标志值和帧尾标志值这三个数据帧的标志值；如果含有，则统计接收到的现场数据长度，对接收到的加密数据按照既定的差错控制协议，现场生成差错控制信息，然后把接收的加密数据长度信息与现场加密数据长度信息作比较，接收到的差错控制信息与现场生成的差错控制信息作比较，如果两种信息的比较结果均一致，说明接收到的信息是完备的，接收方立即给发送方返回第二次接收的加密数据是完备的应答标志值；步骤3、接收方在接收到第二次的应答标志值，表示第二次数据接收是完备的，然后把接收的加密数据按照加密协议进行还原，得到一组解密数据，然后把解密数据与第一次接收的原始数据进行比对、研判，以验证两次的接收数据是否相同；如果相同，则存放在指定的内存单元，并给发送方反馈一个数据正常的标志值；如果不相同，则表示数据无效，数据不予存放，并且给发送方反馈一个数据不正常的标志值。发送方如果接收到数据正常的标志值，则执行后续的程序指令；发送方如果接收到数据不正常的标志值，则重复步骤1和步骤2。3.根据权利要求2所述的ethercat有线转无线通信的机器臂控制系统，其特征在于，在步骤1中，如果接收方的数据中没有含有帧头标志值、数据结束标志值和帧尾标志值这三个
数据帧标志值，或者并非按照帧头标志值、数据结束标志值和帧尾标志值这样的次序，则表示接收方接收的数据是无效的；另外，如果接收的数据长度信息与现场生成的数据长度信息不一致，或者接收到的差错控制信息与现场生成的差错控制信息不一致，也表示接收方接收的数据无效，则接收方给发送方返回接收数据无效标志值；发送方接收到接收方发来的数据无效标志值，则需对刚发送出错的原始数据重新再次发送，直至原始数据完整发送。4.根据权利要求2所述的ethercat有线转无线通信的机器臂控制系统，其特征在于，在步骤2中，对原始数据加密具体包括：在第一次传输的原始数据基础之上，按照一定的数学方法进行加密，生成一组与第一次传输的原始数据有关的新数据，即加密数据；所述的数学方法为把第一次传输的原始数据作为某一固定数学表达式或函数的参数，那么数学表达式或函数进行运算后所生成的结果作为加密后的新数据。5.根据权利要求2或3或4所述的ethercat有线转无线通信的机器臂控制系统，其特征在于，在步骤2中，对原始数据加密具体包括：如果接收的数据中没有含有帧头标志值、数据结束标志值和帧尾标志值这三个数据帧标志值，或者并非按照帧头标志值、数据结束标志值和帧尾标志值这样的次序，则表示接收方接收的数据是无效的；另外，如果接收的数据长度信息与现场生成的数据长度信息不一致，或者接收到的差错控制信息与现场生成的差错控制信息不一致，也表示接收方接收的数据无效，则接收方给发送方返回接收数据无效标志值；发送方接收到接收方发来的数据无效标志值，则需对刚发送出错的加密数据重新再次发送，直至加密数据完整发送。6.根据权利要求1所述的ethercat有线转无线通信的机器臂控制系统，其特征在于，每一个所述机器臂无线通信终端包括高性能处理器和与所述高性能处理器连接的fhss无线模块、ethercat总线接口、生产参数采集模块、数据显示模块和预警信息模块。7.根据权利要求1或6所述的ethercat有线转无线通信的机器臂控制系统，其特征在于，所述机器臂无线通信管理中心包括高性能微处理器和与所述高性能微处理器连接的fhss无线模块、ethercat总线接口和生产参数/预警信息显示模块，所述生产参数/预警信息显示模块与多个所述机器臂无线通信终端通信连接。

技术总结
本发明公开了一种EtherCAT有线转无线通信的机器臂控制系统，包括管理中心上位机PLC、机器臂无线通信管理中心、多个机器臂无线通信终端和多个通信终端下位机PLC；所述管理中心上位机PLC通过EtherCAT总线与所述机器臂无线通信管理中心通信连接，所述机器臂无线通信管理中心通过跳频无线通信技术FHSS与多个所述机器臂无线通信终端通信连接，且机器臂无线通信终端和机器臂无线通信管理中心之间通过加密算法进行数据传输，多个所述机器臂无线通信终端分别通过EtherCAT总线与多个所述通信终端下位机PLC一一通信连接；本发明采用FHSS跳频技术，有效规避了由工况、电磁干扰信号所造成的影响，有效保障了工作效率。有效保障了工作效率。有效保障了工作效率。


技术研发人员：蓝集明 符长友 曾波 陈艳
受保护的技术使用者：四川轻化工大学
技术研发日：2023.06.20
技术公布日：2023/9/20