CN104647331A - 一种主从随动示教工业机器人系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及主从机器人，特指一种主从随动示教工业机器人系统。包括主机器人、从工业机器人、主从随动示教工业机器人控制器、伺服驱动器、控制手柄，其中FPGA内部包括数据通讯模块、信息处理模块、主机器人关节角度计数模块、从工业机器人关节角度计数模块、驱动脉冲分频模块、控制手柄信号模块。在控制手柄的控制下，主从随动示教工业机器人系统可进行主从随动示教、从工业机器人独立工作两种运行模式。本发明的有益效果是：该基于PC104+FPGA的主从随动示教工业机器人系统采用了主从随动示教控制模式，以调试简单为特长，不需要机器人专业人员而是普通的工人就可以调试使用，简单方便快捷，实用性强。

Description

一种主从随动示教工业机器人系统

技术领域

本发明涉及主从机器人，特指一种主从随动示教工业机器人系统。

背景技术

主从机器人又称遥操作机器人，多用在人难以接近、难以进入或对人有害的环境中，近三十多年来，不少国家相继投入了很大的力量从事遥控机器人的研究和研制工作；在成功地应用于原子能技术、空间技术、深海作业等诸多领域的基础上，近十年来遥控机器人的应用领域己扩展到微生物工程、医疗、微机械等新领域，遥操作机器人在科学尤其是尖端科学研究和工业中均具有重要地位．它对我国的科技现代化，尤其是尖端科学赶超先进国家具有十分重要的意义，主从随动其核心就是操作者代替机器人能够实时地感知和融合视觉、距离、触觉等多传感器信息去掌握机器人的运动状态和其与环境的交互界面，产生合理的动作去完成相应的任务；通过人的高智商和自学习能力，使得操作者能够替代机器人完成更高层次的决策、控制等功能，但是主从机器人一般都是实时操作，而工业机器人在工作的全程过程中要有不同轨迹阶段的变换，这是主从机器人难以达到的。

示教机器人分为直接示教和示教盒示教，直接示教就是操作者直接拿着工业机器人的末端移动实现示教，示教盒示教通常由操作者通过操作示教盒实现，该示教方式操作烦琐，示教周期长；在直接示教中存在的问题是工业机器人体积较大，对于示教操作者显得笨重，难于较精确控制；示教盒示教通常由操作者通过操作示教盒实现，该示教方式操作烦琐，示教周期长。

目前，在企业生产车间工业机器人中主要采用编程加示教盒混合方式调试工业机器人的工作轨迹，一般是由专业人员通过逐轴点动完成调试，专业性强、时间长；对于一些中小企业来说，缺乏这样的机器人专业人员，给机器人的使用带来不便。

针对目前企业车间工业机器人的现状，提出了主从随动示教工业机器人系统，其以调试简单为特点见长，不需要机器人专业人员而是普通的工人就可以调试使用，简单方便快捷，实用性强，这是因为主从随动示教机器人的轨迹调试是通过全部轴随动而非逐轴点动完成调试。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种基于PC104主板+FPGA的主从随动示教工业机器人系统，实现工业机器人在轨迹调试中简单方便快捷的功能。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种可投入工业应用的基于PC104+FPGA的主从随动示教工业机器人系统，包括主机器人、从工业机器人、主从随动示教工业机器人控制器、伺服驱动器、控制手柄，其中FPGA内部包括数据通讯模块、信息处理模块、主机器人关节角度计数模块、从工业机器人关节角度计数模块、驱动脉冲分频模块、控制手柄信号模块。

在控制手柄的控制下，主从随动示教工业机器人系统可进行主从随动示教、从工业机器人独立工作两种运行模式。

主从随动示教工业机器人运行轨迹描述：

如图2所示，从工业机器人机器人运行轨迹由LPO段（归零运动段）、LOA段（初始化运动段）、LAB段（工作运动段）、LBC段（回归运动段）、LCA段（闭合运动段）5段构成；其中，LAB段、LBC段、LCA段3段是从工业机器人在生产线上不断重复的工作轨迹；LPO段、LOA段2段是从工业机器人从开机位置到达工作起点A点的初始化轨迹。

P点为从工业机器人上电位置，O点为从工业机器人零点位置，A点为从工业机器人工作起点位置，B点为从工业机器人工作结束位置，C点为从工业机器人回归位置。

主从随动示教工业机器人系统在主从随动示教运行模式下，能够完成从工业机器人P→O→A→B→C→A轨迹运行，LPO段为自上电位置点P运动到原点O，LOA段为自原点O运动到工作起点A，LAB段为自工作起点A运动到工作结束点B，LBC段为自工作结束点B运动到回归点C，LCA段为自回归点C运动闭合到工作起点A；因示教中机器人很难准确回归A点而是到达近A点C点，继而由复位子程序完成准确复位到A点。

主从随动示教工业机器人系统在从工业机器人独立工作模式下，从工业机器人首先运行LPO段自上电位置点P到原点O，再完成LOA段自原点O到工作起点A，再完成LAB段自工作起点A到工作终点B，再完成LBC段自工作终点B到C点，再完成LCA段自C点到工作起点A，即P→O→A→B→C→A；随后不断重复A→B→C→A轨迹进行工作。

本发明的有益效果是：该基于PC104+FPGA的主从随动示教工业机器人系统采用了主从随动示教控制模式，以调试简单为特长，不需要机器人专业人员而是普通的工人就可以调试使用，简单方便快捷，实用性强。

工作原理

在控制手柄的控制下，主从随动示教工业机器人系统可进行主从随动示教、从工业机器人独立工作两种运行模式。

主从随动示教模式下，操控者操作主机器人运动时，主机器人各关节的转动角度被主从随动示教工业机器人控制器采集并记录数据，经算法计算后输出驱动脉冲到伺服驱动器，从而驱动从工业机器人跟随主机器人同步运动完成从工业机器人预定轨迹的走行；从工业机器人独立工作模式下，主从随动示教工业机器人控制器读取记录的数据，经算法计算后输出驱动脉冲到伺服驱动器，从而驱动从工业机器人跟随主机器人同步运动完成从工业机器人预定轨迹的走行。

附图说明

图1是本发明的主从随动示教工业机器人总体组成框图。

图2是本发明的主从随动示教工业机器人运动轨迹图。

图3是本发明的主从随动示教工业机器人控制系统组成框图。

图4是本发明的主从随动示教工业机器人驱动脉冲分布图。

图5是本发明的主从随动示教工业机器人驱动脉冲分频后分布图。

图6是本发明的主从随动示教工业机器人控制手柄布局图。

图中：1. 主从随动示教工业机器人控制器，2. 控制手柄，3. 伺服驱动器， 4. 主机器人， 5. 从工业机器人，6. PC104主板，7. 数据通讯模块，8. 信息处理模块，9. 主机器人关节角度计数模块，10. 从工业机器人关节角度计数模块，11. 驱动脉冲分频模块，12. 控制手柄信号模块，13. 伺服驱动模块，14. 从工业机器人伺服驱动电机，15. 从工业机器人关节光电编码器，16. 从工业机器人关节，17. 主机器人关节光电编码器，18. 主机器人关节。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

如图1、图2、图3、图4、图5和图6所示，一种基于PC104主板+FPGA的主从随动示教工业机器人系统，包括主从随动示教工业机器人控制器1，控制手柄2，伺服驱动器3，主机器人4，从工业机器人5。

主从随动示教工业机器人控制器1包括PC104主板6，数据通讯模块7，信息处理模块8，主机器人关节角度计数模块9，从工业机器人关节角度计数模块10，驱动脉冲分频模块11。

控制手柄2包括控制手柄信号模块12。

伺服驱动器3包括伺服驱动模块13。

从工业机器人5包括从工业机器人伺服驱动电机14，从工业机器人关节光电编码器15和从工业机器人关节16。

主机器人4包括主机器人关节光电编码器17和主机器人关节18。

1. PC104主板6通过ISA插槽与数据通讯模块7相连，数据通讯模块7与信息处理模块8相连。

2. 主机器人关节18与主机器人关节光电编码器17相连，主机器人关节光电编码器17与主机器人关节角度计数模块9相连，主机器人关节角度计数模块9与信息处理模块8相连。

3. 从工业机器人关节16分别与从工业机器人关节光电编码器15和从工业机器人伺服驱动电机14连接，从工业机器人关节光电编码器15与从工业机器人关节角度计数模块10相连，从工业机器人关节角度计数模块10与信息处理模块8相连。

4. 信息处理模块8与驱动脉冲分频模块11相连，驱动脉冲分频模块11与伺服驱动模块13相连，伺服驱动模块13与从工业机器人伺服驱动电机14相连。

5. 控制手柄信号模块12与信息处理模块8相连。

工作过程如下：

如图2所示，为叙述清晰，工作过程分为如下步骤描述：

1. 主机器人4在操作者的控制下运动，主机器人关节18带动主机器人关节光电编码器17转动，主机器人关节光电编码器17的角度信号传输到主机器人关节角度计数模块9并计数主机器人关节18的转动角度值Øm，主机器人关节角度计数模块9的计数角度值Øm传输给信息处理模块8，并进而通过数据通讯模块7传输给PC104主板6。

2. 从工业机器人关节光电编码器15的角度信号传输到从工业机器人关节角度计数模块10并计数从工业机器人关节16的转动角度值Øs，从工业机器人关节角度计数模块10的计数角度值Øs传输给信息处理模块8，并进而通过数据通讯模块7传输给PC104主板6。

3. 主从随动示教工业机器人的工作方式由控制手柄信号模块12的信号状态字CTR决定，控制手柄信号模块12的控制方式信号传输到信息处理模块8，并进而通过数据通讯模块7传输给PC104主板6。

4. PC104主板6将Øm、Øs和CTR根据工作任务所需算法运算出伺服驱动脉冲数N，并经数据通讯模块7传输给信息处理模块8，继而传输到驱动脉冲分频模块11，伺服驱动脉冲数N经驱动脉冲分频模块11分频后向伺服驱动模块13发出驱动脉冲指令，从而驱动从工业机器人关节16运转。

主从随动示教工业机器人在轨迹示教时为保证位置精度速度一般较慢，当从工业机器人独立工作时则要求速度较快；因此主从随动示教工业机器人在控制系统中设定从工业机器人独立工作速度为主从随动示教速度的2～4倍。

分频技术 ( 步进驱动抖动现象消除技术 ) ：

主从随动示教工业机器人控制器每隔30ms定时将从工业机器人5伺服驱动脉冲数N传送到驱动脉冲分频模块11，经驱动脉冲分频模块11分频后将驱动脉冲输出到伺服驱动模块13，继而驱动从工业机器人机器人伺服驱动电机14带动从工业机器人关节16运转。

驱动脉冲分频模块11的输出脉冲基础频率为10KHz，如不加分频处理，驱动脉冲分频模块11将输出频率为10KHz脉冲，伺服驱动脉冲数N的输出波形如图5所示；在30ms定时周期内最多可以输出Nmax=300个驱动脉冲，如果伺服驱动脉冲数N小于Nmax的1/2时，在一个定时周期30ms内就会有间歇驱动情况发生（图5），这样的间歇驱动将导致从工业机器人机器人运转的抖动现象（这里简称为步进驱动抖动）；为避免步进驱动抖动现象的发生，本发明专利采用了驱动脉冲分频技术，当伺服驱动脉冲数N小于Nmax的1/2时，对10KHz频率进行分频驱动，分频系数K=int(Nmax/N)，分频后可见间歇驱动显著缩小（图6），避免了步进驱动抖动现象。

主从随动示教工业机器人系统控制手柄布局：

如图6所示，主从随动示教工业机器人系统控制手柄2由5个波段开关K0、K1、K2、K3、K4组成，每个波段开关接通为上升沿↑、断开为下降沿↓，分别产生不同的控制信号；5个波段开关的布局如图6所示，K0↑：电源ON；K0↓：电源OFF；K1↑：归零运动开始；K1↓：归零运动结束；K2↑：初始化示教开始；K2↓：K3↑：工作示教开始；K3↑：工作示教结束；K4↑：独立工作运动开始；K4↑：独立工作运动暂停。

主从随动示教工业机器人系统在主从随动示教模式下，主从随动示教控制顺序依次为K0↑→K1↑→K1↓→K2↑→K2↓→K3↑→ K3↓→K0↓；

从工业机器人独立工作模式下，控制手柄（2）的控制顺序依次为K0↑→K1↑→K4↑→K0↓。

Claims (7)

1.一种主从随动示教工业机器人系统，其特征在于：所述系统包括主从随动示教工业机器人控制器，控制手柄，伺服驱动器，主机器人和从工业机器人；

主从随动示教工业机器人控制器包括PC104主板，数据通讯模块，信息处理模块，主机器人关节角度计数模块，从工业机器人关节角度计数模块，驱动脉冲分频模块；

控制手柄包括控制手柄信号模块；

伺服驱动器包括伺服驱动模块；

从工业机器人包括从工业机器人伺服驱动电机、从工业机器人关节光电编码器和从工业机器人关节；

主机器人包括主机器人关节光电编码器和主机器人关节；

PC104主板通过ISA插槽与数据通讯模块相连，数据通讯模块与信息处理模块相连；

主机器人关节与主机器人关节光电编码器相连，主机器人关节光电编码器与主机器人关节角度计数模块相连，主机器人关节角度计数模块与信息处理模块相连；

从工业机器人关节分别与从工业机器人关节光电编码器和从工业机器人伺服驱动电机连接，从工业机器人关节光电编码器与从工业机器人关节角度计数模块相连，从工业机器人关节角度计数模块与信息处理模相连；

信息处理模块与驱动脉冲分频模块相连，驱动脉冲分频模块与伺服驱动模块相连，伺服驱动模块与从工业机器人伺服驱动电机相连；控制手柄信号模块与信息处理模块相连。

2.如权利要求1所述的一种主从随动示教工业机器人系统，其特征在于：

主机器人在操作者的控制下运动，主机器人关节带动主机器人关节光电编码器转动，主机器人关节光电编码器的角度信号传输到主机器人关节角度计数模块并计数主机器人关节的转动角度值Øm，主机器人关节角度计数模块的计数角度值Øm传输给信息处理模块，并进而通过数据通讯模块传输给PC104主板；

从工业机器人关节光电编码器的角度信号传输到从工业机器人关节角度计数模块并计数从工业机器人关节的转动角度值Øs，从工业机器人关节角度计数模块的计数角度值Øs传输给信息处理模块，并进而通过数据通讯模块传输给PC104主板；

主从随动示教工业机器人的工作方式由控制手柄信号模块的信号状态字CTR决定，控制手柄信号模块的控制方式信号传输到信息处理模块，并进而通过数据通讯模块传输给PC104主板；

4PC104主板将Øm、Øs和CTR根据工作任务所需算法运算出伺服驱动脉冲数，并经数据通讯模块传输给信息处理模块，继而传输到驱动脉冲分频模块，伺服驱动脉冲数N经驱动脉冲分频模块分频后向伺服驱动模块发出驱动脉冲指令，从而驱动从工业机器人关节运转。

3.如权利要求1所述的一种主从随动示教工业机器人系统，其特征在于：

主从随动示教工业机器人控制器每隔30ms定时将从工业机器人伺服驱动脉冲数N传送到驱动脉冲分频模，经驱动脉冲分频模块分频后将驱动脉冲输出到伺服驱动模块，继而驱动从工业机器人机器人伺服驱动电机带动从工业机器人关节运转；

驱动脉冲分频模块的输出脉冲基础频率为10KHz，如不加分频处理，驱动脉冲分频模块将输出频率为10KHz脉冲，在30ms定时周期内最多可以输出Nmax=300个驱动脉冲，如果伺服驱动脉冲数N小于Nmax的1/2时，在一个定时周期30ms内就会有间歇驱动情况发生，这样的间歇驱动将导致从工业机器人机器人运转的抖动现象；为避免步进驱动抖动现象的发生，采用了驱动脉冲分频技术，当伺服驱动脉冲数N小于Nmax的1/2时，对10KHz频率进行分频驱动，分频系数K=int(Nmax/N)，分频后可见间歇驱动显著缩小，避免了步进驱动抖动现象。

4.如权利要求1所述的一种主从随动示教工业机器人系统，其特征在于：在控制手柄的控制下，主从随动示教工业机器人系统可进行主从随动示教、从工业机器人独立工作两种运行模式；主从随动示教模式下，操控者操作主机器人运动时，主机器人各关节的转动角度被主从随动示教工业机器人控制器采集并记录数据，经算法计算后输出驱动脉冲到伺服驱动器，从而驱动从工业机器人跟随主机器人同步运动完成从工业机器人预定轨迹的走行；从工业机器人独立工作模式下，主从随动示教工业机器人控制器读取记录的数据，经算法计算后输出驱动脉冲到伺服驱动器，从而驱动从工业机器人跟随主机器人同步运动完成从工业机器人预定轨迹的走行。

5.如权利要求4所述的一种主从随动示教工业机器人系统，其特征在于：

主从随动示教工业机器人系统在主从随动示教运行模式下，能够完成从工业机器人P→O→A→B→C→A轨迹运行，LPO段为自上电位置点P运动到原点O，LOA段为自原点O运动到工作起点A，LAB段为自工作起点A运动到工作结束点B，LBC段为自工作结束点B运动到回归点C，LCA段为自回归点C运动闭合到工作起点A；因示教中机器人很难准确回归A点而是到达近A点C点，因此主从随动示教模式下从工业机器人的工作起点位置坐标要进行记录，以便在主从随动示教工作轨迹完成后能准确回到到工作起点，即LCA段，继而由复位子程序完成准确复位到A点；

主从随动示教工业机器人系统在从工业机器人独立工作模式下，从工业机器人首先运行LPO段自上电位置点P到原点O，再完成LOA段自原点O到工作起点A，再完成LAB段自工作起点A到工作终点B，再完成LBC段自工作终点B到C点，再完成LCA段自C点到工作起点A，即P→O→A→B→C→A；随后不断重复A→B→C→A轨迹进行工作；

从工业机器人机器人运行轨迹由LPO段（归零运动段）、LOA段（初始化运动段）、LAB段（工作运动段）、LBC段（回归运动段）、LCA段（闭合运动段）5段构成；其中，LAB段、LBC段、LCA段3段是从工业机器人在生产线上不断重复的工作轨迹；LPO段、LOA段2段是从工业机器人从开机位置到达工作起点A点的初始化轨迹；

P点为从工业机器人上电位置，O点为从工业机器人零点位置，A点为从工业机器人工作起点位置，B点为从工业机器人工作结束位置，C点为从工业机器人回归位置。

6.如权利要求4所述的一种主从随动示教工业机器人系统，其特征在于：从工业机器人独立工作运行模式下运行速度是主从随动示教模式下运行速度的2～4倍。

7.如权利要求4所述的一种主从随动示教工业机器人系统，其特征在于：控制手柄的波段开关采用上升沿下降沿控制信号方式，控制手柄由5个波段开关K0、K1、K2、K3、K4组成，每个波段开关接通为上升沿↑、断开为下降沿↓，分别产生不同的控制信号；5个波段开关的布局为，K0↑：电源ON；K0↓：电源OFF；K1↑：归零运动开始；K1↓：归零运动结束；K2↑：初始化示教开始；K2↓：K3↑：工作示教开始；K3↑：工作示教结束；K4↑：独立工作运动开始；K4↑：独立工作运动暂停；

主从随动示教工业机器人系统在主从随动示教模式下，控制手柄2的控制顺序依次为K0↑→K1↑→K1↓→K2↑→K2↓→K3↑→ K3↓→K0↓；从工业机器人独立工作模式下，控制手柄2的控制顺序依次为K0↑→K1↑→K4↑→K0↓。