CN103231374B - 一种基于以太网通信的工业机器人示教盒 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种工业机器人示教盒，包括中央处理器、协处理器、手动操作单元、动态存储器和显示单元，中央处理器分别与协处理器、动态存储器和显示单元电连接，手动操作单元通过协处理器与中央处理器电连接，动态存储器中存储用于运行的程序，手动操作单元用于手动输入控制指令，中央处理器用于读取动态存储器中存储的工业机器人运行程序并将其处理为运行指令，输出到控制器以控制工业机器人的运行，或通过协处理器读取从手动操作单元输入的手动操作信息并处理为运行指令，输出到控制器以控制工业机器人运行，显示单元用于显示运行指令。本发明可以实现高质量的通信，速度提高的同时保证稳定性，具有按键少、操作简单、安全性高的特点。

Description

一种基于以太网通信的工业机器人示教盒

技术领域

本发明属于机器人工业机器人示教盒领域，具体涉及一种基于以太网的工业机器人示教盒。

背景技术

随着现代工业复杂性的增大、自动化水平的提升，作为面向未来工业应用的一个重要生产单元—工业机器人，其技术需要整体发展。作为人机界面的工业机器人示教盒是机器人控制系统的重要组成部分，操作者通过示教盒进行手动示教，控制机器人达到不同位姿，并记录各个位姿点坐标。利用机器人语言进行在线编程，实现程序回放，让机器人执行程序要求的轨迹运动，这也称为示教编程。工业机器人示教盒功能的好坏，会直接影响到工业机器人的实用性。

工业机器人示教盒与机器人控制器通过线缆连接，操作者通过操作示教盒，主要是操作示教盒按键，向机器人控制器发送命令，通过机器人控制器来控制机器人动作，同时将从机器人控制器接收到的运动状态等信息显示出来。示教盒一般具有在不同坐标系下控制机器人、显示运行状态以及对机器人实现示教编程与再现等功能。

专利文献201120045954.6公开了一种工业机器人示教控制器。该示教控制器的设计充分利用人体工程学，有效地设置各个功能键，特别是急停按钮在控制面板上的位置，从而使该示教控制器操作简单、有效地降低了操作人员疲劳度、并可在紧急情况下迅速停止机器人动作。但其按键较多，示教控制器体积较大。

专利文献20111031764.0公开了一种具备总线通信的机器人示教盒及其控制方法，使操作人员可以监控机器人的运行参数，并更安全的远程操作机器人。该示教盒采用NPR通信协议进行数据交换，使得数据丢失率低，系统抗干扰性强。然而，其通信质量依然有待进一步的改善，如提高通信速度和稳定性。

同时随着工业机器人在各个领域中的广泛应用，对于示教盒的人性化程度和安全性也提出了更高的要求。

发明内容

本发明目的在于克服工业机器人示教盒现有的不足，提出一种基于以太网的工业机器人示教盒，其通过以太网实现其通信功能，通过改善操作方式使其操作简单、安全性和人性化程度提升，可以很大程度地提高示教盒与机器人控制器的通信质量，同时很好地保证了稳定性。

实现本发明目的所采用的具体技术方案如下。

一种工业机器人示教盒，其与工业机器人的控制器连接，用于对工业机器人的示教，其特征在于，该示教盒包括中央处理器、协处理器、手动操作单元、动态存储器和显示单元，其中，所述中央处理器分别与协处理器、动态存储器和显示单元电连接，并与所述控制器通过以太网连通，所述手动操作单元通过所述协处理器与所述中央处理器电连接，所述动态存储器中存储用于工业机器人运行的程序，所述手动操作单元用于手动输入机器人的控制指令，所述中央处理器用于读取动态存储器中的存储的机器人运行程序并处理为运行指令，输出到控制器以控制机器人运行，或通过协处理器读取从手动操作单元输入的手动操作信息并处理为运行指令，输出到控制器以控制机器人运行，同时，所述运行指令输入到显示单元进行显示。

作为本发明的改进，所述工业机器人示教盒还包括以太网网卡，所述中央处理器与控制器通过该以太网网卡连通，以将运行指令通过以太网发送给控制器。

作为本发明的改进，所述手动操作单元包括具有多个功能按键的控制面板，用于手动控制机器人的运动或控制显示单元的显示。

作为本发明的改进，所述控制面板包括程序功能键、界面功能键以及用于机器人轴的选择的轴选择功能键，其中所述程序功能键用于控制所述中央处理器读取动态存储器中的存储的机器人运行程序，实现机器人自动运行，所述界面功能键用于控制中央处理器对显示单元的显示内容进行控制；所述轴选择功能键用于控制中央处理器选择需要操作的机器人轴，以对选定轴进行操作。

作为本发明的改进，所述手动操作单元还包括滚轮单元，其通过前后滚动产生操作信息，所述中央处理器通过所述协处理器获得所述操作信息，从而产生操作指令以控制机器人的运动或控制显示单元的显示。

作为本发明的改进，所述协处理器具有脉冲模块和脉冲数寄存器模块，所述滚轮单元滚动时产生脉冲，通过所述计脉冲模块判定脉冲数的增减，并将产生的脉冲数实时写入所述脉冲数寄存器模块中，所述中央处理器通过所述脉冲寄存器存储的脉冲数的比较判定滚轮向前或向后的操作，从而获得相应的控制指令，以对机器人的运动或显示单元的显示进行控制。

作为本发明的改进，所述手动操作单元还包括紧急停止按钮和安全开关，其直接与所述控制器连接，分别用于直接紧急停止和控制机器人的运行。

作为本发明的改进，所述示教盒还包括USB和串口，用于示教盒和外界设备之间的数据传输。

作为本发明的改进，所述示教盒的控制面板上各功能键及滚轮单元均布置在控制面板的左右边缘位置。

本发明的示教盒用于参数设定、文件管理、通过以太网将操作的按键值传输到机器人控制器中，及时将机器人控制器反馈回来的状态显示到显示单元上，并且可以进行示教编程。本示教盒与机器人主控制器采用以太网通信、使用标准TCP/IP协议，TCP/IP协议是目前最完整、最被普遍接受的通信协议标准。根据所需要传输的数据类型的不同选择UDP或TCP来进行数据的接收。通过这种方式一方面对实时性要求高的数据保证传输速度，对准确性要求高的数据保证稳定性。

本示教盒所述的滚轮单元可以通过滚动该示教盒中的滚轮单元，来切换当前界面选择的内容，选择相关项等。另外，可以配合机器人轴的选择功能键，在手动模式下，对选定的机器人轴进行手动操作，通过滚轮单元滚过的滚动量来控制进给量。本发明的安全开关，在示教盒背面各有一个，功能相同，无论操作人员惯用左手还是右手，均可以方便的操作。每个安全开关设计有三个档位，松开时为零位，轻握时到第一档位，用力紧握时到第二个档位。只有第一档位是有效的，此时可控制机器人运动，而松开或者紧握时都无法控制机器人运动。

本发明的示教盒可以实现高质量的通信，速度提高的同时有效地保证稳定性，具有按键少、操作方法简单、人性化程度高、安全性高的特点。

本发明的有益效果是：

（1）本发明采用以太网通信，提高了示教盒与机器人控制器的通信质量，不仅速度提高，而且很好地保证了稳定性。

（2）本发明所述滚轮单元，使得示教盒控制面板上的按键少且直观，与日常生活工作中用的鼠标滚轮外形相同，且操作方法相似，操作人员很容易掌握其用法。

（3）本发明所述安全开关，设计有两个档位。操作人员通过松开、轻握或紧握，来实现对机器人操作的有无效性，可以提高操作的警惕性。同时，当手动操作出现意外时，操作人员无论松开还是紧握，都可以及时停止机器人的运动，提高了控制系统的安全性。

（4）本发明所述的安全开关在示教盒背面各有一个，功能相同，无论操作人员惯用左手还是右手，均可以方便的操作。

（5）本发明所述的安全开关和滚轮单元，都是从操作人员的自身体验出发，提高了示教盒的人性化程度。

附图说明

图1是本发明实施例的示教盒与作为下位机的机器人控制器构成的控制系统示意图。

图2是本发明实施例的示教盒的结构框图。

图3是本发明实施例的示教盒手动操作单元的工作结构框图。

图4是本发明实施例的示教盒程序的工作结构框图。

图5是本发明实施例的示教盒的以太网帧结构示意图。

图6是本发明实施例的示教盒的滚轮单元工作结构框图。

图7是本发明实施例的滚轮单元向前滚动，产生的脉冲A和B示意图。

图8是本发明实施例的滚轮单元向后滚动，产生的脉冲A和B示意图。

图9是本发明实施例的安全开关工作结构的主视图。

图10是本发明实施例的控制面板上各功能键的工作结构框图。

图11是本发明实施例的示教盒结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和效果更加清楚明白，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明，以下实施例仅用于解释本发明，并不构成对本发明的限定。此外，下面描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

示教盒主要完成与操作者交互的任务，包括对各个菜单的管理、输入按键、显示当前需要的界面、修改各项参数、编辑程序、检查和运行程序，以及实现网络通信功能。通过示教盒，操作者可以对机器人实现系统参数的设置，运行状态的检测，程序的示教编程，以及程序的自动运行等功能。

图1为包含本示教盒的机器人控制系统结构示意图。整个系统包括：示教盒、机器人控制器、工业机器人本体。通过机器人控制器电源给示教盒供电，示教盒和机器人控制器之间用网线连接，经过以太网进行命令传输、数据交换，从而使得机器人控制器进行相应的动作来控制工业机器人的实际运动。而信号线将处理过的示教盒紧急停止按钮和安全开关信号传输到机器人控制器，以实现相应的控制。如出现紧急情况时，可按下示教盒上的紧急停止按钮，即急停按钮，来通知机器人控制器，控制机器人实体停止运动，避免危险的发生。

如图2所示，本发明的示教盒主要包括：中央处理器1、协处理器2、手动操作单元3、动态存储器4、显示单元5（本实施例中为LCD显示单元）、以太网网卡6、电源7、闪存8等。

中央处理器1用于整个示教盒的控制，其分别与协处理器2、动态存储器4、LCD显示单元5、以太网网卡6和闪存8连接，用于整体控制各部件的协调工作。具体地，中央处理器1读取动态存储器4中的存储的机器人运行程序并处理为运行指令，输出到控制器以控制机器人运行，或通过协处理器2读取从手动操作单元3输入的手动操作信息，并处理为运行指令，输出到控制器以控制机器人运行。同时，相关控制参数或指令输入到显示单元5进行显示。

协处理器2与手动操作单元3连接，用于处理手动操作单元3输入的各种操作信息数据，根据不同的传入信息，有两种不同的处理方式：第一种，将处理后的手动操作单元3的信号传输到中央处理器1中进行处理，以进一步通过以太网网卡6输出到控制器控制机器人本体执行相应动作，同时，输出到LCD显示单元5进行显示控制；第二种，将处理后的手动操作单元3的操作信息数据直接通过信号线传输到控制器，交由控制器来直接处理，以控制机器人本体执行相应动作。

中央处理器通过扫描协处理器中接收到的手动操作单元的状态，或通过访问动态存储器中的程序信息，来控制LCD显示单元更新相应的显示界面，并根据需要将数据通过以太网传送到控制器，从而控制机器人本体工作。同时中央处理器也可以经过以太网从控制器读取数据，来进行相关控制。

动态存储器4用于存储驱动工业机器人自动运行的程序，以供中央处理器1调用和处理。

以太网网卡6（本实施例中可以优选采用davicom公司dm9000a，集成了MAC与PHY，可实现10M与100M通讯自适应）用于中央处理器和控制器的通讯。

电源7用于给示教盒的各个部件供电。

闪存8用于永久存储（掉电不易失）bootloader、内核、文件系统。

另外，示教盒还可以包括USB和串口等接口设备，用于示教盒和外界设备之间传输数据。

如图3所示，手动操作单元用于操作人员与示教盒的交互，操作人员通过操作手动操作单元3来输入各种命令。手动操作单元具体包括：控制面板31、紧急停止按钮32、滚轮单元33、安全开关34。

控制面板31包括多个功能按键单元，用于手动控制机器人的运动或控制显示单元的显示。滚轮单元33通过前后滚动产生的操作信息用于控制机器人的运动或控制显示单元的显示。紧急停止按钮32和安全开关34通过协处理器2与机器人的控制器直接连接，用于在断电等紧急情况下保证紧急停止按钮和安全开关信号依然可传入机器人控制器中，直接控制机器人的运行，从而保证机器人运行的安全性。

操作人员对手动操作单元3中的控制面板31和滚轮单元33进行有效操作时，相应数据传入协处理器2，中央处理器1扫描协处理器2中读取的手动操作单元3的状态信息，根据这些状态信息进行对应处理后，可以控制显示单元5刷新界面相应显示项，并通过以太网网卡6将数据传送到机器人控制器，从而控制机器人本体执行相应的命令，以达到操作人员的操作目的。

操作人员对手动操作单元3中的急停按钮32和安全开关33进行操作时，操作信号传入协处理器2，该信号经过协处理器做相应处理之后，经过示教盒和控制器之间的信号线传输到控制器中。控制器根据传入的信号做相应的处理。而控制面板31、滚轮单元33与紧急停止按钮32、安全开关34采用不同的工作方式，是因为当示教盒出现死机或者是通信故障时，以保证紧急停止按钮和安全开关信号依然可传入机器人控制器中，从而保证机器人运行的安全性。

本实施例中，滚轮单元33可以与日常生活中的电脑鼠标滚轮类同，有两个功能：功能一是仅对滚轮进行操作，通过滚轮滚动，对当前显示界面进行操作；功能二是按下机器人轴的选择键的同时滚动滚轮单元，对选定的机器人轴进行手动操作。使用日常生活中用的鼠标滚轮，有助于操作人员快速掌握示教盒的操作方式。如图6和7所示，对滚轮单元33的有效操作有两种方式：向前滚动和向后滚动。当对滚轮单元进行有效操作时，会产生A、B两种脉冲。向前滚动时A、B脉冲如图6所示，向后滚动时A、B脉冲如图7所示。如图8所示，协处理器2包括计脉冲模块和脉冲数寄存器模块，当滚轮单元33有效工作时，A、B两种脉冲输入到协处理器的计脉冲模块中，通过对A、B两种脉冲相位的比较来判定计脉冲模块中脉冲数的增减，并将产生的脉冲数实时写入协处理器的脉冲数寄存器中。中央处理器通过访问脉冲寄存器，对前后两次访问的脉冲数做比较，从而判定滚轮的有效操作是向前或是向后。若只有滚轮单元33单独有效工作，则中央处理器1控制LCD显示单元5对当前界面光标进行移动，以实现滚轮单元的第一功能；若滚轮单元33和控制面板31上的轴功能键同时有效工作，即中央处理器扫描到协处理器中同时有来自滚轮单元和来自控制面板上轴功能键的有效信号时，则中央处理器通过以太网将机器人轴控制命令传送到控制器，以实现滚轮单元的第二功能。

本实施例中的控制面板31可以包括：与程序运行相关的程序功能键12、与界面操作相关的界面功能键13、用于机器人轴的选择的轴选择功能键14。其中功能键12用于程序运行以及程序检查：启动、暂停、停止、向前或向后一步运行。功能键13用于界面的操作：如各个界面的切换、对当前显示界面显示内容的操作、确定、取消，相当于一般电脑键盘上的上下左右功能键、切换窗口键及回车、取消键。轴选择功能键14用于对选择当前需要操作的机器人轴，以配合滚轮，对选定轴进行手动操作。

控制面板31还可以包括模式切换功能键16和辅助功能键15。模式切换功能键16用于在手动模式下，切换运动模式（在关节坐标系下，运动模式包括1-3轴、4-6轴等；在直角坐标系下，运动模式包括平动和转动），切换后轴选择功能键14控制的轴也会相应变化。如：运动模式从选择轴1-3的状态切换到轴4-6的状态时，则机器人的轴选择键14控制的轴从机器人轴1-3变成机器人轴4-6。辅助功能键15主要负责示教盒其他的拓展功能，如视觉控制等。

紧急停止按钮32用于出现紧急情况时，停止机器人运行，避免危险的发生。当按下此按钮时，伺服电源切断，机器人停止运行。松开急停按钮，系统重新复位上电。

安全开关34在手动模式及示教中，用于控制机器人的运动。如图9所示，安全开关可以有多个档位，当对安全开关的三个档位进行操作时，操作信号会输入到协处理器中，协处理器对输入信号进行判断，若为信号有效，则通过信号线传输到控制器，从而使得机器人的轴可以相应运动。本实施例中安全开关34可以有三个档位：松开时为零位，轻握时到第一个档位，紧握时到第二个档位。只有在第一档位（即轻握安全开关）时有效，即此时可对机器人进行运动控制；若没有按下安全开关或用力紧握安全开关，则机器人无法运动；机器人正在运动时，松开安全开关或用力紧握安全开关，机器人立即停止运动。一般的示教盒的安全开关只有两种操作方式，即松开和按下，只要按下就有效。而出现意外或者到达所需位置时，人可能由于紧张或兴奋反而紧握按安全开关，而不是松开，这样就造成了危险或重复工作。

如图4所示，机器人程序均存储在闪存里面，这样当系统断电时，程序依然保存在闪存中。系统上电时，闪存中的程序会被载入到动态存储器中，中央处理器通过访问动态存储器，把机器人程序显示通过LCD显示单元显示出来。当需要程序运行时，所需程序会通过以太网传送到机器人控制器，从而控制机器人本体的自动运行。

示教盒和机器人控制系统通过网卡连接，通过以太网交换数据，采用标准的TCP/IP协议。根据示教盒和控制器之间传输的各种数据对网络传输要求的不同，采用不同的协议。对于实时性要求高的数据，如机器人坐标值、倍率等，采用UDP协议，以保证示教盒和控制器相关数据的实时显示，而对于准确性要求高的数据，如设备参数等，采用TCP协议，使得数据可以稳定准确的传送到另一方。

如图5所示为对TCP数据的以太网帧结构图。示教盒和机器人控制器之间传输数据的性质不一致，需要对不同的数据采用不同的数据标识来编码标识，这样当接收到数据后，根据不同的数据标识来处理相应的数据。

机器人自动运行时，通过调用固态存储器4中的运行程序实现。首先将机器人控制器上的手动\自动模式切换波段开关切换到自动运行档，控制器接收到自动运行的有效信号，通过以太网将自动运行命令传送到示教盒的中央处理器1中。然后，对示教盒控制面板进行操作，按下程序功能键12中的启动按钮，传输到协处理器2，中央处理器1扫描协处理器2中程序功能键12的启动状态信息，进行相应处理后，将该信息通过以太网传送到机器人控制器，以控制机器人的自动运行。在程序的运行过程中，控制器会将当前运行的程序行数通过以太网实时地传输到示教盒的中央处理器1中，进而更新示教盒LCD显示单元上显示的当前程序行。

启动时，示教盒首先从控制器同步各类参数文件、寄存器和IO信息，并通过UDP协议实时的显示机器人位置坐标、速度、倍率等，以便操作人员随时监控机器人运行参数。其次，操作人员通过按键操作来修改各项数据值时，将通过TCP协议向控制器发送修改值，再从控制器更新到示教盒，以完成修改参数的目的。当操作人员通过示教盒编写好程序后，通过TCP来传送到控制器。

具体使用时，操作人员双手握住两边的手持部分，左右手的大拇指分别落于控制面板两端按键处，左右手的其余手指分别落在示教盒背面手持部分的两个安全开关处。

手动操作或示教时，首先，通过各个功能键来设定机器人所需的参数、选择运行模式及需要运行的轴等信息。然后，按下相应的轴选择功能键的同时，滚动位于控制面板右边的滚轮，对相应轴进行手动操作，通过控制滚轮的速度来调节进给的速度，通过滚动量来控制进给量。到达所需位置时，松开安全开关即可。当手动操作发生意外时，可以通过松开或者握紧背面的安全开关来停止手动操作，保证安全。

运行程序或示教再现时，首先，通过控制器将机器人的运行模式切换到自动。其次，通过与界面操作相关功能键来选择需要运行的程序，并设置程序运行方式：单周、循环。单周即该程序只运行一次，循环即循环运行该程序，直至用户按下停止按钮。然后，按下与程序运行相关的功能键12来选择开始、暂停、停止。出现突发情况，可按下紧急停止按钮32，避免危险的发生。

控制面板上各按键及滚轮单元都布置在控制面板的左右边缘位置，特别地，将功能键14、16与滚轮单元33分别放在控制面板31的两边，这样手动操作时，左右手可协调配合操作，很方便操作人员的操作。安全开关34在示教盒背面左右边缘各有一个，左手和右手按下一边即可实现其功能。紧急停止按钮位于示教盒的右上方边缘，当紧急情况发生时，右手可以很方便的按下急停，避免危险的发生。

Claims (8)

1.一种工业机器人示教盒，其与工业机器人的控制器连接，用于对工业机器人进行示教控制，其特征在于，该示教盒包括中央处理器(1)、协处理器(2)、手动操作单元(3)、动态存储器(4)和显示单元(5)，其中，

所述中央处理器(1)分别与协处理器(2)、动态存储器(4)和显示单元(5)电连接，并与所述控制器通过以太网连通，所述协处理器(2)分别与所述手动操作单元(3)和工业机器人的控制器电连接，所述动态存储器(4)中存储用于操纵工业机器人运行的程序，所述手动操作单元(3)用于手动输入控制工业机器人的控制指令；

中央处理器(1)用于读取动态存储器(4)中存储的工业机器人运行程序并将其处理为运行指令，输出到控制器以控制工业机器人的运行，或者通过所述协处理器(2)读取从所述手动操作单元(3)输入的手动操作信息并处理为运行指令，输出到控制器以控制工业机器人运行，所述显示单元(5)用于显示所述运行指令；

其中，所述手动操作单元(3)包括滚轮单元(33)，其通过前后滚动产生两种脉冲从而生成操作信息，所述中央处理器(1)通过所述协处理器(2)获得所述操作信息，并根据该操作信息从而产生操作指令以控制机器人的运动或控制显示单元的显示。

2.根据权利要求1所述的一种工业机器人示教盒，其特征在于，所述工业机器人示教盒还包括以太网网卡(6)，所述中央处理器(1)与所述控制器通过该以太网网卡(6)实现以太网连通，以将所述运行指令通过以太网发送到控制器。

3.根据权利要求1所述的一种工业机器人示教盒，其特征在于，所述手动操作单元(3)包括具有多个功能按键的控制面板(31)，用于手动生成各种控制指令，其通过所述协处理器(2)输入到中央处理器(1)以控制工业机器人的运动或控制所述显示单元(5)的显示。

4.根据权利要求3所述的一种工业机器人示教盒，其特征在于，所述控制面板(31)包括程序功能键(12)、界面功能键(13)以及用于选择机器人轴的轴选择功能键(13)，其中所述程序功能键(12)用于生成程序控制指令，所述中央处理器(1)根据该程序控制指令实现对所述动态存储器(4)中存储的机器人运行程序的读取控制；所述界面功能键(13)用于生成界面控制指令，中央处理器(1)通过该界面控制指令对显示单元(5)的显示内容进行控制；所述轴选择功能键(13)用于生成轴选择控制指令，所述中央处理器(1)根据该轴选择控制指令选择相应的机器人轴，以进行相应控制操作。

5.根据权利要求1-4中任一项所述的一种工业机器人示教盒，其特征在于，所述协处理器(2)包括脉冲模块和脉冲数寄存器模块，所述滚轮单元(33)滚动时产生脉冲，通过该脉冲模块判定脉冲数的增减，并将产生的脉冲数实时写入所述脉冲数寄存器模块中，所述中央处理器(1)通过所述脉冲寄存器存储的脉冲数的比较判定出滚轮向前或向后的操作，从而获得相应的控制指令，以对机器人的运动或显示单元(5)的显示进行控制。

6.根据权利要求1-4中任一项所述的一种工业机器人示教盒，其特征在于，所述手动操作单元(3)还包括紧急停止按钮(32)和安全开关(34)，其通过协处理器(2)直接与所述控制器连接，分别用于直接紧急停止和直接控制机器人的运行。

7.根据权利要求1-4中任一项所述的一种工业机器人示教盒，其特征在于，所述示教盒还包括USB接口和串口，用于示教盒和外界设备之间的数据传输。

8.根据权利要求1-4中任一项所述的一种工业机器人示教盒，其特征在于，所述示教盒的控制面板上各功能键及滚轮单元布置在控制面板的左、右边缘位置。