CN104626190B - 用于模块化机械手关节的控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于模块化机械手关节的控制系统及方法，属一种机械手控制方法，所述的系统包括至少一个控制单元，所述控制单元中包括关节前旋转变压器、关节后旋转变压器、控制模块与解码模块，关节控制采用模块化，通过网络通信实现对电机、气缸等执行机构的控制和反馈，便于后期扩展和功能补充；传统机械手控制需配备繁杂的控制驱动线缆和信号反馈线缆，不利于长期运行维护，本发明的机械手所属线缆只需一根网络通信线缆；而关节模块采用双旋转变压器，具有掉电位置记忆功能，避免了光电编码器的掉电零点定位过程，而且提供冗余智能算法，也可以由操作人员自行配置，具有高度运行可靠性。

Description

用于模块化机械手关节的控制系统及方法

技术领域

本发明涉及一种机械手控制方法，更具体的说，本发明主要涉及一种用于模块化机械手关节的控制系统及方法。

背景技术

机器人技术是一个多学科综合发展的领域，近年来随着我国在机器人相关技术的快速发展，特别是在精密机械加工、电子元器件与材料、计算机技术、自动控制、光学等方面取得的长足进步，机器人技术在用户定制化、尤其是在特殊环境下的机器人应用将有长足的发展。机器人系统的设计，可以依据具体的工作需求，对模块化的关节进行不同的组合设计，即可形成不同应用下的机器人，因此，关节控制的精度，直接决定了机器人性能的优劣。目前很多机械手存在体积庞大、线缆繁多，不利于机械手长期运行和维护，尤其在某些特定的恶劣工作环境中，对机械手有机构小型化、线缆简约化的要求。目前，国内关于机器人关节的模块化控制系统和控制方法介绍的还很少，缺乏一种模块化的、适用于恶劣场合、可靠性好的模块化控制系统，因而有必要对此做进一步的研究和改进。

发明内容

本发明的目的之一在于针对上述不足，提供一种用于模块化机械手关节的控制系统及方法，以期望解决现有技术中机械手体积庞大，线缆繁多，不利于机械手长期运行和维护等技术问题。

为解决上述的技术问题，本发明采用以下技术方案：

本发明一方面提供了一种用于模块化机械手关节的控制系统，所述的系统包括至少一个控制单元，所述控制单元中包括关节前旋转变压器、关节后旋转变压器、控制模块与解码模块，其中：

所述关节前旋转变压器与关节后旋转变压器用于获取电机旋转位置信息及实际关节旋转的位置信息；

所述解码模块用于对关节前旋转变压器与关节后旋转变压的位置信息进行实时采集，并判断两路位置信息变化的误差是否在允许的阈值范围内呈线性变化，如判断结果为是，则将两路位置信息的平均值作为旋变信号转换为编码器信号传输至控制模块，反之则将关节后旋转变压的位置信息直接传输至控制模块，并以关节后旋转变压的位置信息在上位机进行刷新显示，且在两路位置信息选择确定一路可信的位置信息作为旋变信号转换为编码器信号传输至控制模块；

所述控制模块用于对电机的位置、速度进行控制，并将编码器信号或关节后旋转变压的位置信息向上位机进行反馈；所述的控制模块还接入通信网络，用于通过通信网络与上位机进行通信，上位机通过控制模块在通信网络中的地址对其进行控制。

作为优选，进一步的技术方案是：所述解码模块判断两路位置信息变化的误差是否在允许的阈值范围内呈线性变化的结果为否时，还同时终止电机闭环控制，断开使能并提示报警。

更进一步的技术方案是：所述系统中还包括气动模块，所述气动模块也接入通信网络，用于对关节气缸及电磁阀的启闭进行控制，并通过通信网络向上位机进行状态反馈，且通过通信网络与控制模块进行通信。

更进一步的技术方案是：所述系统中包括多个控制单元，所述每个单元中的控制模块与气动模块均接入通信网络，用于由多个控制单元中的控制模块与气动模块通过预设的地址，在通信网络中与上位机进行通信。

更进一步的技术方案是：所述关节前旋转变压器安装在电机末端，关节后旋转变压器安装在旋转关节出轴线上。

本发明另一方面还提供了一种用于模块化机械手关节的控制方法，其特征在于所述的方法包括如下步骤：

步骤A、关节前旋转变压器与关节后旋转变压器获取电机旋转位置信息及实际关节旋转的位置信息；

步骤B、解码模块对关节前旋转变压器与关节后旋转变压的位置信息进行实时采集，并判断两路位置信息变化的误差是否在允许的阈值范围内呈线性变化，如判断结果为是，则将两路位置信息的平均值作为旋变信号转换为编码器信号传输至控制模块，反之则将关节后旋转变压的位置信息直接传输至控制模块，并以关节后旋转变压的位置信息在上位机进行刷新显示，且在两路位置信息选择确定一路可信的位置信息作为旋变信号转换为编码器信号传输至控制模块；

步骤C、控制模块通过通信网络与上位机进行通信，将编码器信号或关节后旋转变压的位置信息向上位机进行反馈。

作为优选，进一步的技术方案是：所述步骤B中解码模块判断两路位置信息变化的误差是否在允许的阈值范围内呈线性变化的结果为否时，还同时终止电机闭环控制，断开使能并提示报警。

更进一步的技术方案是：所述的方法还包括步骤D、气动模块对关节气缸及电磁阀的启闭进行控制，并通过通信网络向上位机进行状态反馈，且通过通信网络与控制模块进行通信。

与现有技术相比，本发明的有益效果之一是：关节控制采用模块化，通过网络通信实现对电机、气缸等执行机构的控制和反馈，便于后期扩展和功能补充；传统机械手控制需配备繁杂的控制驱动线缆和信号反馈线缆，不利于长期运行维护，本发明的机械手所属线缆只需一根网络通信线缆；而关节模块采用双旋转变压器，具有掉电位置记忆功能，避免了光电编码器的掉电零点定位过程，而且提供冗余智能算法，也可以由操作人员自行配置，具有高度运行可靠性。同时本发明所提供的一种用于模块化机械手关节的控制系统结构简单，可作为各种类型及工况中的机械手控制系统，应用范围广阔。

附图说明

图1为用于说明本发明一个实施例的系统结构示意图；

图2为用于说明本发明另一个实施例的方法流程图；；

图中，1为电机、2为减速器、3为关节前旋转变压器、4为关节后旋转变压器。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步阐述。

参考图1所示，本发明的一个实施例是一种用于模块化机械手关节的控制系统，该系统中包括至少一个控制单元，所述控制单元中包括关节前旋转变压器3、关节后旋转变压器4、控制模块与解码模块，更为重要的是：

上述关节前旋转变压器3与关节后旋转变压器4的作用是获取电机1旋转位置信息及实际关节旋转的位置信息；

上述解码模块的作用是对关节前旋转变压器3与关节后旋转变压的位置信息进行实时采集，并判断两路位置信息变化的误差是否在允许的阈值范围内呈线性变化，如判断结果为是，则将两路位置信息的平均值作为旋变信号转换为编码器信号传输至控制模块，反之则将关节后旋转变压的位置信息直接传输至控制模块，并以关节后旋转变压的位置信息在上位机进行刷新显示，且在两路位置信息选择确定一路可信的位置信息作为旋变信号转换为编码器信号传输至控制模块；具体的算法执行过程可参考图2所示；

正如图1所示出的，上述控制模块的作用是对电机1的位置、速度进行控制，并将编码器信号或关节后旋转变压的位置信息向上位机进行反馈；所述的控制模块还接入通信网络，用于通过通信网络与上位机进行通信，上位机通过控制模块在通信网络中的地址对其进行控制。

为实现上述实施例的功能，上述关节前旋转变压器3安装在电机1末端，关节后旋转变压器4安装在旋转关节出轴线上；而考虑到模块化机械手的常规结构以及电机1动力利用的惯常设置，上述的电机1需与减速器2动力连接。

在本实施例中，关节控制采用模块化，通过网络通信实现对电机、气缸等执行机构的控制和反馈，便于后期扩展和功能补充；传统机械手控制需配备繁杂的控制驱动线缆和信号反馈线缆，不利于长期运行维护，本发明的机械手所属线缆只需一根网络通信线缆；而关节模块采用双旋转变压器，具有掉电位置记忆功能，避免了光电编码器的掉电零点定位过程，而且提供冗余智能算法，也可以由操作人员自行配置，具有高度运行可靠性。

另一方面，为保证上述述解码模块判断两路位置信息变化的误差是否在允许的阈值范围内呈线性变化的结果为否时的故障能够及时得到处理并防止机械手关节损坏，当前述的的情形发生时，解码模块还同时终止电机（1）闭环控制，断开使能并提示报警。

根据上述的原理，为使用关节中的电磁阀与气缸也能够如上述的电机一样被控制，本发明上述实施例的系统中还可增设气动模块，并将气动模块也接入通信网络，其作用是对关节气缸及电磁阀的启闭进行控制，并通过通信网络向上位机进行状态反馈，且通过通信网络与控制模块进行通信。

任然参考图1所示，在本发明用于解决技术问题更加优选的一个实施例中，可采用CAN通信网（Controller Area Network控制器局域网）作为上述的通信网络，通过该通信网络，可将上述系统中的控制单元设置为多个，并将每个单元中的控制模块与气动模块均通过CAN通信接口接入CAN通信网，其作用是由多个控制单元中的控制模块与气动模块通过预设的CAN地址，在CAN通信网中与上位机进行通信。

本发明上述实施例中的两路旋转变压器，一方面有助于在恶劣工况下实现掉电位置记忆，同时也提供冗余信息，确保机械手关节运动的可靠性。控制模块用于实现对关节轴电机的位置、速度控制，气动模块用于实现对关节气缸、电磁阀的控制以及状态反馈。解码模块用于对旋转变压器的位置信号进行实时采集，并将其转换为编码器信号，传递给控制模块。

其中，控制模块是一种基于DSP主控芯片的控制单元，可以用于直流无刷电机的位置、速度控制，同时控制模块提供有CAN通信接口，可以和其他控制模块、气动模块、上位机实现CAN组网通信，上位机通过指定CAN地址，即可实现对控制模块的指令控制。

气动模块是一种基于STM32微控制器的控制单元，该模块主控芯片采用STM32 32位单片机，体积小，结构紧凑，同时气动模块本身附带8路电磁阀，可以用于实现对气缸的收放控制和状态反馈。同样，气动模块提供有CAN通信接口，通过预设定CAN地址，实现控制指令和状态数据的交互。

解码模块采用STM32微控制器和ADI AD2S1210芯片结合的方式，实现对两路旋转变压器信号的实时转换，转换为16位编码器信号。

模块化关节采用两路旋转变压器，分别对应关节前的位置信息，和关节后的位置信息。两路位置信息反馈需经过一定的算法，再输出一路编码器信号给控制模块，算法过程如上述及图2所示。

本发明的另一个实施例是一种基于上述系统的用于模块化机械手关节的控制方法，所述的方法包括如下步骤：

步骤S101、关节前旋转变压器3与关节后旋转变压器4获取电机1旋转位置信息及实际关节旋转的位置信息；

步骤S102、解码模块对关节前旋转变压器3与关节后旋转变压的位置信息R1、R2进行实时采集，并判断两路位置信息变化的误差是否在允许的阈值范围内呈线性变化，如判断结果为是，则将两路位置信息R1、R2的平均值作为旋变信号转换为编码器信号传输至控制模块，反之则将关节后旋转变压的位置信息R2直接传输至控制模块，并以关节后旋转变压的位置信息在上位机进行刷新显示，且在两路位置信息选择确定R1、R2中的一路可信的位置信息作为旋变信号转换为编码器信号传输至控制模块；正如上述所提到的前述选择确定R1、R2中的一路可信的位置信息，可在上位机通过冗余智能算法自动配置，也可以由操作人员手动自行配置；

步骤S103、控制模块通过通信网络与上位机进行通信，将编码器信号或关节后旋转变压的位置信息向上位机进行反馈。

根据本发明的另一实施例，在上述方法的基础上还可增加步骤S104、气动模块对关节气缸及电磁阀的启闭进行控制，并通过通信网络向上位机进行状态反馈，且通过通信网络与控制模块进行通信。

同样的，上述步骤B中解码模块判断两路位置信息变化的误差是否在允许的阈值范围内呈线性变化的结果为否时，还同时终止电机（1）闭环控制，断开使能并提示报警。

除上述以外，还需要说明的是在本说明书中所谈到的“一个实施例”、“另一个实施例”、“实施例”等，指的是结合该实施例描述的具体特征、结构或者特点包括在本申请概括性描述的至少一个实施例中。在说明书中多个地方出现同种表述不是一定指的是同一个实施例。进一步来说，结合任一实施例描述一个具体特征、结构或者特点时，所要主张的是结合其他实施例来实现这种特征、结构或者特点也落在本发明的范围内。

尽管这里参照本发明的多个解释性实施例对本发明进行了描述，但是，应该理解，本领域技术人员可以设计出很多其他的修改和实施方式，这些修改和实施方式将落在本申请公开的原则范围和精神之内。更具体地说，在本申请公开、附图和权利要求的范围内，可以对主题组合布局的组成部件和/或布局进行多种变型和改进。除了对组成部件和/或布局进行的变型和改进外，对于本领域技术人员来说，其他的用途也将是明显的。

Claims (8)

1.一种用于模块化机械手关节的控制系统，其特征在于：所述的系统包括至少一个控制单元，所述控制单元中包括关节前旋转变压器(3)、关节后旋转变压器(4)、控制模块与解码模块，其中：

所述关节前旋转变压器(3)与关节后旋转变压器(4)用于获取电机(1)旋转位置信息及实际关节旋转的位置信息；

所述解码模块用于对关节前旋转变压器(3)与关节后旋转变压的位置信息进行实时采集，并判断两路位置信息变化的误差是否在允许的阈值范围内呈线性变化，如判断结果为是，则将两路位置信息的平均值作为旋变信号转换为编码器信号传输至控制模块，反之则将关节后旋转变压的位置信息直接传输至控制模块，并以关节后旋转变压的位置信息在上位机进行刷新显示，且在两路位置信息选择确定一路可信的位置信息作为旋变信号转换为编码器信号传输至控制模块；

所述控制模块用于对电机(1)的位置、速度进行控制，并将编码器信号或关节后旋转变压的位置信息向上位机进行反馈；所述的控制模块还接入通信网络，用于通过通信网络与上位机进行通信，上位机通过控制模块在通信网络中的地址对其进行控制。

2.根据权利要求1所述的用于模块化机械手关节的控制系统，其特征在于：所述解码模块判断两路位置信息变化的误差是否在允许的阈值范围内呈线性变化的结果为否时，还同时终止电机(1)闭环控制，断开使能并提示报警。

3.根据权利要求1所述的用于模块化机械手关节的控制系统，其特征在于：所述系统中还包括气动模块，所述气动模块也接入通信网络，用于对关节气缸及电磁阀的启闭进行控制，并通过通信网络向上位机进行状态反馈，且通过通信网络与控制模块进行通信。

4.根据权利要求3所述的用于模块化机械手关节的控制系统，其特征在于：所述系统中包括多个控制单元，所述每个单元中的控制模块与气动模块均接入通信网络，用于由多个控制单元中的控制模块与气动模块通过预设的地址，在通信网络中与上位机进行通信。

5.根据权利要求1或4所述的用于模块化机械手关节的控制系统，其特征在于：所述关节前旋转变压器(3)安装在电机(1)末端，关节后旋转变压器(4)安装在旋转关节出轴线上。

6.一种用于模块化机械手关节的控制方法，其特征在于所述的方法包括如下步骤：

步骤A、关节前旋转变压器(3)与关节后旋转变压器(4)获取电机(1)旋转位置信息及实际关节旋转的位置信息；

步骤B、解码模块对关节前旋转变压器(3)与关节后旋转变压的位置信息进行实时采集，并判断两路位置信息变化的误差是否在允许的阈值范围内呈线性变化，如判断结果为是，则将两路位置信息的平均值作为旋变信号转换为编码器信号传输至控制模块，反之则将关节后旋转变压的位置信息直接传输至控制模块，并以关节后旋转变压的位置信息在上位机进行刷新显示，且在两路位置信息选择确定一路可信的位置信息作为旋变信号转换为编码器信号传输至控制模块；

步骤C、控制模块通过通信网络与上位机进行通信，将编码器信号或关节后旋转变压的位置信息向上位机进行反馈。

7.根据权利要求6所述的用于模块化机械手关节的控制方法，其特征在于：所述步骤B中解码模块判断两路位置信息变化的误差是否在允许的阈值范围内呈线性变化的结果为否时，还同时终止电机(1)闭环控制，断开使能并提示报警。

8.根据权利要求6所述的用于模块化机械手关节的控制方法，其特征在于：所述的方法还包括步骤D、气动模块对关节气缸及电磁阀的启闭进行控制，并通过通信网络向上位机进行状态反馈，且通过通信网络与控制模块进行通信。