机器人系统、驱动器、存储装置及控制模式的切换方法与流程

本发明涉及电机驱动技术，特别是涉及一种机器人系统、驱动器、存储装置及控制模式的切换方法。

背景技术：

伺服驱动器通常使用三个反馈控制模块来对伺服电机进行控制，分别是位置环、速度环和力矩环。位置环用于电机位置的精确控制，速度环用于电机速度的精确控制，力矩环用于电机出力的精确控制。在某些场合下，需要在电机工作的同时，实时的从某一个控制模块的指令切换到另一个控制模块的指令。现有技术中对伺服驱动器的动态模式的切换，需要用户首先配置要切换的两个环。因此，实际使用时只能在二个环之间动态切换，在切换的过程中，伺服驱动器需要失能，无法实现任意环动态模式切换，且切换需要消耗较长时间。

技术实现要素：

本发明提供一种机器人系统、驱动器、存储装置及控制模式切换方法，能够实现不同控制模块间动态模式的快速切换。

本发明采用的一个技术方案是：提供一种驱动器动态模式切换方法，所述方法包括：当需要第二控制模块的控制模式切换至第一控制模块的控制模式时，运行虚拟的第一控制模块，其中所述第一控制模块为所述第二控制模块的上位控制模块；所述虚拟的第一控制模块根据接收到的所述第二控制模块的指令，产生对应所述第一控制模块的虚拟指令；所述虚拟的第一控制模块将对应所述第一控制模块的虚拟指令发送至所述第一控制模块，并由第二控制模块的控制模式切换到第一控制模块的控制模式。

为解决上述技术问题，本发明采用的又一个技术方案是：提供一种驱动器，所述驱动器包括：第一接口、第二接口以及第三接口；处理器，与所述第一接口、第二接口、第三接口相连接，所述第一接口用于连接上位机，用以接收来自所述上位机的指令，所述第二接口用于连接电机，用以输出所述处理器的指令至所述电机，所述第三接口用于接收来自所述电机或负载的反馈信息；其中，当需要第二控制模块的控制模式切换至第一控制模块的控制模式时，运行虚拟的第一控制模块，其中第一控制模块为第二控制模块的上位控制模块；所述虚拟的第一控制模块根据接收到的所述第二控制模块的指令，产生对应所述第一控制模块的虚拟指令；所述虚拟的第一控制模块将对应所述第一控制模块的虚拟指令发送至所述第一控制模块，并由第二控制模块的控制模式切换到第一控制模块的控制模式。

为解决上述技术问题，本发明采用的又一个技术方案是：提供一种机器人系统，包括驱动器和电极，所述驱动器包括：第一接口、第二接口以及第三接口；处理器，耦接所述第一接口、第二接口、第三接口，所述第一接口用于连接上位机，用以接收来自所述上位机的指令，所述第二接口用于连接所述电机，用以输出所述处理器的指令至所述电机，所述第三接口用于接收来自所述电机或负载的反馈信息；其中，当需要第二控制模块的控制模式切换至第一控制模块的控制模式时，运行虚拟的第一控制模块，其中第一控制模块为第二控制模块的上位控制模块；所述虚拟的第一控制模块根据接收到的所述第二控制模块的指令，产生对应所述第一控制模块的虚拟指令；所述虚拟的第一控制模块将对应所述第一控制模块的虚拟指令发送至所述第一控制模块，并由第二控制模块的控制模式切换到第一控制模块的控制模式。

本发明的有益效果是：提供一种机器人系统、驱动器及控制模式的切换方法，在无需上位机预先配置控制模块参数的情况下，通过运行控制模块的虚拟控制模块，得到对应控制模块的指令，可解决对应控制模块由于未启用而无法及时得到相应指令的问题，进而可以实现不同控制模块间动态模式的快速切换。

附图说明

图1是本发明控制模式切换方法第一实施方式的流程示意图；

图2是本发明速度环切换至位置环一实施方式的结构示意图；

图3是本发明力矩环切换至速度环一实施方式的结构示意图；

图4是本发明控制模式切换方法第二实施方式的流程示意图；

图5是本发明位置环切换至速度环一实施方式的结构示意图；

图6是本发明速度环切换至力矩环一实施方式的结构示意图；

图7是本发明驱动器一实施方式的结构示意图；

图8是本发明机器人系统一实施方式的结构示意图；

图9是本发明存储装置一实施方式的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明实施例中，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”、“第三”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。

请参阅图1，图1是本发明控制模式切换方法一实施方式的流程示意图。本发明中的驱动器可以为包括但不限于伺服驱动器，通常情况下，伺服驱动器通过位置环的位置指令、速度环的速度指令和力矩环的力矩指令来实现电机的精确运行。在某些场合下，需要在电机工作的同时，实时的从某一个控制模块的指令切换到另一个控制模块的指令。本发明提供一种控制模式的切换方法，如图所示，该方法包括如下步骤：

s1，当需要第二控制模块的控制模式切换至第一控制模块的控制模式时，运行虚拟的第一控制模块，其中第一控制模块为第二控制模块的上位控制模块。

本发明的控制模式的切换方法适用于任意的多模式切换控制的系统，且对于闭环控制系统和开环控制系统均适用。其中，第一控制模块为第二控制模块的上位控制模块，即第二控制模块的指令是由第一控制模块产生的，也即当处于第一控制模块的控制模式时，在指令传递方向第一控制模块将对应的第一控制模块的指令解析成第二控制模块的指令，再将第二控制模块的指令交由第二控制模块进行处理。在本发明中所指的第二控制模块可以为伺服驱动器的速度环或伺服驱动器的力矩环，第一控制模块可以对应为伺服驱动器的位置环或伺服驱动器的速度环。且在实际切换过程中的第二控制模块切换至第一控制模块可以表示为由速度环作为第二控制模块切换至由位置环作为第一控制模块、也可以表示为由力矩环作为第二控制模块切换至由速度环作为第一控制模块以及由力矩环作为第二控制模块切换至由位置环作为第一控制模块。

在具体实施例中，该控制模式的切换方法可以包括以下情况：

1.速度环作为第二控制模块切换至作为第一控制模块的位置环，在切换时运行虚拟的位置环。具体地，该虚拟的位置环可以由速度指令和电机产生的位置反馈信息产生虚拟指令，且该虚拟的位置环的虚不用于环路控制，仅仅用于从速度环到位置环的动态模式切换。

进一步地，该速度指令是直接由上位机代替位置环发送给速度环，进而传送给该虚拟的位置环。该位置反馈信息可以包括但不限于电机所得到的被驱动对象的当前位置信息及负载信息。

2.力矩环作为第二控制模块切换至作为第一控制模块的速度环，在切换时运行虚拟的速度环。具体地，该虚拟的速度环可以由力矩指令和由电机产生的速度反馈信息产生虚拟指令，且虚拟的该速度环不用于环路控制，仅仅用于从力矩环到速度环的动态模式切换。

进一步地，该力矩指令是直接由上位机代替力矩环发送给速度环，进而传送给该速度环的虚拟环。该速度反馈信息可以包括但不限于电机所得到的被驱动对象的当前位置及负载信息。

3.力矩环作为第二控制模块切换至作为第一控制模块的位置环。

其中，第一控制模块和第二控制模块之间包括第三控制模块，即第三控制模块为速度环，在运行虚拟的位置环之前包括：运行虚拟的速度环。即在此切换过程中，由于从力矩环不能直接跨越速度环切换至位置环，故力矩环需切换至速度环，再由速度环向位置环切换，已完成该动态模式的切换。故该情况和本实施例中的力矩环切换至速度环的过程相同，此处不再赘述。

s2，虚拟的第一控制模块根据接收到的第二控制模块的指令，产生对应第一控制模块的虚拟指令。

在具体实施例中，对于开环的控制系统，虚拟的第一控制模块根据接收到的第二控制模块的指令，产生对应第一控制模块的虚拟指令；对于闭环的控制系统，虚拟的第一控制模块根据接收到的第一控制模块的第一反馈信息以及第二控制模块的指令，产生对应所述第一模块的虚拟指令。以闭环的伺服驱动器控制为例，步骤s2对应上述步骤s1中所述的3种情况，也可以包括以下几种情况：

1.第一控制模块为伺服驱动器的位置环，第二控制模块为伺服驱动器的速度环，速度环作为第二控制模块切换至作为第一控制模块的位置环时，具体可以参见图3，图3是本发明速度环切换至位置环一实施方式的结构示意图。

虚拟的位置环接收位置环的位置反馈信息以及来自速度环的速度指令，利用位置反馈信息和速度指令进行计算产生对应位置环的虚拟指令。其中，该位置反馈信息可以为电机自身的位置信息，还可以为电机负载的当前位置信息。该虚拟指令可以包括配置信息，比如前一时刻的位置信息，目的是使位置环可以正常工作。进一步地，该速度环的速度指令直接由上位机代替位置环发送给速度环，且该上位机发送的速度指令与由原位置环发送的速度指令相同。

需要说明的是，在由速度环切换到位置环过程中，位置环接收来自虚拟的位置环的虚拟指令等相关信息，进而正常发出速度指令至速度环，使后续环节正常工作，从而完成速度环的控制模式切换到位置环的控制模式。

2.力矩环作为第二控制模块切换至作为第一控制模块的速度环，具体可以参见图4，图4是本发明力矩环切换至速度环一实施方式的结构示意图。

虚拟的速度环接收来自速度环的速度反馈信息以及来自力矩环的指令，利用速度反馈信息和力矩指令进行计算产生对应速度环的虚拟指令。其中，该速度反馈信息可以为电机负载的当前速度信息，该第二反馈信息还可以为电机自身的速度信息。该虚拟指令可以包括配置信息，比如前一时刻的力矩信息，目的是使速度环可以正常工作。

可选地，该力矩环的力矩指令直接由上位机代替速度环发送给力矩环，且该上位机发送的力矩指令与由原速度环发送的力矩指令相同。

需要说明的是，在由力矩环切换到速度环过程中，速度环接收来自虚拟的速度环的虚拟指令等相关信息，进而正常发出力矩指令至力矩环，使后续环节正常工作，从而完成力矩环的控制模式切换到速度环的控制模式。

3.力矩环作为第二控制模块切换至作为第一控制模块的位置环，因力矩环不能直接跨越速度环而直接切换至位置环，故此情况力矩环先切换成速度环控制后，再由速度环切换成位置环，切换方法与上述对应的切换方法相同，此处不再赘述。

s3，虚拟的第一控制模块将对应第一控制模块的虚拟指令发送至第一控制模块，并由第二控制模块的控制模式切换到第一控制模块的控制模式。

在步骤s3中，在虚拟的第二控制模块计算出其虚拟指令后，需要将该虚拟指令发送给第一控制模块以实现由第一控制模块到第二控制模块的动态模式切换。

具体地，进一步参见图2及图3，可以分为以下情况：

1.速度环作为第一控制模块切换至作为第二控制模块的位置环。

在具体实施例中，由速度环向位置环切换的过程中，位置环此时是不运行的，且该位置环也不会保存其上一次的位置信息等参数，故在位置环的虚拟环将对应位置环的配置信息(指令和位置反馈信息)发送至位置环时，位置环可以根据其配置信息运行，以实现速度环到位置环的动态模式切换。需要说明的是，速度环到位置环的切换过程中，位置环的配置信息不需要上位机的预先设置，而是通过其虚拟的位置环根据速度环的速度指令以及位置反馈信息计算而得到，从而可以实现由速度环到位置环的快速切换。

2.力矩环作为第一控制模块切换至作为第二控制模块的速度环。

在具体实施例中，由力矩环向速度环切换的过程中，位置环及速度环此时是不运行的，且该速度环也不会保存其上一次的速度信息等参数，故在速度的虚拟环将对应速度环的配置信息(指令和速度反馈信息)发送至速度环时，速度环可以根据其配置信息启动并运行，以实现力矩环到速度环的动态模式切换。需要说明的是，力矩环到速度环的切换过程中，速度环的配置信息不需要上位机的预先设置，而是通过其虚拟的速度环根据力矩环的力矩指令以及速度反馈信息计算而得到，从而可以实现由力矩环到速度环的快速切换。

3.当力矩环作为第一控制模块切换至作为第二控制模块的位置环时，该转换过程如下：

当力矩环作为第一控制模块切换至位置环作为第二控制模块时，第一控制模块和第二控制模块之间包括第三控制模块，即力矩环与位置环间还包括作为速度环的第三控制模块。在运行虚拟的位置环之前先运行虚拟的速度环，虚拟的速度环通过接收到的第二反馈信息以及所述力矩环的指令，产生对应速度环的虚拟指令，也就是说由力矩环切换至位置环时，需要将力矩环先切换至速度环。其中，由力矩环切换至速度环的过程具体可以参见上述的描述，此处不再赘述。

其中，在力矩环切换至速度环后，继续执行运行虚拟的位置环及其后续步骤，以实现力矩环向位置环的模式切换。进一步地，所述速度环向位置环的切换方法参见上述描述，此处不再赘述。

上述实施例中，在无需上位机预先配置控制模块参数的情况下，通过运行虚拟的控制模块，得到对应控制模块的指令，可解决对应控制模块由于未启用而无法及时得到相应指令的问题，可以实现不同控制模块间动态模式的快速切换。

请参阅图4，图4是本发明控制模式切换方法第三实施方式的流程示意图。如图该方法包括以下步骤：

s20，在指令传递方向的第一控制模块切换至第二控制模块时，由上位机代替第一控制模块给第二控制模块发送指令。

在具体实施例中，指令传递方向的第一控制模块切换至第二控制模块时可以包括以下两种情况：

1.作为第一控制模块的位置环向作为第二控制模块的速度环切换，具体可以参见图5，图5是本发明位置环切换至速度环一实施方式的结构示意图。

具体地，由位置指令切换为速度指令时，由于速度环指令是由位置环产生，所以从位置环切换到速度环时，直接由上位机代替位置环将速度指令给到速度环，新的速度指令代替了原来位置环产生的指令，因此模式切换无需做特殊处理。且需要说明的是由上位机直接给速度环的速度指令应与由原位置环给速度环的指令相同。

2.作为第一控制模块的速度环向作为第二控制模块的力矩环切换，具体可以参见图6，图6是本发明速度环切换至力矩环一实施方式的结构示意图。

具体地，由速度指令切换为力矩指令时，由于力矩环指令是由速度环产生，所以从速度环切换到力矩环时，直接由上位机代替速度环将力矩指令给到力矩环，新的力矩指令代替了原来速度环产生的指令，因此模式切换无需做特殊的预先配置。且需要说明的是由上位机直接给力矩环的力矩指令应与由原速度环给力矩环的指令相同。

s21，第二控制模块接收指令并处理。

步骤s21对象上述步骤也包括如下情况：

1.作为第一控制模块的位置环向作为第二控制模块的速度环切换。

具体地，速度环接收由上位机发送的速度指令并处理，完成由位置环到速度环的动态模式切换。

2.作为第一控制模块的速度环向作为第二控制模块的力矩环切换。

具体地，力矩环接收由上位机发送的力矩指令并处理，完成由速度环到力矩环的动态模式切换。

需要说明的是，若需要由位置环切换到力矩环，则需要先将位置环切换到速度环，再由速度环切换到力矩环。

上述实施方式，通过由上位机直接发送指令给所述控制模块，且无需做特殊的预先配置，能够实现控制模块间动态模式间的转换。

请参阅图7，图7是本发明驱动器一实施方式的结构示意图。如图所示，该驱动器10包括第一接口11、第二接口12以及第三接口13。

其中，处理器14，与第一接口11、第二接口12、第三接口13相连接，第一接口11用于连接上位机20，用以接收来自上位机20的指令，第二接口12用于连接电机30，用以输出处理器14的指令至电机30，第三接口13用于接收来自电机30的反馈信息，且可省略，利用第二接口12接收来自电机30的或电机负载的反馈信息。在实际应用中，还可以包括外围电路以实现更多功能。

其中，处理器14用于当需要第二控制模块的控制模式切换至第一控制模块的控制模式时，运行虚拟的第一控制模块，其中第一控制模块为第二控制模块的上位控制模块，虚拟的第一控制模块根据接收到的所述第二控制模块的指令，产生对应所述第一控制模块的虚拟指令，处理器14通过虚拟的第一控制模块根据接收到的第一控制模块的第一反馈信息以及第二控制模块的指令，产生对应第一模块的虚拟指令；通过虚拟的第一控制模块将对应第一控制模块的虚拟指令发送至第一控制模块，并由第二控制模块的控制模式切换到第一控制模块的控制模式。

可选地，当驱动器为伺服驱动器，第一控制模块为伺服驱动器的位置环，第二控制模块为伺服驱动器的速度环时，处理器14执行如下步骤：

处理器14通过虚拟的位置环接收位置环的位置反馈信息以及速度环的速度指令；利用位置反馈信息和速度指令进行计算以获得位置环的虚拟位置指令；通过虚拟的位置环将位置环的虚拟位置指令发送至位置环，并由速度环的控制模式切换到位置环的控制模式。

可选地，当第一控制模块为伺服驱动器的速度环，第二控制模块为伺服驱动器的力矩环时，处理器14执行如下步骤：

通过虚拟的速度环接收速度环的速度反馈信息以及力矩环的力矩指令；利用速度反馈信息和力矩指令进行计算以获得速度环的虚拟速度指令；通过虚拟的速度环将速度环的虚拟速度指令发送至速度环，并由力矩环的控制模式切换到速度环的控制模式。

可选地，第一控制模块和第二控制模块之间包括第三控制模块时，处理器14运行虚拟的第二控制模块之前先运行虚拟的第三控制模块，虚拟的第三控制模块通过接收到的第二控制模块的指令，产生对应第三控制模块的虚拟指令。

具体有通过虚拟的第三控制模块虚拟指令发送至第三控制模块，以实现第二控制模块向第三控制模块的模式切换。其中，第二控制模块的控制模式切换至第三控制模块的控制模式后，处理器14继续执行运行虚拟的第一控制模块及其后续步骤。

可选地，当驱动器为伺服驱动器，第一控制模块为伺服驱动器的位置环，第二控制模块为伺服驱动器的力矩环，第三控制模块为伺服驱动器的速度环时，处理器14执行如下步骤：运行虚拟的位置环之前包括：运行虚拟的速度环；通过虚拟的速度环接收速度环的速度反馈信息以及力矩环的力矩指令；利用速度反馈信息和力矩指令进行计算以获得速度环的虚拟位置指令；通过虚拟的速度环将虚拟速度指令发送至速度环，并由力矩环的控制模式切换到速度环的控制模式；其中，力矩环的控制模式切换至速度环的控制模式后，处理器14继续执行运行虚拟的位置环及其后续步骤。

需要说明的是，该驱动器可以执行上述方法中驱动器执行的步骤，相关内容请参见上述方法中的详细说明，在此不再赘叙。

请参阅图8，图8是本发明机器人系统一实施方式的结构示意图。如图所示，该机器人系统40包括：驱动器10和电机30。

驱动器10包括：第一接口11、第二接口12以及第三接口13，且该驱动器的具体结构可以参见图8中的描述。

处理器14，耦接于第一接口11、第二接口12、第三接口13，第一接口11用于连接上位机20，用以接收来自上位机20的指令，第二接口用于连接电机30，用以输出处理器14的指令至电机，第三接口13用于接收来自电机30或负载的反馈信息。

其中，处理器14当需要第二控制模块的控制模式切换至第一控制模块的控制模式时，运行虚拟的第一控制模块，其中第一控制模块为第二控制模块的上位控制模块虚拟的第一控制模块根据接收到的第二控制模块的指令，产生对应第一控制模块的虚拟指令；通过虚拟的第一控制模块将对应第一控制模块的虚拟指令发送至第一控制模块，并由第二控制模块的控制模式切换到第一控制模块的控制模式。

需要说明的是，该驱动器可以执行上述方法中驱动器执行的步骤，相关内容请参见上述方法中的详细说明，在此不再赘叙。

参阅图9，图9为本发明存储装置一实施方式的结构示意图。本发明的存储装置存储有能够实现上述所有方法的程序文件31，其中，该程序文件21可以以软件产品的形式存储在上述存储装置中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)或处理器(processor)执行本发明各个实施方式所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储装置包括：u盘、移动硬盘、只读存储器(rom，read-onlymemory)、随机存取存储器(ram，randomaccessmemory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质，或者是计算机、服务器、手机、平板等终端设备。

在本发明所提供的几个实施方式中，应该理解到，所揭露的系统，装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施方式仅仅是示意性的，例如，所述模块或单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。

所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施方式方案的目的。

另外，在本发明各个实施方式中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。

所述集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)或处理器(processor)执行本发明各个实施方式所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：u盘、移动硬盘、只读存储器(rom，read-onlymemory)、随机存取存储器(ram，randomaccessmemory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

综上所述，本领域技术人员容易理解，本发明提供一种机器人系统、驱动器、存储装置及控制模式的切换方法，在无需上位机预先配置控制模块参数的情况下，通过运行虚拟的控制模块，得到对应控制模块的指令，可解决对应控制模块由于未启用而无法及时得到相应指令的问题，进而可以实现不同控制模块间动态模式的快速切换。

以上所述仅为本发明的实施方式，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。