CN104626139A - 一种组态机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种组态机器人，包含两个或两个以上的标准关节、不固定数量的关节延长梁、一套控制装置、一套组态软件；组态机器人是由该组态机器人用户或用户委托方根据所需要的机器人动作要求来选购合适的标准关节、关节延长梁及配套的控制装置和组态软件组态组装成需要的机器人，并通过组态软件对机器人进行机械部件组态、动作组态，由组态好的软件来控制机器人；组态机器人可以组装为多臂机器人；组态机器人的关节伺服控制的反馈信号为关节输出轴的旋转角度信号，对减速器和电机的精度要求低。

Description

一种组态机器人

技术领域

本发明涉及的是一种组态机器人，组态机器人的用户根据需要的动作，利用标准的组件来设计，并进行组态，完成机器人的拼装，再利用组态软件组态生成机器人控制程序。

背景技术

机器人是多关节的机械手或多自由度的机器人。机器人是自动执行预定工作的机器装置，是靠自身动力和控制能力来实现各种功能的一种机器。它可以接受人类指挥，也可以按照预先编排的程序运行。现在，工业机器人已经获得了各行各业的广泛应用。

目前，机器人设计制作都是专业的机器人工厂根据市场需要，设计制造出固定功能的机器人，然后销售给用户使用。常见的类型有焊接机器人、激光加工机器人、真空机器人、码垛机器人、洁净机器人等，这些机器人通常由主体、驱动系统和控制系统三个基本部分组成。主体即机座和执行机构，包括臂部、腕部和手部，有的机器人还有行走机构，所有的关节组成的一个不可分割的整体，大多数工业机器人有3～6个运动自由度，其中腕部通常有1～3个运动自由度。驱动系统包括动力装置和传动机构，用以使执行机构产生相应的动作，为了降低成本和重量，现有机器人没有给每一个关节配置独立的驱动装置，有时是多个个关节共用一套驱动装置，如一些六自由度工业机器人的腕部旋转和摆动关节公用一个驱动装置；控制系统是按照输入的程序对驱动系统和执行机构发出指令信号，并进行控制，也是对机器人的运行动作进行编程的平台，通常是由一套控制装置控制多个关节的伺服电机的伺服控制器。

当前的机器人设计生产模式所制作的机器人不能完全满足现代工业生产要求，主要表现在：1）种类稀少。很多工业生产线的动作要么是无法找到合适的工业机器人，要么就是现有机器人太复杂，用于一些简单动作造价太高。2）功能固定。购置一台机器人后，基本就只能按照机器人设计的功能使用，无法改造。3）维护复杂。机器人的维护要求具有较高的素养的专业人员来维护。4）现有机器人都是为了特定的目的设计的，其单个关节和该机器人是一个不可分割的、不能能独立运行的部件，通常由控制系统统一控制各关节运行并统一测量各关节运行参数，不利于整体更换。5）机器人整体误差不好消除。6）对伺服电机、减速器的精度要求高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种组态化的工业机器人，包含机械部件组态和机器人的控制软件组态。用户根据需要的生产动作要求，选取购买合适的部件，组建合适的机器人，并通过机器人组态软件，对动作进行组态编程，完成动作设计要求。

本发明的目的是这样实现的：

如附图1，组态机器人至少但不限于包含两个或两个以上的标准关节、不固定数量的关节延长梁、一套控制装置、一套组态软件，该组态机器人的关节全部是标准关节，并且控制装置内的组态软件通过数字命令来交互控制标准关节。

所述的标准关节，是至少且不限于集成了完整的本关节运动的驱动装置、完整的本关节运动的控制装置及地址模块，还可具有反馈功能、自我故障诊断功能、关节运行参数测量功能，并具有能接收、完成、反馈由控制装置内的组态软件发来的命令的能独立运行的机器人关节。标准关节的控制的反馈信号为关节输出法兰的回转角度信号，这样，在不使用精密的伺服电机和精密减速器的前提下，可以获得很高的关节运动控制精度。而且，关节作为一个独立个体，能够实现独立生产、销售，还可以给每种关节按照组态要求，建立独立的关节生产标准。

所述的关节延长梁可具有测量该梁的所承受力矩及变形量、向组态软件反馈该部件地址及参数的功能模块，且内有电缆通道。关节延长梁在力矩的作用下的变形对机器人动作精度有很大的影响，引入关节延长梁的变形修正能较大地提高机器人的整体控制精度。关节延长梁可以是长条形或其他需要的形状，如拐弯的、机座形式的等等。

所述的控制装置是一台电脑和操作系统、电脑与关节通讯的网络、非关节信号采集装置及各关节运行的电源或液体或气体压力装置。所述的电脑可以是单片机、专用电脑或普通电脑。另外，控制装置还可包含非机器人标准部件的信号采集和控制信号输出装置，如机器人工具的信号采集和其他工作逻辑需要的信号。

所述的机器人组态软件是处在机器人控制系统监控层一级的软件平台和开发环境，使用灵活的组态方式，为用户提供快速构建工业机器人控制系统及监视系统的、通用的软件工具，至少包含且不限于包含机械部件组态功能模块、机器人动作组态编程功能模块，还可包含机器人自诊断功能模块。机械部件组态功能模块是用于读取机器人结构，标准部件（标准关节和关节延长梁）内部储存了该部件的参数，如外形代号、力矩结构图代号、额定力矩、额定转速、转角范围、控制精度等，机械部件组态功能模块读取这些参数后，从部件外形库调出该部件外形图、力矩图，自动生成机器人外形图和力矩结构图，以便对组态成的机器人进行自诊断。机器人自诊断功能模块是对组态成的机器人进行自检，保证每个部件没有故障，并对力矩结构图进行计算，得出极限力矩负荷，对生成的机器人运行控制程序进行监控，防止有超过极限力矩的工况出现，对机器人的每个关节的控制误差和关节延长梁的变形进行读取计算，并对某个关节下达累计偏差纠正命令。机器人动作组态编程功能模块是采用示教模式对机器人的运行动作进行编程，这和目前大部分机器人的编程模式相似。另外，组态软件还附有第三方机器人工具软件接口。

本发明的优点是：1）机器人的功能可根据用户需要来灵活设计。2）机器人某个关节出现故障时可以把关节用相同型号的标准关节整体替换下来，而不影响其他部分，维护简单。3）可以实现机器人的设计生产社会分工化，不同厂家按照按照统一的组态标准生产的标准关节可以组成用户需要的机器人，不但降低机器人造价，还能更广泛地推广机器人的使用。4）多个关节误差可以计算控制，部分抵消。5）把一个关节作为一个整体来控制，尤其是采用关节动力输出轴的回转角度作为伺服控制的反馈信号，可以降低对伺服电机和减速器的精度要求。

附图说明

图1 是本发明的实施实例示意图。

具体实施方式

本实施实例为使用标准关节和部件组态成广泛使用的6自由度工业机器人。

如附图1，根据6自由度动作要求，选取标准单自由度360°旋转关节3个（1、2、3），分别为腰旋转关节、肘部旋转关节、腕部旋转关节；选取标准300°单自由度摆动关节3个（4、5、6），分别为肩部摆动关节、肘部摆动关节、腕部摆动关节，其中关节6末端为机器人工作用的工具接口；选取关节延长梁3根（7、8、9），分别为腰、上臂和小臂；图中10为机器人工作用工具，11为控制装置；按照附图1连接各机械部件和控制装置，通过关节延长梁和关节中间的电缆管道连接电源线和通信网络线，安装操作系统和组态软件；如此，一台工业机器人组建完毕。

设置好各关节及关节延长梁的地址，上电后组态软件的机械部件组态功能模块读入机器人结构及各关节参数，包含关节地址及外形代号、延长梁地址及外形代号。确认机械部件组态成功后，组态机器人进行自诊断功能模块进行自检，如有硬件故障或结构故障，报警通知更换相应关节。自检完毕后可以进入动作组态。

开始动作组态后，通过组态软件机器人动作组态编程功能模块的手动功能分别移动各关节到合适位置，确定位置合适后，确认单步完成，组态软件发布命令，各关节记下初始位置，然后组态软件读取关节记忆的状态；同样步序完成1-N步的动作组态；直到最后一步，确认后回到初始位置，组态软件生成一个组态机器人控制程序。在各步之间可以插入一些逻辑运算，如机器人工具的一些控制逻辑、一些外部工作条件逻辑、误差消弱逻辑等。同样办法可以生成多个组态机器人运行路线控制程序并存放于电脑中。

运行某个组态机器人的运行路线控制程序后，各关节从控制电脑下载该程序各步的控制参数。组态软件验证下载无误后，下发运行命令，机器人会回到程序确定的初始动作步序状态，然后向控制装置反馈该步动作完成及本关节运行参数，控制系统在收到所有关节执行完毕并且在没有收到各部件报警的情况下，向各关节发布执行第一步的命令，各关节根据记忆下的第一步动作幅度执行动作，如此执行完所有的该控制程序设定步序，重新回到初始步序，准备下一个循环。如果控制系统收到某地址部件的报警信号，如位置执行不到位、力矩超限、没有反馈、控制逻辑不成立等，将维持现有动作，不进行下一步，并发出报警等候处理。如此循环，机器人进入正常工作。

Claims (6)

1.一种组态机器人，其特征在于，至少包含但不限于包含以下部件：A.两个或两个以上的标准关节，所述的标准关节，是至少集成了驱动本关节运动的完整的驱动装置、完整的伺服控制本关节运动的控制装置、本关节的地址模块，并具有能接收、完成、反馈由外部控制装置内的软件发来的数字命令的、能独立运行的机器人关节；B.不固定数量的关节延长梁，所述的关节延长梁，是用于延长标准关节的受力力臂；C.一套控制装置，所述的控制装置，至少包含机器人的电源装置、控制电脑、通信网络硬件；D.一套组态软件，所述的组态软件，至少包含机器人动作组态编程功能模块，还可包含机械部件组态功能模块、机器人自诊断功能模块。

2.如权利要求1 所述的组态机器人，其特征在于，组态机器人是由该组态机器人用户或用户委托方根据所需要的机器人的动作需求进行设计，然后根据设计的要求购买或制造合适的标准关节、关节延长梁及配套的控制装置和组态软件组态组装成需要的机器人，并通过组态软件对机器人进行组态编程，由组态好的软件来控制机器人。

3. 如权利要求1 所述的组态机器人，其特征在于，其中的标准关节和关节延长梁可以组装成一体机器人，也可以分开成组安装，组装成多臂机器人，多臂机器人由控制装置和组态软件统一控制。

4.如权利要求1 所述的组态机器人的控制装置，其特征在于，所述的控制装置还包含非机器人标准关节信号的信号采集和信号输出装置。

5.如权利要求1 所述的组态机器人的组态软件，其特征在于，至少包含但是不限于包含机器人动作组态编程功能模块、含机械部件组态功能模块，还可包机器人自诊断功能模块，在动作组态编程时可在程序需要的地方可以插入控制逻辑，控制逻辑可包含控制装置的信号或机器人外部通信来的信号。

6.如权利要求1所述的组态机器人的标准关节，其特征在于，至少但是不限于集成了完整的驱动本关节运动的驱动装置、完整的控制本关节运动的控制装置、本关节的地址模块，并具有能接收、完成、反馈由外部控制装置内的软件发来的数字命令的、能独立运行的机器人关节，且关节运动的伺服控制的反馈信号为关节运动输出轴的回转角度信号。