CN102681465A - 具备运动规划功能的工业机器人示教规划器及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具备运动规划功能的工业机器人示教规划器及其控制方法。核心处理器分别与程序数据存储器、USB扩展接口、RS-485串口通信接口、以太网通信接口、电源及复位电路和液晶触摸屏连接。定制开发Linux嵌入式操作系统；设计开发跨平台特性QT图形用户界面；内置机器人运动学和轨迹规划算法，完成示教工作中的运动轨迹规划任务；采用以太网与PC机连接，移植操作系统；采用RS-485串口通信直接与机器人控制器连接，传输控制指令。本发明具备机器人运动规划的功能，将示教系统、规划系统有机组合，节省轨迹规划工控机的使用，避免频繁的数据通信与传输，降低通信故障的概率，示教工作全部由触摸屏操作，体积小巧，示教工作效率高。

Description

具备运动规划功能的工业机器人示教规划器及其控制方法

技术领域

本发明涉及一种示教规划器及其控制方法，特别是涉及一种具备运动规划功能的工业机器人示教规划器及其控制方法。

背景技术

随着计算机集成制造技术从实验室阶段向工厂实用化阶段的迈近，对工业机器人的需求越来越大，机器人自动化生产的市场也越来越大，工业机器人的广泛应用，对人机交互提出了更高的要求，作为机器人控制器重要可选件的示教盒可以提供良好的人机接口界面，具有示教编程，现场监控功能，广泛应用于工业机器人的安全示教、生产操控上。不过目前现有示教盒大部分都是由控制面板和显示屏组成，体积较大，按键较多，示教操作不方便，工作效率不高。并且在与机器人控制器之间还需要通过一台规划控制器，例如工控机，示教盒与工控机连接通信，工控机再与机器人控制器相连，不仅成本较高，而且容易收到工控机带来的电磁干扰，且通信途径繁琐，容易造成系统通信故障，造成安全隐患。因此，设计一种低成本、体积小巧、简便高效、通信可靠、功能集成度高的示教盒有着重大的经济价值和应用前景。

发明内容

针对现有机器人示教盒体积较大，按键较多，操作不便的问题，本发明的目的在于提供一种具备运动规划功能的工业机器人示教规划器及其控制方法。

本发明采用的技术方案是：

一、一种具备运动规划功能的工业机器人示教规划器：

包括核心处理器、程序数据存储器、USB扩展接口、RS-485串口通信接口、以太网通信接口、电源及复位电路和液晶触摸屏；核心处理器分别与程序数据存储器、USB扩展接口、RS-485串口通信接口、以太网通信接口、电源及复位电路和液晶触摸屏连接，核心处理器采用ARM9嵌入式核心处理芯片，以太网通信接口与PC机连接，RS-485串口通信接口与机器人控制器连接。

所述的核心处理芯片采用嵌入式操作系统。

二、一种具备运动规划功能的工业机器人示教规划器的控制方法，包括以下步骤：

S1、新建示教文件或者打开示教文件：如果新建示教文件，则进行步骤S2；如果打开示教文件，则进行步骤S10；

S2、设置机器人的系统参数和示教参数，系统参数包括机器人结构的D-H参数，示教参数包括选择运动模式和速度模式；

S3、在机器人任务空间中控制机器人进行手动示教，根据机器人手动示教的位姿确认任务空间关键点和运行时间，关键点包括指定起点、终点和抓手动作；

S4、利用VAL-Ⅲ语言的编程指令进行示教编程；

S5、进行机器人运动学逆解，把任务空间关键点转换成关节空间经过点，把三维空间轨迹转换成关节空间轨迹；

S6、在关节空间轨迹中插入轨迹中间点，轨迹中间点包括起始点、提升点、下放点和终止点；

S7、根据步骤S6得到的每个轨迹中间点规划轨迹方程；

S8、对步骤S7得到的轨迹方程进行定间隔插值计算，得到机器人控制序列点；

S9、如果示教工作没有结束，则回到S2步骤；如果示教工作结束，则执行下一步骤；

S10、将步骤S8得到的机器人控制序列点通过RS-485串口总线发送到机器人控制器中。

步骤S4中所述的示教编程方式如下：

编程指令由运动指令、操作指令和辅助指令组成；运动指令包括MOVJ、MOVL、MOVC、MOVS；操作指令包括PICKUP、PUTDOWN；辅助指令包括START、END、DELAY。

步骤S7中所述的轨迹方程的规划方式为4-3-4多项式轨迹规划或3-5-3多项式轨迹规划。

与背景技术相比，本发明具有的有益效果是：

1.采用高性能的ARM9嵌入式微处理器，具有高速的计算能力，集成度高，结构简单,并移植嵌入式Linux操作系统，Linux有着异常丰富的驱动程序资源，支持各种主流硬件设备和最新硬件技术，利用其内核高效稳定，开放源码，较强的多任务管理功能，可以较方便地开发用户程序及各个硬件驱动程序，提高开发效率。

2.采用纯触摸屏的操作方式，提供可靠友好的人机交互界面，体积小巧，便于操控，极大地提高了示教规划器的工作效率。

3.采用具有跨平台特性的图形用户界面开发软件QT，只需一次性开发应用程序，无须重新编写源代码，便可跨不同桌面和嵌入式操作系统部署，可以在PC机上开发编译所需各种功能，通过交叉编译器一次性通过以太网移植到嵌入式操作系统里，简洁方便，便于开发及调试。

4.采用嵌入式系统设计，人机交互平台不仅提供高效实用的示教系统，而且还具备机器人运动轨迹规划的功能，并将轨迹规划的指令结果直接通过RS-485串口通信发送到机器人控制器。这样的控制策略可以将示教系统和运动规划系统有机地组合，节省轨迹规划工控机的使用，不仅可以减少成本，而且还减少了复杂的通信环节，降低了系统通信故障的概率，提高了数据传输的稳定性，同时避免了PC机带来的电磁干扰，提高了现场操作的安全性。

附图说明

图1是本发明示教规划器的整体结构图。

图2是本发明示教规划器控制方法的软件结构图。

图3是示教规划器示教流程图。

图4是串口通信协议结构图。

图5是轨迹方程的规划趋势图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

如图1所示，本发明包括核心处理器、程序数据存储器、USB扩展接口、RS-485串口通信接口、以太网通信接口、电源及复位电路和液晶触摸屏；核心处理器分别与程序数据存储器、USB扩展接口、RS-485串口通信接口、以太网通信接口、电源及复位电路和液晶触摸屏连接，核心处理器采用ARM9嵌入式核心处理芯片，以太网通信接口与PC机连接，RS-485串口通信接口与机器人控制器连接。

所述的核心处理芯片采用嵌入式操作系统。

本发明的示教规划器的主要部件描述如下：

核心处理器采用SAMSUNG公司的S3C2240A微处理器，基于ARM920T内核，具有低功耗、高集成度的特点，集成了丰富的内部资源，提供了强大的外部存储控制器。

程序数据存储器主要有Nor Flash接口、Nand Flash接口和SDRAM接口电路，NorFlash和Nand Flash具有掉电保护的功能，SDRAM中存储的是执行中的程序和产生的数据，用于动态存储，SDRAM运行速度快、容量大、成本低，本实施例选用两片16位32MB（4Banks×4M×16位）的K4S561632作为系统的SDRAM，考虑到后期移植Linux系统和QT图形界面的需要，本系统选用K9F1208作为Nand Flash存储器，其容量为64M。

USB扩展接口用于扩展移动储存设备，可实现对示教数据的保存及转移，包括示教文件的存储和读取管理，示教文件中指令字符和数据字符的提取，系统参数文件的存储和读取。

液晶触摸屏采用CHILIN公司的TFT LCD TOUCH Module型号，无其他控制面板按键，体积小巧，操作简便，提供很好的人机交互界面。

以太网通信接口采用Cirrus Logic公司的16位以太网控制器CS8900A，提供10M的以太网接入带宽，以太网控制器可以与PC机连接，用于定制与移植嵌入式Linux操作系统，在其移植操作系统过程中，嵌入式系统需要从PC机下载几十兆的镜像数据，同时需要建立NFS网络文件系统，使用ztelnet登陆来传送文件等操作，通过以太网具有很高的通信效率。

RS-485串口通信接口采用S3C2440A集成的串口通信接口，与机器人控制器进行通信，发送控制指令控制器根据接收到的示教盒指令做出各个关节的控制。

另外与核心处理器相连的还有用作调试的串口通信接口以及备用的串口通信接口，用作调试的串口通信接口用于在移植和调试Linux系统时作为调试控制台（console）。

本发明所述机器人示教规划器的主要功能是完成监控机器人的状态，设置系统参数，操作机器人运动，编辑机器人作业任务，规划机器人运动轨迹，并与机器人控制器完成数据及命令的通信传输。核心处理器负责整个示教规划系统的控制及处理，并通过其完善的存储接口与程序数据存储器及外扩存储器相连，通过液晶触摸屏显示接口与内置的LCD控制器相连，通过以太网通信接口与PC机相连，用于移植嵌入式操作系统，通过用于调试的串口通信接口与PC机相连，用于调试嵌入式操作系统的控制台，通过RS-485串口通信接口与机器人控制器相连，用于发送机器人控制指令。

本发明所述的具有运动规划功能的示教规划器控制方法的软件结构框图如图2：首先在PC机上建立交叉编译环境，定制并编译Linux嵌入式操作系统内核，然后移植嵌入式操作系统模块入示教规划器核心处理器中，在此基础上，示教规划器完成底层硬件驱动程序的开发，进而完成用户程序的设计与开发，用户程序包括人机交互用户界面模块、通信模块和机器人示教及运动规划模块。

嵌入式操作系统模块，考虑示教规划器对稳定性和实时性的要求，方便实现多任务的管理及人机交互功能，在本实施例中采用嵌入式操作系统Linux，Linux操作系统支持各种主流硬件设备和最新硬件技术，有丰富的驱动程序资源，在内核层面上，Linux系统的内核高效稳定，其内核分成进程调度、内存管理、进程间通信、虚拟文件系统和网络接口五大部分，模块化的机制可以方便用户根据需要进行裁剪，适应于嵌入式系统的需要；在应用层面，它有完善的网络通信和文件管理机制，同时具有丰富的开源代码和方便的开发和调试工具。在嵌入式系统上进行图形界面开发，现成已有较成熟的图形界面库以集成开发环境，使得用户如在PC上编程一样方便直接。嵌入式Linux平台的开发步骤，一般包括下载Boot1oader、定制及编译内核、制作根文件系统以及运行用户程序四大部分：Bootloader是系统引导程序，系统复位后从Bootloader开始执行，很类似于PC机上的BIOS，Bootloader在完成系统的硬件初始化包括系统时钟设置、存储区映射、设置堆栈指针等工作后，跳到操作系统内核的入口，将控制权限移交操作系统，采用U-Boot，包含了一些常见的外设驱动，是一个功能强大的板极支持包，减少了后续底层硬件驱动的开发，可以通过JTAG工具将BootLoader烧写进Flash里；完成BootLoader的烧写后需要Linux内核的定制及编译，通过条件编译进行裁剪相应的功能和模块，使用make menuconifg指令通过图形界面配置内核模块，配置时设置正确的设备号及波特率以保证控制台终端正常使用，同时指定文件系统支持，指定网络、触摸屏、实时时钟等常见的驱动，同时自行编写新加入的硬件的底层驱动，并进行配置，最后编译生成内核映像；最后一步需要制作根文件系统，系统采用Yaffs（Yet Another Flash File System）文件系统；用户程序移植到嵌入式Linux系统运行，实现机器人示教操作的功能，并完成机器人运动学解算、轨迹规划和通信功能。

人机交互界面模块，采用QT软件。它是一个跨平台的图形界面应用程序，支持Windows，Linux等操作系统，QT只需一次性开发应用程序，无须重新编写源代码，便可跨不同桌面和嵌入式操作系统部署这些应用程序，这个优良的跨平台特性使得QT在嵌入式系统中的应用非常的广泛，可以在PC机上开发编译所需各种功能，通过交叉编译器一次性通过以太网移植到嵌入式操作系统里，只需一次性开发应用程序，无须重新编写源代码，便可跨不同桌面和嵌入式操作系统部署，简洁方便，而且采用了面向对象的C++语言开发，良好封装机制使得QT的模块化程度非常高，可重用性较好，同时还有丰富的API和大量的开发文档，对用户非常方便。

通信接口模块，采用RS-485串口通信接口与底层的机器人控制器连接，控制器根据接收到的示教盒指令做出各个关节的控制，负责接收示教指令和任务文件，发送机器人状态信息，让机器人执行程序要求的轨迹运动，实现程序回放，由于示教盒与主控制器的通信较为频繁，为了保证通信的稳定性和数据的准确性，必须建立通信协议，通信协议考虑了数据功能类型的划分和数据格式类型的定义，通信协议结构如下图4所示，包括功能码2个字节，文件开头标志2个字节，文件语句编号2个字节，文件数据体32个字节，文件结束标志2个字节。

机器人示教及运动规划模块，主要完成以下功能：1、机器人点动运动，包括四个关节的单独运动和XYZ三个方向的运动，并可以通过设定速度系数改变运动速度；2、机器人示教，包括示教操作，新建、保存、编辑、删除示教文件、执行示教指令、回零、急停等。其中示教语言采用简化的VAL-Ⅲ语言，常见的指令包括：运动指令，如MOVJ、MOVL、MOVC、MOVS、操作指令：PICKUP、PUTDOWN、辅助指令：START、END、DELAY等，具体的格式及指令解释可以参考表1，采用四关节示教操作；3、机器人运动指令及状态显示：包括机器人当前各关节期望和实际的运动量及机器人三维空间的期望和实际运动量，4、功能键及数字键。5、机器人规划方式：为4-3-4多项式轨迹规划或3-5-3多项式轨迹规划。

如图3，本发明的方法步骤如下实施例：

S1、新建示教文件或者打开示教文件：如果新建示教文件，则进行步骤S2；如果打开示教文件，则进行步骤S10；

S2、设置机器人的系统参数和示教参数，系统参数包括机器人结构的D-H参数，示教参数包括选择运动模式和速度模式；

系统参数的设置采用四关节示教操作，机器人的D-H系统参数如表1所示；示教参数运动模式选择为连续，速度模式选择为中等速度。

表1

 

S3、在机器人任务空间中控制机器人进行手动示教，根据机器人手动示教的位姿确认任务空间关键点和运行时间，关键点包括指定起点、终点和抓手动作；

根据实际工作要求，手动示教机器人运动经过预期的任务空间关键点，比如绕过某些障碍点，再经过需要机器人操作动作的任务空间关键点，并记录上述两种的任务空间关键点坐标，确认示教运动的运行时间；

S4、利用VAL-Ⅲ语言的编程指令进行示教编程；

VAL-Ⅲ语言中编程指令由运动指令、操作指令和辅助指令组成；运动指令包括MOVJ、MOVL、MOVC、MOVS；操作指令包括PICKUP、PUTDOWN；辅助指令包括START、END、DELAY。编程指令的具体的格式及指令解释见表2；

表2

 

S5、进行机器人运动学逆解，把任务空间关键点转换成关节空间经过点，把三维空间轨迹转换成关节空间轨迹；

通过机器人逆运动学把任务空间的关键点求解出4个关节中的各个关节空间的关键点，通过连续求解，可以把三维笛卡尔空间的连续轨迹转换成4个关节的关节空间连续轨迹；

S6、在关节空间轨迹中插入轨迹中间点，轨迹中间点包括起始点、提升点、下放点和终止点；

设置轨迹中间点包括起始点、提升点、下放点和终止点，来使得整个关节空间轨迹平滑连续，在轨迹运动过程中不会出现大的突变和冲击，保证了机器人运动的平稳性；

S7、根据步骤S6得到的每个轨迹中间点规划轨迹方程；

根据运动学及动力学约束条件，选用4-3-4多项式轨迹规划或3-5-3多项式轨迹规划规划方式来进行轨迹规划，计算优化规划方程，得到关节空间的轨迹方程，轨迹方程为加加速度连续轨迹方程、时间最优轨迹方程或最优平滑轨迹方程； 

S8、对步骤S7得到的轨迹方程进行定时间间隔插值计算，得到机器人控制序列点；

进行定时间间隔插值的定时间间隔为20ms，每20ms对轨迹方程进行求解，得到对应时间的轨迹点，即机器人关节空间的控制序列点。

S9、如果示教工作没有结束，则回到S2步骤；如果示教工作结束，则执行下一步骤；

如果示教工作还没有结束，则回到S2步骤，重新设置系统参数和示教参数，重新进行示教工作；如果示教工作结束，则直接执行下一步骤。

S10、将步骤S8得到的机器人控制序列点通过RS-485串口总线发送到机器人控制器中。

采用RS-485串口通信接口与底层的机器人控制器连接，控制器根据接收到的示教盒指令做出各个关节的控制，负责接收示教指令和任务文件，发送机器人状态信息，让机器人执行程序要求的轨迹运动，实现程序回放，由于示教盒与主控制器的通信较为频繁，为了保证通信的稳定性和数据的准确性，必须建立通信协议，通信协议考虑了数据功能类型的划分和数据格式类型的定义，通信协议结构如下图4所示，包括功能码2个字节，文件开头标志2个字节，文件语句编号2个字节，文件数据体32个字节，文件结束标志2个字节。

如图5，轨迹方程的规划方式选择为4-3-4多项式轨迹规划时，将机器人的运动分为起始点、提升点和下放点和终止点来完成运动轨迹规划，规划轨迹方程的趋势可参考图5。起始点要求速度、加速度均为0，提升点和下放点要求运动连续，终止点同样要求速度加速度为0。第一段从起始点到提升点采用四次多项式表示，中间段从提升点到下放点的轨迹采用三次多项式表示，最后一段从下放点到终点采用四次多项式，每一段的连接点保证速度及加速度连续。

如图5，轨迹方程的规划方式选择为3-5-3多项式轨迹规划时，将机器人的运动分为起始点、提升点和下放点和终止点来完成运动轨迹规划，规划轨迹方程的趋势可参考图5。起始点要求速度、加速度均为0，提升点和下放点要求运动连续，终止点同样要求速度加速度为0。第一段从起始点到提升点采用三次多项式表示，中间段从提升点到下放点的轨迹采用五次多项式表示，最后一段从下放点到终点采用三次多项式，每一段的连接点保证速度及加速度连续。

上述实施例只是本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他任何在本技术方案范围内未背离本发明实质原理下所做的改变、替代和组合都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种具备运动规划功能的工业机器人示教规划器，其特征在于：包括核心处理器、程序数据存储器、USB扩展接口、RS-485串口通信接口、以太网通信接口、电源及复位电路和液晶触摸屏；核心处理器分别与程序数据存储器、USB扩展接口、RS-485串口通信接口、以太网通信接口、电源及复位电路和液晶触摸屏连接，核心处理器采用ARM9嵌入式核心处理芯片，以太网通信接口与PC机连接，RS-485串口通信接口与机器人控制器连接。

2.根据权利要求1所述的一种具备运动规划功能的工业机器人示教规划器，其特征在于：所述的核心处理芯片采用嵌入式操作系统。

3.一种具备运动规划功能的工业机器人示教规划器的控制方法，其特征在于包括以下步骤：

S1、新建示教文件或者打开示教文件：如果新建示教文件，则进行步骤S2；如果打开示教文件，则进行步骤S10；

S2、设置机器人的系统参数和示教参数，系统参数包括机器人结构的D-H参数，示教参数包括选择运动模式和速度模式；

S3、在机器人任务空间中控制机器人进行手动示教，根据机器人手动示教的位姿确认任务空间关键点和运行时间，关键点包括指定起点、终点和抓手动作；

S4、利用VAL-Ⅲ语言的编程指令进行示教编程；

S5、进行机器人运动学逆解，把任务空间关键点转换成关节空间经过点，把三维空间轨迹转换成关节空间轨迹；

S6、在关节空间轨迹中插入轨迹中间点，轨迹中间点包括起始点、提升点、下放点和终止点；

S7、根据步骤S6得到的每个轨迹中间点规划轨迹方程；

S8、对步骤S7得到的轨迹方程进行定间隔插值计算，得到机器人控制序列点；

S9、如果示教工作没有结束，则回到S2步骤；如果示教工作结束，则执行下一步骤；

S10、将步骤S8得到的机器人控制序列点通过RS-485串口总线发送到机器人控制器中。

4.根据权利要求3所述的一种具备运动规划功能的工业机器人示教规划器的控制方法，其特征在于：步骤S4中所述的编程指令由运动指令、操作指令和辅助指令组成；运动指令包括MOVJ、MOVL、MOVC、MOVS；操作指令包括PICKUP、PUTDOWN；辅助指令包括START、END、DELAY。

5.根据权利要求3所述的一种具备运动规划功能的工业机器人示教规划器的控制方法，其特征在于：步骤S7中所述的轨迹方程的规划方式为4-3-4多项式轨迹规划或3-5-3多项式轨迹规划。

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