CN101421082B

CN101421082B - 工业机器人系统的多输入控制

Info

Publication number: CN101421082B
Application number: CN2007800127725A
Authority: CN
Inventors: 伊恩·伯德-拉多洛维奇
Original assignee: ABB AB
Current assignee: ABB AB
Priority date: 2006-04-11
Filing date: 2007-03-30
Publication date: 2011-08-10
Anticipated expiration: 2027-03-30
Also published as: WO2007115705A1; EP1844909A1; CN101421082A; US20090276093A1

Abstract

本发明提供具有提高的灵活性和控制精度的工业机器人系统。该工业机器人系统使用连接主控制器(16)、不同的驱动装置(20、22)以及传感器(24、26)的公共数据总线。传感器(24、26)通过公共数据总线(18)把传感器数据转发给驱动装置(20、22)。驱动装置(20、22)中的控制器单元处理通过公共数据总线(18)接收到的传感器数据，以控制连接到驱动装置(20、22)的至少一个电动机(M1、M2)。根据本发明，减少用于向驱动装置(20、22)提供传感器数据的延迟时间，这导致更好的控制性能。

Description

工业机器人系统的多输入控制

技术领域

本发明涉及工业机器人系统领域。

背景技术

传统上，工业机器人系统使用如图1所示的结构。

如图1所示，位置参考源100，典型地为中央位置控制器，向由驱动装置102、104控制的电动机提供控制参考。一旦生成控制参考值，就通过第一串行链路将它们转发给驱动装置102、104。

如图1所示，控制参考源100还与传感器收集单元108连接。传感器收集单元108用来从多个传感器110、112接收传感器数据，并把生成的传感器数据通过第二串行链路114转发给控制参考源100。

然而，图1所示的传统的工业机器人系统使用第一串行链路106和第二串行链路114将位置参考源100一方面连接到驱动装置102、104以及另一方面连接到传感器收集单元108。

所以，对于接收传感器数据例如电动机位置的测量值以及进而向不同的驱动装置102，104转发生成的位置参考数据来说存在两个通信延时。这例如在电动机加速度期间或在电动机以可变速度操作期间尤其影响性能。

传统的工业机器人系统的另一个问题在于，驱动装置102、104按照单输入/单输出模式操作。这使得在驱动装置处理多个输入数据以便于获得改进的控制精度变得复杂。

发明内容

鉴于以上所述，本发明的目的是提供具有提高的灵活性和控制精度的工业机器人系统。

按照本发明的第一方面，提供了用于工业机器人系统的驱动装置，包括连接到公用数据总线的接口单元。同时，还有生成要在驱动装置中处理的传感器数据的至少一个传感器被连接到同一个公共数据总线。该至少一个传感器通过公共数据总线把传感器数据转发给驱动装置。然后，在驱动装置中的控制器单元对通过公共数据总线接收到的传感器数据进行处理，以便于控制连接到该驱动装置的至少一个电动机。

所以，根据本发明，传感器和驱动装置被连接到公共数据总线。这样，用于向驱动装置提供传感器数据的延迟时间减小了，这导致更好的控制性能，例如，更高的加速性能。

此外，由于驱动装置通过公共数据总线被连接到在工业机器人系统中工作的所有的传感器，所以这使得能够在驱动装置中进行多输入控制。

根据本发明的优选实施例，在驱动装置内生成过程控制状态数据，然后该过程控制状态数据被输出给公共数据总线以供考虑，进而被输出给连附到公共数据总线的驱动装置。

所以，不仅可以与公共数据总线交换传感器数据，还可以交换驱动状态，例如在其它驱动装置处的当前速度或角度，这使得能够不仅实现多输入控制过程，而且还能在不同的驱动装置上实现分布式逻辑。

具体地，驱动装置可以是多输入/多输出类型，这意味着，驱动装置接收多个不同的传感器数据和控制过程数据，然后生成用于控制多个电动机的多个控制信号。

总之，本发明能够应用多输入/多输出驱动装置来提高工业机器人系统的可见性和精度，同时能够加速该系统的处理速度。

本发明的另一方面涉及用于工业机器人的多输入控制的分布式控制系统。

从控制系统结构的总的观点看来，在以上概述的认识上，分布式控制系统包括至少一个驱动装置。而且，提供至少一个传感器，用于检测工业机器人系统的工作状态，例如，电动机的状态、安全装置的状态、控制系统中电流和消息的状态等。主控制器生成用于至少一个驱动装置的控制参考数据。在不同的单元与分布式控制系统之间的信息交换通过适于发送对应于传感器数据、控制数据等的信息的消息的公共单个数据总线来执行。

所以，根据本发明，建议驱动单元和传感器共享同一个公共数据总线。主控制器调用来自于传感器的传感器数据，传感器利用链路上的消息进行应答。由于不同的单元被连接到同一个公共数据总线，驱动装置同时接收打算被用于主控制器的相同的数据，所以只存在单个通信延时。

提供单个公共数据总线的再一个优点在于，更多的驱动装置和传感器可以被容易地加到该公共数据总线，因此就增加了设计控制器系统的灵活性。同时，不同的传感器，诸如力传感器、加速度传感器等，可以被容易地加到公共数据总线，而不需要新的通信设施。由于公共数据总线可以是高速的，因此分布式控制系统执行实时控制。

另一个优点是公共数据总线可以依赖于工业标准，以在所有传感器与驱动装置之间广播消息。通过应用工业标准，第三方驱动装置和传感器可以被容易地加到公共数据总线，因此更进一步地提高了网络灵活性和可测量性。

此外，设置单个公共数据总线提供了用于获得增加的处理速度的‘平坦的’的通信结构。先前分配给所谓的“接入计算机”的控制逻辑可被分布在不同的驱动装置，使得如果希望的话，先前的接入计算机作为一个任选项可被省略。

附图说明

下面将结合附图描述本发明的最佳模式和优选实施例，其中：

图1示出了传统的工业机器人系统的示意图；

图2示出了根据本发明的驱动装置的示意图；

图3示出了图2所示的驱动装置的操作流程图；

图4示出了根据本发明的用于工业机器人系统的多输入控制系统的示意图；

图5示出了图4所示的多输入控制系统的操作流程图，以及

图6示出了图4所示的多输入控制系统的更具体的实例。

具体实施方式

下面将结合附图说明本发明的最佳模式和优选实施例。就所说明的具体特征来说，应当注意的是，这种特征可以以硬件、软件或其任意组合来实施。

图2示出了对于根据本发明的工业机器人系统的驱动装置的示意图。

如图2所示，驱动装置10包括接口单元12和控制器单元14。接口单元12适于被连接到公共数据总线，用于接收来自于也和公共数据总线连接的至少一个传感器的至少传感器数据。此外，控制器单元10适于处理传感器数据，以控制与驱动装置10连接的至少一个电动机。

图3示出了如图2所示的驱动装置的操作流程图。

如图3所示，接口单元12以操作方式执行步骤S10，以通过公共数据总线接收来自于中央位置参考源的位置控制命令。此外，接口单元12以操作方式执行步骤S12，以通过公共数据总线接收传感器数据。

如图3所示，可选地，控制器单元14还可以执行步骤S14，以生成用于随后被输出到公共数据总线的反映驱动装置10中执行的控制过程的状态的控制过程状态数据。

如图3所示，可选地，接口单元12可以执行步骤S16，以接收来自被于连附到公共数据总线的其它驱动装置的控制过程状态数据。

如图3所示，控制器单元14以操作方式执行步骤S16，以处理接收到的位置控制命令和传感器数据，用以控制与驱动装置连接的至少一个电动机。可选地，控制器单元14可以执行步骤S16，以便于还处理接收到的控制过程状态数据，用以控制至少一个电动机。

因此，根据本发明，由于所有的驱动装置和传感器都连附于同一个公共数据总线，例如实时数字通信链路，例如以太网电力线(Powerlink)，因此所有的驱动装置共享相同的传感器数据，而不用通过主控制器或动作控制器交换该数据。这大大地减小了通信延时，从而提高了工业机器人系统的控制精度。

图4示出了根据本发明的多输入控制系统的示意图。

如图4所示，在根据本发明的分布式控制系统中，主控制器16与公共数据总线18连接。驱动装置20、22中的至少一个以及传感器24、26中的至少一个与同一个公共数据总线连接。每个驱动装置可以配置成根据工业机器人系统的单线联络(single access)操作或多线联络(multi-access)操作来控制一个电动机或多个电动机。

而且，传感器的具体的实例例如是力传感器、编码器传感器、调节电压传感器。

图5示出了图4所示的用于多输入控制的分布式控制系统的操作流程图。

如图5所示，主控制器16以操作方式执行步骤S22，以借助于通过公共数据总线18发送传感器数据请求来检测工业机器人系统的工作状态。响应于该发送的请求，每个被寻址的传感器24、26将在公共数据总线18上输出相关的传感器数据，以便于把传感器数据发回给主控制器16。同时，所有连附的驱动单元20、22可以接收到相同的传感器数据，因此该传感器数据不通过中央主控制器来传送，而是直接在传感器24、26与驱动装置20，22之间交换，以获得提高的通信速度。

如图5所示，在检测工作状态后，主控制器16将以操作方式执行步骤S24，以生成控制参考数据，用于操作不同的驱动装置20、22。

如图5所示，主控制器16然后以操作方式执行步骤S26，以通过公共数据总线18向驱动装置20、22转发和发送控制参考数据。

应当注意到，根据本发明，分布式控制系统依赖于在不同的驱动装置中的分布式逻辑，这与使用中间动作控制器的现有技术相反。无论如何，如果希望的话，图4所示的结构也适于连附其它的动作控制器子系统。

图6示出了根据本发明的分散的分布式多输入控制结构的具体的实例。

这里，主控制器16与多个驱动装置连接，其中多个驱动装置例如是：如上所述的用于多线联络操作的驱动装置、用于单线联络操作的驱动装置、编码器传感器、力传感器，或收集来自多个传感器的传感器数据的传感器集线器。主控制器16向传感器转发传感器数据请求。然后通过连附于公共数据总线的驱动装置来发回和通知传感器数据。

如图6所示，除了上面已提及的那些部件以外，还可以连附安全板28，其检测工业机器人系统状态，诸如出于安全原因用于去除电力所需的接触状态，键开关状态等。虽然图6未示出，但接触板还可以连附于公共数据总线18，以通过机电手段等去除电力。

如图6所示，根据本发明，通过把安全板28连附到公共数据总线，可以直接发布与安全有关的信息，而没有不适当的延时。

除了以上说明以外，作为本发明的应用的一个实例，可以考虑一种工业机器人系统，其中需要两个电动机来彼此同步地运动。这里，主控制器16向两个相关的驱动装置发送相同的位置控制信息或速度参考。由于在每个被激活的驱动装置中的控制器单元看见所有来自于传感器的信息，因此在每个驱动装置中的每个控制器单元知道它应当比其它单元运行得更快还是更慢，以便于补偿速度差。根据本发明，这是通过将传感器连接到公共数据总线和使得相关的传感器数据对于在公共数据总线18上的所有驱动装置可用而不用附加的物理连接来实现的。此外，每个驱动装置在生成的同时可以侦听传感器输入数据，因此允许更加紧密的同步。

另一个实例是在力控制下运行的六轴机器人。相关的操纵器具有六个电动机、六个位置传感器和一个力传感器。为了控制这六个电动机的力/转矩以使得能够控制在力传感器处以XYZ坐标表示的力，每个电动机的控制器具有至所有的六个位置传感器和力传感器的接入部。这样，对于单个电动机的控制取决于其它电动机的状态。为了用单线联络驱动装置做到这一点，在传统技术下，每个驱动装置需要具有七个传感器输入。然而，根据本发明，多输入控制系统提供在主控制器中的中央控制，它取位置数据，并把六个不同的转矩控制参考输出给驱动装置。根据本发明，不需要至驱动装置或主控制器的多个连接，这是因为每个驱动装置实际上被连接到每个可用的传感器。由于传感器在公共数据总线上对其传感器数据进行发送或组播，所以所有的驱动装置同时接收来自于特定传感器的信息。唯一的需要是，例如通过适当的软件，提供在驱动装置内的功能，以利用额外的传感器数据输入以及运行更复杂的控制算法。

再一个实例是通过单个驱动装置控制三个轴。根据本发明，由于所有的传感器实际上被连接到驱动装置，以及由于在命令这些传感器在公共数据总线上发送其位置数据时，这些传感器在公共数据总线上发送其位置数据，因此，当操控三个轴的驱动装置控制特定的电动机时，可以仅选择“侦听”正确的传感器数据。

根据本发明的另一个优选实施例，提供了可直接装载到驱动装置的控制器的内部存储器中的计算机程序产品，包括软件代码部分，用于当产品在驱动装置的控制器上运行时执行本发明的控制过程。

因此，本发明还被提供用于在计算机或处理器系统上实现本发明的方法步骤。总之，这种实现导致提供与计算机系统，更具体地说是与驱动装置的控制器一起使用的计算机程序产品。

限定本发明的功能的程序可以以多种形式被传递到计算机/处理器，这些形式包括但不限于：被永久地存储在非可写存储媒体上的信息，其中非可写存储媒体例如是只读存储器装置，如可由处理器或计算机I/O附件读取的ROM或CD ROM盘；被存储在可写存储媒体上的信息，其中可写存储媒体即软盘和硬盘；或通过通信媒体传送到计算机/处理器的信息，其中通信媒体诸如是通过调制解调器或其它接口装置的网络和/或互联网和/或电话网。应当理解，这种媒体在承载实现本发明概念的处理器可读的指令时代表本发明的可替选实施例。

Claims

1.一种用于工业机器人系统的驱动装置，包括：

-接口单元(12)，适于连接到公共数据总线(18)，用于接收来自于连接到公共数据总线(18)的至少一个传感器(24、26)的传感器数据；以及

-控制器单元(14)，适于处理传感器数据，以控制与驱动装置连接的至少一个电动机(M1、M2、M3)，

其特征在于，

-所述传感器数据表示所述至少一个电动机(M1、M2、M3)的工作状态，并且

-所述接口单元(12)适于通过所述公共数据总线(18)接收来自主控制器(16)的控制参考数据。

2.根据权利要求1所述的驱动装置，其特征在于：控制器单元(14)适于生成控制过程状态数据，接口单元(12)适于把控制过程状态数据输出给公共数据总线(18)。

3.根据权利要求1或2所述的驱动装置，其特征在于：接口单元(12)适于接收与连接到公共数据总线(18)的另一个驱动装置的控制过程状态相关的控制过程状态数据，控制器单元(14)适于处理接收到的控制过程状态数据，以控制所述至少一个电动机(M1、M2、M3)。

4.根据权利要求1或2所述的驱动装置，其特征在于：接口单元(12)适于接收来自主控制器(16)的位置控制命令，控制器单元(14)适于处理接收到的位置控制命令，以控制所述至少一个电动机(M1、M2、M3)。

5.根据权利要求1或2所述的驱动装置，其特征在于：接口单元(12)适于连接到作为支持消息广播的实时数据总线的公共数据总线(18)。

6.根据权利要求1或2所述的驱动装置，其特征在于：驱动装置是多输入/多输出类型，以使得

-驱动装置接收来自于至少一个传感器(24、26)的传感器数据和来自于至少一个其它驱动装置的控制过程状态数据，以控制至少两个电动机(M1、M2、M3)，或使得

-驱动装置接收来自于至少两个传感器(24、26)的传感器数据，以控制至少两个电动机(M1、M2、M3)，或使得

-驱动装置接收来自于至少两个其它驱动装置的控制过程状态数据，以控制至少两个电动机(M1、M2、M3)。

7.一种用于工业机器人系统的多输入控制的分布式控制器，包括：

-根据权利要求1到6中之一所述的至少一个驱动装置(20、22)，适于控制连接到驱动装置(20、22)的至少一个电动机(M1、M2、M3)；

-至少一个传感器(24、26)，适于检测所述至少一个电动机(M1、M2、M3)的工作状态；

-主控制器(16)，适于提供用于所述至少一个驱动装置(20、22)的控制参考数据；以及

-公共数据总线(18)，适于在主控制器(16)、所述至少一个驱动装置(20、22)、和/或所述至少一个传感器(24、26)之间广播控制参考数据和/或传感器数据。

8.根据权利要求7所述的分布式控制器，其特征在于：主控制器(16)适于向所述至少一个传感器(24、26)发送传感器数据请求，所述至少一个传感器(24、26)适于在公共数据总线(18)上发送被请求的传感器数据。

9.根据权利要求7或8所述的分布式控制器，其特征在于：所述至少一个驱动装置(20、22)适于在公共数据总线(18)上广播与其操作相关的控制过程状态数据。

10.一种操作工业机器人系统中的驱动装置的方法，包括以下步骤：

-通过公共数据总线(18)接收来自于连接到驱动装置的至少一个传感器(24、26)的传感器数据(S12)；以及

-处理传感器数据(S18)，以控制连接到驱动装置的至少一个电动机(M1、M2、M3)，

其特征在于，

-使用所述至少一个传感器来检测所述至少一个电动机(M1、M2、M3)的工作状态，并且

-通过所述公共数据总线(18)接收来自主控制器(16)的控制参考数据。

11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于：该方法包括生成关于控制所述至少一个电动机的控制过程状态数据的步骤(S14)，以及把控制过程状态数据输出给公共数据总线(18)的步骤。

12.根据权利要求10或11所述的方法，其特征在于：该方法包括接收与连接到公共数据总线(18)的另一个驱动装置的控制过程状态相关的控制过程状态数据的步骤(S16)，以及处理接收到的控制过程状态数据以控制所述至少一个电动机(M1、M2、M3)步骤(S18)。

13.根据权利要求10或11所述的方法，其特征在于：该方法包括接收来自于主控制器(16)的位置控制命令的步骤，以及处理接收到的位置控制命令以控制所述至少一个电动机(M1、M2、M3)的步骤。

14.根据权利要求10或11所述的方法，其特征在于：驱动装置是多输入/多输出类型，并适于执行以下步骤之一：

-接收来自于至少一个传感器(24、26)的传感器数据和来自于至少一个其它驱动装置的控制过程状态数据(S12)，以控制至少两个电动机(M1、M2、M3)，或

-接收来自于至少两个传感器(24、26)的传感器数据，以控制至少两个电动机(M1、M2、M3)，或

-接收来自于至少两个其它驱动装置的控制过程状态数据(S16)，以控制至少两个电动机(M1、M2、M3)。

15.一种用于包括至少一个电动机(M1、M2、M3)的工业机器人系统的多输入控制的方法，包括以下步骤：

-使用至少一个传感器(24、26)来检测工业机器人系统的工作状态；

-根据检测的工作状态，在主控制器(16)中生成控制参考数据；以及

-把所生成的控制参考数据转发给所述至少一个驱动装置(20、22)；其中

-在所述至少一个传感器(24、26)、主控制器(16)、和/或所述至少一个驱动装置(20、22)之间的公共数据总线(18)上广播控制参考数据和/或传感器数据。

16.根据权利要求15所述的方法，其特征在于：该方法包括从主控制器(16)发送传感器数据请求给所述至少一个传感器(24、26)的步骤，以及在公共数据总线(18)上发送来自于公共数据总线上的所述至少一个传感器(24、26)的被请求的传感器数据的步骤。

17.根据权利要求15或16所述的方法，其特征在于：该方法包括从公共数据总线(18)上的所述至少一个驱动装置(20、22)广播与所述至少一个驱动装置(20、22)的操作相关的控制过程状态数据的步骤。