CN102616577A - 用于码垛机器人的控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于码垛机器人的控制系统，其特征在于，其包括嵌入式中央控制模块、多轴运动控制模块、伺服驱动器、示教显示器、外部I/O通信接口以及传感器和控制开关，嵌入式中央控制模块与多轴运动控制模块通过PCI总线相连接；嵌入式中央控制模块与示教显示器通过专用通信电缆相连接；嵌入式中央控制模块与外部I/O通信接口相连接，多轴运动控制模块与伺服驱动器、传感器和控制开关通过数字输入输出接口相连接，嵌入式中央控制模块控制机器人完成码垛作业。本发明操作方便，操作者只需通过手持式示教显示器即可完成示教和参数输入操作。

Description

用于码垛机器人的控制系统

 

技术领域

本发明涉及一种控制系统，特别涉及一种用于码垛机器人的控制系统。

 

背景技术

与非标准设计的专用码垛机相比，码垛机器人占地面积小、应用灵活、成本较低。码垛机器人在各行业中的应用，大大降低了从事搬运工作的工人的劳动强度，同时提高了整个生产过程的工作效率，因此码垛机器人在国内外相关领域获得了广泛的应用。

在世界范围内，专业从事码垛机器人生产的有日本的Fuji Yusoki Kogyo、Okura Yusoki等公司。其他通用型工业机器人产品系列中也有用于码垛作业的型号，如日本MOTOMAN、德国KUKA、瑞典ABB等机器人品牌。码垛机器人的控制系统不同于一般工业机器人，有其自身的特点。主要体现在自由度通常较少，动作相对简单；速度要求较高；有较为固定的使用模式（码垛与拆垛），编程方式较少完全采用示教再现方式。

经过对现有技术文献检索之后发现，尚无针对码垛机器人控制系统的相关技术专利，比较接近的专利技术有中国专利CN200810129766.4，该专利提供了一种用于机器人的码垛作业的机器人编程装置，该装置能够在虚拟空间内生成机器人的码垛程序，然后由该公司的机器人实现码垛作业。这实质上是一种码垛作业离线编程器，配合通用工业机器人使用。中国发明专利CN200610113040.2以及中国发明专利CN200820081216.5分别介绍了码垛机器人机构，但未涉及其控制系统。中国发明专利CN00254080.0提出了开放式工业机器人控制平台，属于通用的工业机器人控制系统，其突出特点是将通用的工业计算机引入传统的机器人控制系统中，并采用独特的开放式及模块化结构，可以控制多种类型伺服包，更加灵活，可方便地增加其功能。中国发明专利CN03100077.0也提出类似的开放式结构机器人控制器，其包括由工业控制计算机和开放式控制器系统的周边设备所组成的硬件部分，由开放源码的实时操作系统和开放式控制器应用软件系统组成的软件部分；具有可扩展性、可移植性、可定制性和互操作性四个方面的特征。这些专利技术涉及开放式、通用式的设计方法，并不适用于码垛机器人机构及其作业特点，不能满足其专有功能和性能要求。

 

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种用于码垛机器人的控制系统，其操作方便，操作者只需通过手持式示教显示器即可完成示教和参数输入操作。

为解决所述技术问题，本发明提供了一种用于码垛机器人的控制系统，其特征在于，其包括嵌入式中央控制模块、多轴运动控制模块、伺服驱动器、示教显示器、外部I/O通信接口以及传感器和控制开关，嵌入式中央控制模块与多轴运动控制模块通过PCI总线相连接；嵌入式中央控制模块与示教显示器通过专用通信电缆相连接；嵌入式中央控制模块与外部I/O通信接口相连接，多轴运动控制模块与伺服驱动器、传感器和控制开关通过数字输入输出接口相连接，嵌入式中央控制模块控制机器人完成码垛作业。

优选地，所述嵌入式中央控制模块由一台嵌入式工业控制计算机构成。

优选地，所述多轴运动控制模块采用通用的四轴运动控制卡，能实现分别对四台伺服电机的速度和位置控制。

优选地，所述多轴运动控制模块接收来自嵌入式中央控制模块的运动规划信息，按照给定的运动控制算法生成伺服电机控制信号，通过信号电缆发送给各伺服驱动器，控制各伺服电机运动。

优选地，所述示教显示器由液晶触摸屏和一组按钮开关组成，用于机器人位置示教和信息显示、参数设定；示教显示器所显示的图形界面直接由嵌入式中央控制模块控制生成，所接收的液晶触摸屏、按钮开关的输入信息直接发送到嵌入式中央控制模块进行处理。

优选地，所述嵌入式中央控制模块通过系统软件能够实现全部系统控制功能，系统软件采用模块化程序设计且包括系统界面子模块、文件管理子模块、通信子模块、监控子模块、示教子模块、运动规划子模块、运动学算法子模块、动力学优化子模块、逻辑控制子模块和底层驱动模块。

优选地，所述系统界面子模块通过示教显示器向用户提供图形界面，并接收用户的输入的信息；用户通过系统界面子模块完成各项参数的设定，完成对系统的各项操作，并能实时监控系统的运行状态。

优选地，所述运动规划子模块针对码垛作业的特点要求对机器人的动作进行规划，以实现码垛作业。

本发明的积极进步效果在于：一、本发明具有模块化的设计，控制器核心硬件为通用的嵌入式工业控制计算机，其控制功能主要由运行其中的系统软件实现，系统软件同样遵循模块化设计原则，便于系统功能的扩展。二、具有专门针对码垛作业的控制功能设计，自动化程度较高，用户只需确定垛盘基准位置，以及码垛对象产品尺寸，即可按照预置的码垛方式自动生成全部动作系列，较之一般工业机器人方便得多，可以大大节约工作准备时间。三、本发明的结构开放，通过TCP/IP协议、RS232/RS485接口等多种常用通信方式，能够作为基础平台与各种控制系统相结合。操作方式灵活，既可以与上位机连接，作为标准动作单元完成码垛作业，也可以作为独立的自动化码垛单元控制周边装置完成码垛作业。四、本发明操作方便，操作者只需通过手持式示教显示器即可完成示教和参数输入操作。

 

附图说明

图1为本发明用于码垛机器人的控制系统的结构框图。

图2为本发明用于码垛机器人的控制系统的原理示意图。

具体实施方式

下面举个较佳实施例，并结合附图来更清楚完整地说明本发明。

本实施例中介绍的用于码垛机器人的控制系统是一种开放式控制系统，该控制器的体系结构中主要包括了硬件系统与软件系统。

如图1所示，本发明用于码垛机器人的控制系统包括嵌入式中央控制模块、多轴运动控制模块、伺服驱动器、示教显示器、外部I/O（输入/输出）通信接口以及传感器和控制开关。

所述的嵌入式中央控制模块由一台嵌入式工业控制计算机构成。嵌入式中央控制模块与多轴运动控制模块通过PCI总线相连接；嵌入式中央控制模块与示教显示器通过专用通信电缆相连接；嵌入式中央控制模块与外部I/O（输入/输出）相连接，多轴运动控制模块与伺服驱动器、传感器和控制开关通过内部数字I/O（输入/输出）接口相连接。嵌入式中央控制模块通过运行其中的系统软件实现主要的控制功能，控制机器人完成码垛（或拆垛）作业。

所述的多轴运动控制模块采用通用的四轴运动控制卡，能实现分别对四台伺服电机的速度和位置控制，以及多台伺服电机的联动功能。多轴运动控制模块通过PCI总线与嵌入式中央控制模块相连接，能接收来自嵌入式中央控制模块的运动规划信息，按照给定的运动控制算法生成伺服电机控制信号，通过信号电缆发送给各伺服驱动器，控制各伺服电机运动。多轴运动控制模块采集的各伺服电机的位置、速度等状态信号通过PCI总线传送给嵌入式中央控制模块，供系统软件作为决策判断之用。

所述伺服驱动器是机器人所用交流伺服电机的配套产品，本例中伺服驱动器和电机分别使用SANYO公司R系列的驱动器及其配套的电机。

所述示教显示器是系统的人机界面，用于机器人位置示教和信息显示、参数设定等用途。示教显示器由液晶触摸屏和一组按钮开关组成，通过专用通信电缆与嵌入式中央控制模块相连。液晶触摸屏由液晶屏和覆于其上的触摸屏部件构成。按钮开关包括我国工业机器人安全规范所规定的紧急停止按钮、三位安全开关，以及模式选择开关、光标移动按钮、输入确认按钮等常用输入按钮开关。所谓专用通信电缆所传输的信号包括液晶屏所需的标准VGA接口信号、触摸输入设备所需的PS/2接口信号以及用于按钮开关的数字量信号等。示教显示器所显示的图形界面直接由嵌入式中央控制模块控制生成，所接收的液晶触摸屏、按钮开关等输入信息也直接发送到嵌入式中央控制模块进行处理。示教显示器本身不具有信息处理能力，不需另行开发相应硬、软件。

所述各传感器和控制开关是指安装在各处的紧急停止按钮、运行模式切换开关、机器人各关节极限位置传感器、周边装置状态传感器等各类信号输入装置，以及物料抓取装置、输送装置、工业用三色指示灯等外部设备的信号输出接口。

如图2所示，所述的系统软件运行于嵌入式中央控制模块，系统软件采用模块化程序设计且包括以下功能模块：

一、系统界面子模块，通过示教显示器向用户提供图形界面，并接收用户通过触摸屏、按钮开关等装置输入的信息。通过该界面用户可以完成各项参数的设定，完成对系统的各项操作，并能实时监控系统的运行状态。

二、文件管理子模块，管理各种系统工作文件和参数文件，并与上位机工具软件进行文件交互、备份等操作。

三、通信子模块，实现局域网、现场总线等通信接口。

四、监控子模块，包括内部状态监控和外部监控。内部状态监控主要监控运动程序计算是否正确，运动程序是否执行完成等；外部监控主要监控和处理外部IO信号等，包括从多轴运动控制模块反馈而来的电机运行状态，从示教显示器输入获得的用户输入状态，从各传感器获得的其他周边信息，从各控制开关获得的用户设定信息。将这些状态信息经过一定的计算处理后通过示教显示器的液晶屏显示给用户，并根据设定的条件触发报警和紧急停止等操作。

五、示教子模块，手动示教模式下调用，控制机器人完成位置示教所需要的运动和动作。操作者通过示教显示器的触摸屏输入操作信息，控制机器人实现手动运动，并记录机器人当前位置作为示教位置。

六、运动规划子模块，机器人自动模式下调用，规划机器人的连续动作，即可以针对码垛作业的特点要求对机器人的动作进行规划，以实现码垛（或拆垛）作业。根据预定的码垛方式，以及通过位置示教所确定的垛盘位置，自动计算码垛（或者拆垛）作业所需要的全部动作序列。

七、运动学算法子模块，提供实现机器人运动规划所需要的正、逆运动学算法。以及在关节坐标，基座坐标，用户坐标等坐标系之间实现位置的换算。

八、动力学优化子模块，以提高速度与精度为目标，提供实现机器人高速高精度运动控制所需要的算法。根据运动规划所确定的动作计算出每个关节电机的运动参数，传送到多轴运动控制模块，最终实现机器人的运动。

九、逻辑控制子模块，对各传感器、按钮开关的信号进行处理，控制其输入输出，并根据这些信号调用不同的程序模块完成相关的功能，从而实现系统逻辑控制功能。

十、底层驱动模块，底层驱动模块与底层硬件接口，底层驱动模块装有驱动程序，底层驱动模块对机器人所涉及到的各类底层硬件操作进行描述，作为基本驱动模块和输入输出信号接口被其它程序调用。

在一般的操作流程中，操作者通过示教显示器手动控制机器人运动到垛盘的基准位置并记录该位置（如该位置不变则不必每次重复记录）；随后输入码垛对象的尺寸（同样如果该数据不变则不必每次重复记录）；将控制方式设置为自动方式，选择码垛方式（即预设定的码垛次序和码垛对象相对位置关系等），即可开始自动码垛作业。

虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这些仅是举例说明，在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改。因此，本发明的保护范围由所附权利要求书限定。

Claims (8)

1.一种用于码垛机器人的控制系统，其特征在于，其包括嵌入式中央控制模块、多轴运动控制模块、伺服驱动器、示教显示器、外部I/O通信接口以及传感器和控制开关，嵌入式中央控制模块与多轴运动控制模块通过PCI总线相连接；嵌入式中央控制模块与示教显示器通过专用通信电缆相连接；嵌入式中央控制模块与外部I/O通信接口相连接，多轴运动控制模块与伺服驱动器、传感器和控制开关通过数字输入输出接口相连接，嵌入式中央控制模块控制机器人完成码垛作业。

2.如权利要求1所述的用于码垛机器人的控制系统，其特征在于，所述嵌入式中央控制模块由一台嵌入式工业控制计算机构成。

3.如权利要求1所述的用于码垛机器人的控制系统，其特征在于，所述多轴运动控制模块采用通用的四轴运动控制卡，能实现分别对四台伺服电机的速度和位置控制。

4.如权利要求1所述的用于码垛机器人的控制系统，其特征在于，所述多轴运动控制模块接收来自嵌入式中央控制模块的运动规划信息，按照给定的运动控制算法生成伺服电机控制信号，通过信号电缆发送给各伺服驱动器，控制各伺服电机运动。

5.如权利要求1所述的用于码垛机器人的控制系统，其特征在于，所述示教显示器由液晶触摸屏和一组按钮开关组成，用于机器人位置示教和信息显示、参数设定；示教显示器所显示的图形界面直接由嵌入式中央控制模块控制生成，所接收的液晶触摸屏、按钮开关的输入信息直接发送到嵌入式中央控制模块进行处理。

6.如权利要求1所述的用于码垛机器人的控制系统，其特征在于，所述嵌入式中央控制模块通过系统软件能够实现全部系统控制功能，系统软件采用模块化程序设计且包括系统界面子模块、文件管理子模块、通信子模块、监控子模块、示教子模块、运动规划子模块、运动学算法子模块、动力学优化子模块、逻辑控制子模块和底层驱动模块。

7.如权利要求1所述的用于码垛机器人的控制系统，其特征在于，所述系统界面子模块通过示教显示器向用户提供图形界面，并接收用户的输入的信息；用户通过系统界面子模块完成各项参数的设定，完成对系统的各项操作，并能实时监控系统的运行状态。

8.如权利要求1所述的用于码垛机器人的控制系统，其特征在于，所述运动规划子模块针对码垛作业的特点要求对机器人的动作进行规划，以实现码垛作业。

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