CN105033996B - 基于手推示教式五轴水平关节机器人的控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于手推示教式五轴水平关节机器人的控制系统，包括：三维位移传感模块系统、主控单元模块、通信模块、驱动电机接口模块、光电隔离 I/O 接口模块和外围存储模块等。通过上述方式，本发明基于手推示教式五轴水平关节机器人的控制系统，由于是虚拟的手推，本质上机器人的运动依然是由其关节电机作为动力，很好的解决了笨重的机器人末端人手不好操作的问题，简单实用的、高效率，同时由于其关节结构完全和不加手推方案的机器人完全一致，无需离合器和编码器，可靠性得到了很大程度的保证，另外，由于只需要在控制器中做软件设定调整，其综合制造维护，以及调试成本都很低廉。

Description

基于手推示教式五轴水平关节机器人的控制系统

技术领域

本发明涉及机器人控制系统领域，特别是涉及一种基于手推示教式五轴水平关节机器人的控制系统。

背景技术

目前国际上通行的机器人示教方法，基本上都是示教器操作占了绝对大多数，此方案简单易行，却不直观，虽然对于专业素养较好的技术工来说不难掌握，但是鉴于国情，现状下很多企业的操作者适应起来却有困难。

针对这个问题，欧洲有人设计了一种关节力感应式的手推示教机器人，其原理是在伺服电机驱动器的力矩环上去感应判别，并且分离得到手推力矩，然后通过控制软件使得电机跟随手推运动，此方案从纯技术角度很完美的解决了手推示教的问题，但是其立足点是机器人关节的伺服电机驱动器技术，技术等级要求很高，制造成本非常高昂，而且维护调试技术难度极大，即便在欧美，也没有得到普及的应用。

国内的同行们，针对这个问题，设计了一种采用机械离合器配合编码器的简易方案，其原理是，在机器人关节处加离合器，示教的时候松开离合器，这样关节就不被电机系统拖累，得到较为松弛的关节效果，然后用编码器去记忆当前关节的角度得到示教位置，此方案技术难度低，控制软件很容易实现，但是机械结构复杂，离合器故障率高，同时最为致命的缺点是，即便松开了离合器，机器人笨重的手臂依然让人手很难精准推动。

发明内容

本发明主要解决的技术问题是提供一种基于手推示教式五轴水平关节机器人的控制系统，具有可靠性能高、定位精确、结构紧凑、成本低等优点，同时在小型数控机床的应用及普及上有着广泛的市场前景。

为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：

提供一种基于手推示教式五轴水平关节机器人的控制系统，其包括：控制头、三维坐标位移传感器、运动控制模块和三维位姿检测模块，

所述三维坐标位移传感器包括3组涡流传感器，且3组涡流传感器的位置呈正交XYZ轴排列，所述三维坐标位移传感器设置于机器人手臂的末端，当人手捏住控制头推动时，控制头产生位移，带动各方向的涡流传感器移动，控制系统通过检测三个轴向的涡流传感器可以计算得到手推力的空间矢量方向与力度，从而操纵机器人跟随着人手的意图移动末端；

所述运动控制模块采用了嵌入式结构，且其包括通用电路模块、轴控制电路模块、驱动模块和离线编程模块，

所述驱动模块包括电机和驱动器，

所述通用电路模块通过总线和串行接口与外界通信，从控制面板接收命令，并将状态通过显示接口显示在LCD或VFD上，

所述轴控制电路模块对反馈信号进行处理，并根据伺服计算的结果产生输出控制信号，同时对电机或驱动器的各种信号进行连接，

所述离线编程模块包括图形显示模块、三维建模模块、传感器仿真模块、编程处理模块和运动学模块，所述图形显示模块完成对场景管理、动画绘制、仿真时钟控制和信息图像显示的控制，所述三维建模模块建立机器人及其工作环境的三维模型，并为每个环境实体创建对象，所述传感器仿真模块完成对物理传感器功能的模拟，所述编程处理模块进行机器人的文本编辑、编译和链接，所述运动学模块完成运动学计算，并根据机器人与环境的当前状态进行碰撞检测；

所述三维位姿检测模块设置于机器人手臂的末端，当机器人装载测量体时，通过比较测量体的相对位姿参数的变化量，对机器人的重复位姿进行精度检测。

在本发明一个较佳实施例中，所述通用电路模块包括DSP模块、通信接口电路和外部设备连接电路，DSP模块进行轨迹生成、伺服计算和系统监控操作，且伺服计算的结果发送到轴控制电路，对具体电机进行控制。

在本发明一个较佳实施例中，所述外部设备连接电路包括显示接口和控制面板接口。

在本发明一个较佳实施例中，所述输出控制信号包括模拟电压、PWM信号或步进脉冲。

在本发明一个较佳实施例中，所述轴控制电路模块包括FPGA/CPLD装置、AD转换器和DA转换器。

在本发明一个较佳实施例中，所述轴控制电路模块以轴为单位实现，每个轴都是一个完整的模块。

在本发明一个较佳实施例中，所述三维位姿检测模块包括传感器、多路开关、信号预处理模块、A/O变换模块、接口电路和计算机模块。

本发明的有益效果是：由于是虚拟的手推，本质上机器人的运动依然是由其关节电机作为动力，很好的解决了笨重的机器人末端人手不好操作的问题，简单实用的、高效率，同时由于其关节结构完全和不加手推方案的机器人完全一致，无需离合器和编码器，可靠性得到了很大程度的保证，另外，由于只需要在控制器中做软件设定调整，其综合制造维护，以及调试成本都很低廉。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图，其中：

图1是本发明机器人的运动控制的结构示意图；

图2是本发明基于DSP的具有开放结构的运动控制模块的结构示意图；

图3是本发明运动控制模块的单轴控制模块的结构示意图；

图4是本发明离线编程模块的结构示意图；

图5是本发明三维位姿检测传感模块的结构示意图；

图6是本发明三维位姿检测传感器的测量空间结构；

图7是本发明直线插补的流程图；

图8是本发明时间分割法圆弧插补的流程图。

具体实施方式

下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1-8，本发明实施例包括：

一种基于手推示教式五轴水平关节机器人的控制系统，提出了以三维位移传感器和控制器相结合的高效控制系统，本方案在机器人的末端安装三维位移传感器，当人手推动三维位移传感器的时候，控制系统检测到位移量和位移速度，此时经过计算使得机器人的末端跟随人手的运动方向，实现了虚拟的机器人被手推动的感觉，此方案稳定可靠，造价低廉，很适合在目前国内的制造业推行。

所述基于手推示教式五轴水平关节机器人的控制系统与传统的离合器式的手推示教完全不同，本系统无需在关节上安装编码器与离合器，机械结构完全与原有机器人系统一致，仅仅需要在机器手臂的末端安装一个三坐标位移传感器，该传感器由三组位置呈正交XYZ排列的涡流传感器和相关机构构成，当人手捏住控制头推动时，控制头产生位移，带动各方向的涡流传感器移动，控制系统通过检测三个轴向的涡流传感器可以计算得到手推力的空间矢量方向与力度。从而操纵机器人跟随着人手的意图移动末端，从而实现无需按键，很轻松的手推机器人末端的示教。作为项目的核心，本项目拟对机器人控制器和三维位姿测量技术进行研究，同时，项目还对各种轨迹生成算法进行优化。

一.运动控制模块：

运动控制模块起着重要的作用，它接收主机发出的运动控制指令，完成关节轨迹规划、反馈信号处理以及伺服计算等多项功能，实现对底层电机的实时控制。运动控制模块以“卡”的形式出现，可以嵌入到PC机中，构成运动控制系统的核心。运动控制卡的输出可以是PWM波形、也可以是电压或其他相应的控制信号，这些控制信号在作用到电机之前，一般需要通过驱动器进行功率放大。驱动机器人关节的电机可以是直流电机、交流伺服电机甚至是步进电机，在本系统中，所使用的是直流伺服电机。其特点是控制简单，启动转矩大，体积小重量轻，缺点是效率不高。机器人的关节位置信息通过电机轴上的光电码盘返回。

运动控制模块可以采用适用于开放式机器人控制的多轴运动控制器的实现方案，如图2所示。该方案以DSP为核心器件，其构成电路可以分为两大部分(图2中以虚线隔开)：通用电路和轴控制电路。

通用电路部分包括基本的DSP系统(DSP、RAM、ROM等)，通信接口电路(总线接口、DPRAM、串行通信接口等)，以及外部设备连接电路(显示接口、控制面板接口等)。通用电路部分完成一个运动控制器中基本的功能，它通过总线和串行接口与外界通信，从控制面板接收命令，并将状态通过显示接口显示在LCD或VFD上。轨迹生成、伺服计算和对整个系统监控的任务由DSP完成，伺服计算的结果将发送到轴控制电路，最终实现对具体电机的控制。

轴控制电路的结构是与具体电机相关的，它的主要任务是对反馈信号进行处理、根据伺服计算的结果产生输出控制信号(模拟电压、PWM信号或步进脉冲)，并实现对电机或驱动器的各种信号量的连接。轴控制电路以轴为单位实现，每个轴都是一个完整的模块，可以针对不同的系统，增加或减少轴控制电路的数目。轴控制电路一般以FPGA/CPLD器件和AD、DA转换器为核心构建，利用FPGA/CPLD器件的在线可编程能力，适应不同电机控制的需要。

与基本PID不同，其微分作用只安排在反馈回路中，优点在于可以避免参考信号快速变化时引起的定点冲击现象。这种结构一般可称之为微分先行，或PI-D结构，它是二自由度PID控制的一个特殊情况。这种控制结构适用于给定值频繁升降的场合，可以避免升降时引起的系统振荡，从而明显地改善系统的动态性能。图中CP表示给定位置，AP、AV表示实际位置和速度，Kp、Ki、Kd分别代表比例、积分和微分增益，DACount是数字PID的计算结果，它经D/A转换后便得到控制电压信号Uc。

本项目机器人离线编程系统的功能结构如图4所示，在目前实现的系统中，按其功能逻辑主要分为5个模块：图形显示、三维建模、传感器仿真、编程处理以及运动学模块。

图形显示模块的功能包括对场景的管理、动画绘制以及仿真时钟控制等与显示相关的功能；三维建模模块的功能是建立起机器人及其工作环境的三维模型，并为每个环境实体创建对象；传感器仿真是对物理传感器功能的模拟；而编程处理模块主要解决机器人编程问题，包括文本编辑、编译、链接等；运动学模块完成与运动学相关的计算，并根据机器人与环境的当前状态进行碰撞检测。

二.三维位姿检测模块：

对于位姿检测传感系统，是指在机器人末端上装载测量体时，通过比较测量体的相对位姿参数的变化量，可完成对机器人的重复位姿精度检测。如图5所示为位姿检测传感器系统概况图，系统由传感器接前置器、多路开关、信号预处理、A/O变换、接口电路、最终接进行数据处理的计算机系统构成。控制器心通过安装在焊枪端的信号处理过程，自动记忆控末端执行器移动轨迹，快速实现示教编程。

为了能用测量信息计算出相对位姿，由6个电涡流传感器组成的特定空间结构来提供位姿和测量数据。传感器的测量空间结构如图6所示，6个传感器构成三维测量坐标系，其中传感器1、2、3对应测量坐标系，传感器4、5对应测量面xOz，传感器6对应测量面yOz。每个传感器在坐标系中的位置固定，这6个传感器所标定的测量范围就是测量系统的测量范围。当测量体相对测量坐标系发生位姿变化时，电涡流传感器的输出信号会随测量距离成比例地变化。

三.运动控制系统中的插补运算优化设计

所谓插补就是根据零件轮廓尺寸，结合精度和工艺等方面的要求，按照一定的数学方法在理想的轨迹或轮廓上的已知点之间确定一些中间点，从而逼近理想工件外形轮廓"换句话说，插补过程就是对给定曲线进行/数据点的密化0过程。在运动控制系统中执行电机控制、实现轨迹规划起着重要作用。现代常用的插补算法有基准脉冲插补和数据采样插补。在基准脉冲插补中，按基本原理又分为以区域判别为特征的逐点比较法插补，以比例乘法为特征的数字脉冲乘法器插补。 数据采样插补法又称时间分割插补法，这种方法是把加工一段直线或圆弧的整段时间细分为许多相等的时间间隔，称为单位时间间隔(或插补周期)。每经过一个单位时间间隔就进行一次插补运算，算出在这一时间间隔内的各坐标轴的进给量，边计算边插补，直至到达插补轨迹终点。 在逐点比较法中，每进给一步都需要进行偏差判别、坐标进给、新偏差计算和终点比较四个节拍，其插补算法运算直观，插补误差小于一个脉冲当量，输出脉冲均匀，速度变化小，调节方便，在两个坐标开环 CNC 控制系统中应用普遍，但是这种方法不能实现多轴联动，不能满足插补精度要求较高的场合，其应用范围受到了很大限制。与逐点比较法相比，数据采样法具有运算速度快、实时性强、控制精度高等特点，因此，经过比较上述方法的优缺点本系统采用数据采样法实现空间轨迹图形的插补运算。

在具体实现时候，项目采用基于时间分割的直线插补法和基于坐标旋转和时间分割法的圆弧插补法。直线插补软件流程图如图 7所示，圆弧插补软件流程图如图 8所示。在插补的过程中，插补速率的计算是关键，它影响到插补轨迹的特性，如误差的大小。轨迹的优劣性等"采用 TMS320F2812 DSP 中的定时器 0 来控制采样周期，当采样周期到来时，获得各轴脉冲进给量，通过 PWM 波的形式输出，驱动各轴电机运动，从而实现各种轨迹的插补。

本发明基于手推示教式五轴水平关节机器人的控制系统的有益效果是：由于是虚拟的手推，本质上机器人的运动依然是由其关节电机作为动力，很好的解决了笨重的机器人末端人手不好操作的问题，简单实用的、高效率，同时由于其关节结构完全和不加手推方案的机器人完全一致，无需离合器和编码器，可靠性得到了很大程度的保证，另外，由于只需要在控制器中做软件设定调整，其综合制造维护，以及调试成本都很低廉。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其它相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (7)

1.一种基于手推示教式五轴水平关节机器人的控制系统，其特征在于，包括：控制头、三维坐标位移传感器、运动控制模块和三维位姿检测模块，

所述三维坐标位移传感器包括3组涡流传感器，且3组涡流传感器的位置呈正交XYZ轴排列，所述三维坐标位移传感器设置于机器人手臂的末端，当人手捏住控制头推动时，控制头产生位移，带动各方向的涡流传感器移动，控制系统通过检测三个轴向的涡流传感器可以计算得到手推力的空间矢量方向与力度，从而操纵机器人跟随着人手的意图移动末端；

所述运动控制模块采用了嵌入式结构，且其包括通用电路模块、轴控制电路模块、驱动模块和离线编程模块，

所述驱动模块包括电机和驱动器，

所述通用电路模块通过总线和串行接口与外界通信，从控制面板接收命令，并将状态通过显示接口显示在LCD或VFD上，

所述轴控制电路模块对反馈信号进行处理，并根据伺服计算的结果产生输出控制信号，同时对电机或驱动器的各种信号进行连接，

所述离线编程模块包括图形显示模块、三维建模模块、传感器仿真模块、编程处理模块和运动学模块，所述图形显示模块完成对场景管理、动画绘制、仿真时钟控制和信息图像显示的控制，所述三维建模模块建立机器人及其工作环境的三维模型，并为每个环境实体创建对象，所述传感器仿真模块完成对物理传感器功能的模拟，所述编程处理模块进行机器人的文本编辑、编译和链接，所述运动学模块完成运动学计算，并根据机器人与环境的当前状态进行碰撞检测；

所述三维位姿检测模块设置于机器人手臂的末端，当机器人装载测量体时，通过比较测量体的相对位姿参数的变化量，对机器人的重复位姿进行精度检测。

2.根据权利要求1所述的基于手推示教式五轴水平关节机器人的控制系统，其特征在于，所述通用电路模块包括DSP模块、通信接口电路和外部设备连接电路，DSP模块进行轨迹生成、伺服计算和系统监控操作，且伺服计算的结果发送到轴控制电路，对具体电机进行控制。

3.根据权利要求2所述的基于手推示教式五轴水平关节机器人的控制系统，其特征在于，所述外部设备连接电路包括显示接口和控制面板接口。

4.根据权利要求1所述的基于手推示教式五轴水平关节机器人的控制系统，其特征在于，所述输出控制信号包括模拟电压、PWM信号或步进脉冲。

5.根据权利要求1所述的基于手推示教式五轴水平关节机器人的控制系统，其特征在于，所述轴控制电路模块包括FPGA/CPLD装置、AD转换器和DA转换器。

6.根据权利要求1所述的基于手推示教式五轴水平关节机器人的控制系统，其特征在于，所述轴控制电路模块以轴为单位实现，每个轴都是一个完整的模块。

7.根据权利要求1所述的基于手推示教式五轴水平关节机器人的控制系统，其特征在于，所述三维位姿检测模块包括传感器、多路开关、信号预处理模块、A/O变换模块、接口电路和计算机模块。