CN103116318B - 一种机器人多轴同步控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供的一种机器人多轴同步控制方法，属于机器人控制技术领域。该控制方法是使用插补软件与小型PLC硬件平台组成软硬件系统以完成机器人多轴同步控制过程；插补软件和PLC硬件平台之间采用串口通讯，插补软件由人机交互模块、轨迹规划模块、脉冲数量和频率计算模块、控制数据表生成模块、数据表下载模块组成，将所述控制数据表下载到所述的小型PLC数据存储区，所述的小型PLC硬件平台按照所述控制数据表中所描述的控制规则控制各个伺服电机的脉冲发送数量和频率，从而达到多轴同步控制的目的，实现对机器人的运动控制。本发明方法利用小型PLC即可完成机器人多轴同步控制的要求，从而有效的降低了控制系统的成本。
Description
技术领域
本发明属于机器人控制技术领域，具体涉及一种机器人多轴同步控制方法。
背景技术
随着中国软包装食品药品的产业升级和规模化生产，机器人搬运设备成为限制其自动化程度的重要因素。多家研究机构和企业开发了高速软袋装箱机器人、软袋装箱机等。然而鉴于中国人力成本低廉，原有基于IPC+运控模块的高速装箱机器人存在成本过高、稳定性不足等问题，限制了产品的推广。PLC由于稳定性好，价格低廉广泛应用于多种工业控制场合。然而，由于一般的小型PLC仅有脉冲发送功能和简单的插补功能，难以满足工业机器人的控制要求。必须加入运动控制模块，从而又大大增加了成本，限制的搬运机器人的推广。
目前，工业机器人控制方法主要有两种：一种是基于DSP等相关运动控制芯片自行开发的控制系统，但此控制系统整体性能取决于开发者水平。因而，控制系统的性能不稳定，控制效果参差不齐；另一种是生产厂商直接购买成熟公司控制系统，例如运动控制卡等。由于该种实现方法一般比较昂贵，会提高产品生产成本不利于工业机器人在国内大面积的推广。而中国专利公开的（公开号：CN 101551654A）一种基于表格编程的开放式机器人控制方法及其系统发明专利是一种操作使用开放式机器人的方法，并不是对工业机器人的运动控制，不能称为真正意义上的工业机器人控制方法。因此，国内目前在机器人运动控制方面技术薄弱，限制了国内工业机器人行业的发展。
发明内容
本发明的目的正是为了克服上述现有技术中的不足，提出一种基于软件插补结合小型PLC的机器人多轴同步控制方法。在保证机器人控制性能的前提下，降低工业机器人生产成本，为其大面积推广提供契机。为解决上述技术问题，本发明的基本构思是：由插补软件进行轨迹规划并生成控制数据表，将该控制数据表下载到PLC，由PLC根据该数据表向各电机发送脉冲，从而达到控制机器人各关节伺服电机同步运动的目的。
本发明提供了一种机器人多轴同步控制方法是使用插补软件与小型PLC硬件平台组成软硬件系统以完成机器人多轴同步控制过程；所述插补软件和PLC硬件平台之间，根据PLC硬件平台串行通信协议采用串口连接、通讯。所述插补软件由人机交互模块、轨迹规划模块、脉冲数量和频率计算模块、控制数据表生成模块、数据表下载模块组成。所述插补软件根据所需路径完成机器人轨迹规划以及运动控制计算并生成控制数据表。将所述控制数据表下载到所述的小型PLC数据存储区，所述的小型PLC硬件平台按照所述控制数据表中所描述的控制规则控制各个伺服电机的脉冲发送数量和频率，从而达到多轴同步控制的目的。
所述小型PLC硬件平台可采用松下FPX-60T型PLC。
所述插补软件可采用基于虚拟仪器的Labview语言编写。
所述人机交互模块包含机器人轨迹参数设定、杆件参数设定以及运动参数设定部分，具体功能流程如下：
（1）设定机器人在笛卡尔坐标系中的原点位置；
（2）将机器人每完成一个动作作为一段轨迹，输入每段轨迹的起始点和终点；
（3）根据运动需要，设定机器人圆弧运动标志以及中间点；
（4）输入机器人杆件参数；
（5）设定机器人在运动时所需的速度、加速度以及等待时间。
所述轨迹规划模块根据给定的运动轨迹的起始点和终点以及运动规律，由机器人运动学逆解计算出其各个关节变量离散位置点组。所述的轨迹规划方法采用修正梯形运动规律，在操作空间中以三至十毫秒时间间隔进行插补，得到操作空间中的执行器运行的离散位置点组。
所述的轨迹规划模块工作步骤如下：
1.1、将所述的轨迹的起始点和终点的坐标值设定好，并对相关运动参数、杆件参数以及圆弧参数进行设置。
1.2、所述的轨迹规划模块将选择修正梯形运动规律对步骤1.1中输入的每段运动轨迹进行规划，所得结果为连续运动路径和运动参数。
1.3、程序自动对步骤1.2中所述的运动参数进行检查。若超过极限值，则程序报警需返回步骤1重新对运动参数进行设置；反之，进行下一个步骤。
1.4、程序根据步骤1.1中设置的圆弧参数对机器人所需路径进行判断，若所需圆弧路径，则程序自动进入下一个步骤；反之将跳过下一个步骤。
1.5、根据步骤1.1中所述的圆弧参数重新将直线路径规划成圆弧路径。
1.6、以特定的时间节点（3-10ms）对步骤1.3和步骤1.4中的连续的圆弧路径或者直线路径进行插补，得到离散的位置点数组。
至此轨迹规划模块程序执行完毕。
所述的脉冲数量和频率计算模块是以特定时间节点，将所述的离散位置点组使用机器人学中的运动学逆解转化为每个关节所需的离散关节变量数组，通过脉冲频率计算模块将其计算成为PLC所能识别的脉冲数量和脉冲频率数组。所述的脉冲数量和频率计算模块具体程序步骤如下：
2.1、运用运动学逆解将所述的离散位置点组转换为成离散关节变量数组。
2.2、通过脉冲数量计算程序将所述的关节变量离散数组转变为每个关节所需的脉冲数量数组和数据长度，所述的数据长度分为每个关节所需脉冲数量数据的总长度，以及在时间节点内的数据长度。
2.3、将步骤2.2中所述的每个电机数据总长度求和，验证是否超过硬件平台的数据存储区。若超过所述的硬件平台的数据存储区则返回到步骤1.1对相关的参数进行重新设定，反之进入下一步。
2.4、在每个时间节点内通过所述的脉冲数量与数据长度得到发送脉冲频率。
2.5、将步骤2.2中所述的脉冲数量和步骤2.3中所述的发送频率，通过控制数据表生成模块整合生成控制数据表。
2.6、根据硬件平台的通讯协议将所述的控制数据表转换成为可供下载的控制数据表下载模块。
所述控制数据表生成模块将所述的脉冲数量以及频率数组，根据PLC所提供的脉冲发送指令格式在所述脉冲数量和脉冲频率数组中添加控制符，从而形成可供下载的控制数据表。所述的数据表下载模块将所述的控制数据表通过串行口下载到PLC的数据存储区。所述的小型PLC硬件平台按照所述控制数据表中所描述的控制规则控制各个伺服电机的脉冲发送数量和频率，从而达到多轴同步控制的目的。
本发明与现有技术相比，其不同点在于：
（1）采用软件插补实现机器人多轴同步控制；
（2）成本相对具有运控模块的控制系统大幅降低；
本发明的有益效果是：提供了一种开放式的机器人控制方法，通过使用软件完成了运动控制模块的控制功能，从而使小型PLC即可完成机器人多轴同步控制的要求，从而有效的降低了控制系统成本。
附图说明：
图1 是本发明的软硬件结构示意图；
图2 是本发明中人机交互模块界面图；
图3 是本发明中轨迹规划模块程序步骤图；
图4是本发明中脉冲数量、频率计算模块程序步骤图。
具体实施方式：
下面结合附图对本发明作进一步描述：
一种机器人多轴同步控制方法，包括插补软件和小型PLC硬件平台。具体操作步骤如下：
1、在机器人操作空间中设立笛卡尔坐标系的原点并确定每段轨迹的起始点和终点的坐标值；
2、在用户操作界面中输入相应点的坐标值以及相关参数，运行程序。所述的插补软件自动生成控制数据表下载模块；
3、利用串行口通讯，同时利用监测界面，将所述的控制数据表下载到所述的小型PLC硬件平台的数据存储区。
步骤2中所述的插补软件和所述的PLC硬件平台之间，根据硬件平台的通信协议采用串口通讯连接。所述的插补软件由轨迹规划模块、脉冲数量和频率计算模块、控制数据表生成模块、数据表下载模块组成。所述的轨迹规划方法采用修正梯形运动规律，在操作空间中以三至十毫秒时间间隔进行插补，得到操作空间中的执行器运行的离散位置点组。
所述的轨迹规划模块1具体程序步骤如下：
S301、将步骤1中所述的各个点的坐标值输入，并对相关运动参数、杆件参数以及圆弧参数进行设置；
S302、所述的轨迹规划模块1将选择修正梯形运动规律对步骤S301中输入的每段运动轨迹进行规划；
S303、根据步骤S302规划，所得结果为步骤S303a连续运动路径和步骤303b运动参数；
S304、对步骤S303进行运动检查，若超过极限值，则步骤S304a程序报警，需返回步骤 S303重新对运动参数进行设置；反之，运行步骤S305；
S305、程序根据步骤S301中设置的圆弧参数对机器人所需路径进行判断，若所需圆弧路径，则程序自动进入步骤S305；反之将进入步骤S306；
S306、根据步骤S301中所述的圆弧参数重新将直线路径规划成圆弧路径；
S307、以特定的时间节点（3-10ms）对步骤S303a中的连续的圆弧路径或者直线路径进行插补；
S308、根据S307中的插补结果得到离散的位置点数组；
至此所述的轨迹规划模块1程序执行完毕。
所述的脉冲数量和频率计算模块2是将所述的离散位置点组使用机器人学中的运动学逆解转化为PLC所能识别的脉冲数量和脉冲频率数组。所述的脉冲数量和频率计算模块2具体程序步骤如下：
S401、轨迹规划模块运算结果—离散的位置点数组；
S402、运用运动学逆解对步骤S401所述的离散位置点组进行计算；
S403、根据步骤S402的计算结果得到离散关节变量数组；
S404、进行相关的数据参数设置主要包括数据的长度，时间节点（控制脉冲发送的频率）的设置；
S405、通过脉冲数量计算程序将S403中所述的关节变量离散数组以及步骤S404所设置的数据进行处理；
S406、步骤S405所得结果为每个关节所需的脉冲数量数组S406a和数据长度S406b，所述的数据长度分为每个关节所需脉冲数量数据的总长度，以及在时间节点内的数据长度;
S407、将步骤S406中所述的每个电机数据总长度求和，验证是否超过硬件平台的数据存储区。若超过所述的硬件平台5的数据存储区则返回到步骤S404对相关的参数进行重新设定，反之进入步骤S408;
S408、在每个时间节点内根据步骤S406所述的脉冲数量与数据长度得到发送脉冲频率，通过控制数据表生成模块3整合生成控制数据表；
S409、写入所述串行通信协议；
S410、根据步骤S409中所述的硬件平台的通讯协议将所述的控制数据表转换成为可供下载的控制数据表下载模块4；
至此所述的脉冲数量和频率计算模块2程序执行完毕。
所述的控制数据表生成模块根据PLC所提供的脉冲发送指令格式在所述脉冲数量和脉冲频率数组中添加控制符，从而形成可供下载的控制数据表。所述的数据表下载模块将所述的控制数据表通过所述的串口通讯下载到PLC的数据存储区。所述的小型PLC硬件平台按照所述控制数据表中所描述的控制规则控制各个伺服电机的脉冲发送数量和频率，从而达到多轴同步控制的目的。
本发明在具体实施时可通过Labview可视化编程软件以及松下PLC硬件平台实现机器人运动控制方法。以此为例，本发明控制方法具体操作步骤如下：
1、在机器人操作空间中设立笛卡尔坐标系的原点并确定每段轨迹的起始点和终点的坐标值；
2、在用户操作界面中输入相应点的坐标值以及相关参数，运行程序。所述的插补软件自动生成控制数据表下载模块；
3、利用串行口通讯，同时利用监测界面，将所述的控制数据表下载到松下FP系列小型PLC硬件平台的数据存储区。
步骤2中所述的插补软件和所述的PLC硬件平台之间采用串口通讯连接，使用松下公司特有的MEWTOOLS通信协议。所述的插补软件由轨迹规划模块、脉冲数量和频率计算模块、控制数据表生成模块、数据表下载模块组成。所述的轨迹规划方法采用修正梯形运动规律，在操作空间中以三至十毫秒时间间隔进行插补，得到操作空间中的执行器运行的离散位置点组。
所述的轨迹规划模块1具体程序步骤如下：
S301、将步骤1中所述的各个点的坐标值输入，并对相关运动参数、杆件参数以及圆弧参数进行设置；
S302、所述的轨迹规划模块1将选择修正梯形运动规律对步骤S301中输入的每段运动轨迹进行规划；
S303、根据步骤S302规划，所得结果为步骤S303a连续运动路径和步骤S303b运动参数；
S304、对步骤S303进行运动检查，若超过极限值，则步骤S304a程序报警，需返回步骤S303重新对运动参数进行设置；反之，运行步骤S305；
S305、程序根据步骤S301中设置的圆弧参数对机器人所需路径进行判断，若所需圆弧路径，则程序自动进入步骤S305；反之将进入步骤S306；
S306、根据步骤S301中所述的圆弧参数重新将直线路径规划成圆弧路径；
S307、以特定的时间节点（3-10ms）对步骤S303a中的连续的圆弧路径或者直线路径进行插补；
S308、根据S307中的插补结果得到离散的位置点数组；
至此所述的轨迹规划模块程序执行完毕。
所述的脉冲数量和频率计算模块是将所述的离散位置点组使用机器人学中的运动学逆解转化为PLC所能识别的脉冲数量和脉冲频率数组。所述的脉冲数量和频率计算模块具体程序步骤如下：
S401、轨迹规划模块运算结果—离散的位置点数组；
S402、运用运动学逆解对步骤S401所述的离散位置点组进行计算；
S403、根据步骤S402的计算结果得到离散关节变量数组；
S404、进行相关的数据参数设置主要包括数据的长度，时间节点（控制脉冲发送的频率）的设置；
S405、通过脉冲数量计算程序将S403中所述的关节变量离散数组以及步骤S404所设置的数据进行处理；
S406、步骤S405所得结果为每个关节所需的脉冲数量数组S406a和数据长度S406b，所述的数据长度分为每个关节所需脉冲数量数据的总长度，以及在时间节点内的数据长度;
S407、将步骤S406中所述的每个电机数据总长度求和，验证是否超过硬件平台的数据存储区。若超过所述的硬件平台的数据存储区则返回到步骤 S404对相关的参数进行重新设定，反之进入步骤S408;
S408、在每个时间节点内根据步骤S406所述的脉冲数量与数据长度得到发送脉冲频率，通过控制数据表生成模块整合生成控制数据表；
S409、写入所述的MEWTOOLS通信协议；
S410、根据步骤S409中所述的硬件平台的通讯协议将所述的控制数据表转换成为可供下载的控制数据表下载模块；
至此所述的脉冲数量和频率计算模块程序执行完毕。
所述的控制数据表生成模块根据PLC所提供的脉冲发送指令格式在所述脉冲数量和脉冲频率数组中添加控制符，从而形成可供下载的控制数据表。所述的数据表下载模块将所述的控制数据表通过所述的串口通讯下载到PLC的数据存储区。所述的FP系列小型PLC硬件平台按照所述控制数据表中所描述的控制规则控制各个伺服电机的脉冲发送数量和频率，从而达到多轴同步控制的目的。
所述修正梯形的运动规律如下：
式中为运动过程中最大允许加速度，为运动周期。
Claims (6)
1.一种机器人多轴同步控制方法，其特征在于该方法是使用插补软件与小型PLC硬件平台组成软硬件系统以完成机器人多轴同步控制过程；所述插补软件和PLC硬件平台之间采用串口连接，使用串行通信协议,所述插补软件由人机交互模块、轨迹规划模块、脉冲数量和频率计算模块、控制数据表生成模块、数据表下载模块组成，所述插补软件进行轨迹规划并生成控制数据表，将所述控制数据表下载到所述的小型PLC数据存储区，所述的小型PLC硬件平台按照所述控制数据表中所描述的控制规则控制各个伺服电机的脉冲发送数量和频率，从而达到多轴同步控制的目的；所述小型PLC硬件平台采用松下FPX-60T型PLC；所述插补软件采用基于虚拟仪器的Labview语言编写；所述人机交互模块包含机器人轨迹参数设定、杆件参数设定以及运动参数设定部分，具体功能流程如下：
(1)设定机器人在笛卡尔坐标系中的原点位置；
(2)将机器人每完成一个动作作为一段轨迹，输入每段轨迹的起始点和终点；
(3)根据运动需要，设定机器人圆弧运动标志以及中间点；
(4)输入机器人杆件参数；
(5)设定机器人在运动时所需的速度、加速度以及等待时间。
2.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于所述轨迹规划模块根据给定的运动轨迹的起始点和终点以及运动规律，以三至十毫秒时间间隔进行插补，由机器人运动学逆解计算出其各个关节变量离散位置点组。
3.根据权利要求2所述的控制方法，其特征在于所述脉冲数量和频率计算模块以三至十毫秒特定的时间节点将所述关节变量离散位置点组计算成每个关节相应的脉冲数量。
4.根据权利要求3所述的控制方法，其特征在于所述脉冲数量和频率计算模块根据所述的关节变量离散点组计算出所需脉冲发送频率数组。
5.根据权利要求4所述的控制方法，其特征在于所述控制数据表生成模块将所述的每个关节相应的脉冲数量以及所述的频率数组，结合PLC脉冲发送指令格式，生成可供下载的控制数据表。
6.根据权利要求5所述的控制方法，其特征在于所述数据表下载模块将所述生成的可供下载的控制数据表，通过串行口通讯下载到小型PLC硬件平台的数据存储区。
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| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C53 | Correction of patent for invention or patent application | ||
| CB03 | Change of inventor or designer information |
Inventor after: Zhang Liangan Inventor after: Wang Peng Inventor after: Dan Jiazheng Inventor after: Jie Andong Inventor after: Wan Jun Inventor after: Wang Yu Inventor before: Zhang Liangan Inventor before: Dan Jiazheng Inventor before: Wang Peng Inventor before: Jie Andong Inventor before: Wan Jun |
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| COR | Change of bibliographic data |
Free format text: CORRECT: INVENTOR; FROM: ZHANG LIANGAN DAN JIAZHENG WANG PENG JIE ANDONG WAN JUN TO: ZHANG LIANGAN WANG PENG DAN JIAZHENG JIE ANDONG WAN JUN WANG YU |
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| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| ASS | Succession or assignment of patent right |
Owner name: ANHUI HUACHUANG INTELLIGENT EQUIPMENT CO., LTD. Free format text: FORMER OWNER: ANHUI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY Effective date: 20140918 |
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| C41 | Transfer of patent application or patent right or utility model | ||
| COR | Change of bibliographic data |
Free format text: CORRECT: ADDRESS; FROM: 243002 MAANSHAN, ANHUI PROVINCE TO: 243000 MAANSHAN, ANHUI PROVINCE |
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| TA01 | Transfer of patent application right |
Effective date of registration: 20140918 Address after: 243000 Anhui Province, Ma'anshan City Yutian Road No. 1269 (Yu Shan Economic Development Zone) Applicant after: Anhui Huachuang Intelligent Equipment Co., Ltd. Address before: 243002 Ma'anshan, East Lake Road, Anhui, No. 59 Applicant before: Anhui University of Technology |
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| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| TR01 | Transfer of patent right |
Effective date of registration: 20171213 Address after: 243000 Industrial Park, Ma'anshan, Anhui Patentee after: Anhui Tianyi Heavy Industry Co., Ltd. Address before: 243000 Anhui Province, Ma'anshan City Yutian Road No. 1269 (Yu Shan Economic Development Zone) Patentee before: Anhui Huachuang Intelligent Equipment Co., Ltd. |
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| TR01 | Transfer of patent right |