CN105108751A - 一种关节机器人的旋转控制系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及机械控制技术领域，具体涉及一种关节机器人的旋转控制系统及其控制方法，本发明包括：通过电信号依次连接的运动编程控制器、电机控制电路和电机；所述电机的输出轴通过传动轴接有旋转电阻器，并通过该传动轴的旋转来调整该旋转电阻器的阻值，从而实现对其输出电压值进行调整；所述运动编程控制器用于将该输出电压值与预设电压值进行比较，通过电压比较的结果对电机的工作状态进行调整；本发明避免了因为机械振动或外界电磁干扰而造成误操作，稳定性高，且其结构简单，性价比高。

Description

一种关节机器人的旋转控制系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及机械控制技术领域，具体涉及一种关节机器人的旋转控制系统及其控制方法。

背景技术

关节机器人，也称关节手臂机器人或关节机械手臂，是当今工业领域中最常见的工业机器人之一，在现有的工业生产过程中，常常会利用到关节机器人进行辅助生产；在现有的关节机器人中，一般会利用运动编程控制器，谐波减速器，伺服电机，伺服电机驱动器和位置编码器对关节机器人的关节转动进行控制；而位置编码器一般采用光电码盘，由光电发射和光电接收，读取，形成A、B、C、D等4组相位差90度的正弦波脉冲信号，并将该正弦波脉冲信号反馈给运动编程控制器，运动编程控制器根据接收脉冲数量和谐波减速器的减速比来计算电机转速和旋转角度，与预置电机速度和角度进行对比，直至符合为止，向驱动器发出停止旋转信号，驱动器收到停止旋转信号，切断伺服电机电源，电机停止旋转。但编码器进行电机控制的方案具有以下缺点：1.机械振动容易引起光电发射管或接收管的移位或偏移，导致接收管不能可靠接收到信号，导致系统不稳定或误动作。2.由于外界的电磁干扰，使得光电检测装置输出波形畸变失真，导致系统不稳定或误动作。

发明内容

为克服上述缺陷，本发明的目的即在于提供一种关节机器人的旋转控制系统及一种关节机器人的旋转控制方法。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

本发明是一种关节机器人的旋转控制系统，其设置于关节机器人上，包括：一个以上的旋转控制模块，每个所述旋转控制模块均包括：通过电信号依次连接的运动编程控制器、电机控制电路和电机；

所述电机控制电路用于根据所述运动编程控制器所发送的驱动信号，驱动电机进行工作；

所述电机固定于关节机器人上，其输出轴通过传动部件接有传动轴，所述传动轴用于带动关节机器人中的摆臂进行旋转；

所述传动轴上接有旋转电阻器，并通过该传动轴的旋转来调整该旋转电阻器的阻值；所述旋转电阻器分别与恒流电源和所述运动编程控制器连接，其通过自身阻值的变化来对输出电压值进行调整；

所述运动编程控制器与所述旋转电阻器连接，所述运动编程控制器用于将输入的控制信号转换为预设电压值，并直接读取该旋转电阻器所输出的电压值，根据该输出电压值与运动编程控制器中的预设电压值进行比较，若输出电压值大于预设电压值，则向电机控制电路发送驱动信号，使电机按第一方向进行旋转；若输出电压值小于预设电压值，则向电机控制电路发送驱动信号，使电机按第二方向进行旋转；若输出电压等于预设电压值，则驱动电机进行停机；所述第一、第二方向互为相反方向。

进一步，所述旋转电阻器中的旋转刷与该传动轴相固定，所述旋转电阻器中设有环形电阻，所述环形电阻的两端分别与电源的正、负极相接，所述旋转刷与所述环形电阻活动连接，所述旋转刷通过导线与所述运动编程控制器相接。

进一步，所述传动部件包括：齿轮组、蜗轮、蜗杆，所述电机输出轴装有齿轮，该电机输出轴上的齿轮与所述齿轮组中的齿轮相啮合，所述齿轮组中的齿轮与所述蜗杆的齿轮相啮合，所述蜗杆的齿面与所述蜗轮相啮合，所述蜗轮固定于所述传动轴上。

进一步，所述齿轮组为减速齿轮组，所述电机为直流电机。

进一步，所述电机控制电路为由两个继电器或两个三极管组成电机正反转互锁电路。

进一步，所述旋转控制模块的数量为1至32个。

本发明一种基于如上所述的关节机器人的旋转控制系统的控制方法，包括：

输入控制信号，所述控制信号中含有控制角度值；

运动编程控制器将该控制角度值转换为对应的预设电压值，将已接入恒流电源中的旋转电阻器当前的输出电压值与该预设电压值进行对比，若输出电压值小于预设电压值，则生成含有第一方向信息的电机驱动信号；若输出电压值大于预设电压值，则将生成含有第二方向信息的电机驱动信号；若输出电压值等于预设电压值，则将生成含停机信息的电机驱动信号；

电机根据电机驱动信号中的方向信息，按其对应的方向进行旋转；或，根据电机驱动信号中的停机信息驱动电机停机；

电机带动传动轴进行转动，使得传动轴带动关节机器人中的摆臂转动；传动轴同时带动与其相接的旋转电阻器做同步旋转运动，使旋转电阻器的输出电阻值跟随传动轴的旋转角度变化而进行调整；

根据旋转电阻器的输出电阻值的变化，其对应的输出电压值也跟着进行调整；

将调整后的输出电压值作为当前的输出电压值，再次与该预设电压值进行对比。

进一步，所述控制信号还包括：电机旋转速度信号。

进一步，所述将该控制信号转换为对应的预设电压值包括：

按照预设置的控制角度值与电压的对应关系，将所述控制信号中的控制角度值转换为对应的预设电压值。

进一步，所述第一方向为电机旋转的正方向，所述第二方向为电机旋转的反方向。

本发明一种关节机器人的旋转控制系统及其控制方法中设有旋转电阻器，通过电阻的改变从而使输出的电压发生改变，其利用输出的电压信号作为运动编程控制器的驱动信号，不需要再使用编码器，避免了因为机械振动或外界电磁干扰而造成误操作，稳定性高，且其结构简单，性价比高。

附图说明

为了易于说明，本发明由下述的较佳实施例及附图作详细描述。

图1为本发明旋转控制系统的逻辑结构示意图；

图2为本发明旋转控制系统的硬件结构示意图；

图3为本发明旋转控制系统的工作流程示意图；

图4为本发明中电机电流-速度曲线关系示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

请参阅图1至图2，本发明是一种关节机器人的旋转控制系统，包括：包括：一个以上的旋转控制模块，每个所述旋转控制模块均包括：通过电信号依次连接的运动编程控制器101、电机控制电路102和电机103；

所述电机控制电路102用于根据所述运动编程控制器101所发送的驱动信号，驱动电机103进行工作；

所述电机103固定于关节机器人上，其输出轴通过传动部件接有传动轴，所述传动轴用于带动关节机器人中的摆臂进行旋转；

所述传动轴105上接有旋转电阻器104，并通过该传动轴105的旋转来调整该旋转电阻器104的阻值；所述旋转电阻器104分别与恒流电源和所述运动编程控制器101连接，在恒流情况下，其通过自身阻值的变化来对输出电压的输出电压值进行调整；

所述运动编程控制器101与所述旋转电阻器104连接，通过运动编程控制器101界面输入预设控制信号，运动编程控制器101将输入的控制信号编译转换为预设电压值，并存贮，同时由运动编程控制器获取该旋转电阻器104所输出的电压值，根据该输出电压值与运动编程控制器101中的预设电压值进行比较，若输出电压值大于预设电压值，则向电机控制电路102发送驱动信号，使电机103按第一方向进行旋转；若输出电压值小于预设电压值，则向电机控制电路102发送驱动信号，使电机103按第二方向进行旋转；若输出电压等于预设电压值，则驱动电机103进行停机；所述第一、第二方向互为相反方向。

所述的预设电压值，运动初始时应为旋转电阻的中间值或人工预设值；初始旋转电阻中间值一般为关节初始化原点，但初始化原点也可能会因机器人动作需要而被人工修改，即预设。随后运动过程中因断电停机，或因操作需要暂停时，任何停止位置的旋转电阻所输出当前电压值，将被运动编程控制器存贮，刷新作为下一个继续运动起点的电机旋转方向和位置参考的逻辑判断。

进一步，所述旋转电阻器104中的旋转刷109与该传动轴105相固定，所述旋转电阻器104中设有环形电阻，所述环形电阻的两端分别与电源的正、负极相接，所述旋转刷109与所述环形电阻活动连接，所述旋转刷109通过导线与所述运动编程控制器101相接。当传动轴105旋转时，带动旋转刷109进行旋转，使得接入电路中的环形电阻的输出电阻值发生改变，根据欧姆定律V=R*I，在恒流情况下，电压与电阻阻值成线性比例，改变电阻阻值，就可以改变电压值。旋转刷109在环形电阻表面做360度旋转时，电压值与输出轴旋转角度β形成对应函数关系β(V)=R*I，其旋转角度精度约0.01度。

进一步，所述传动部件包括：齿轮组106、蜗轮107、蜗杆108，所述电机103的输出轴通过齿轮组106接有蜗杆108，所述蜗杆108的齿面与所述蜗轮107相啮合，所述蜗轮107固定于所述传动轴105上。在现有机器人应用伺服和步进电机技术中，当电动机停止时，其保持力矩将下降50%，故机械手的关节位置需要靠电磁刹车进行维持，当遇到因突然停电而停机时，电磁刹车将无法进行，其将存在机械手因重力作用而往下坠的危险；而本发明中因为设有蜗轮107、蜗杆108，其依靠蜗轮蜗杆的自锁功能，保证在遇到突然停电时，其机械手仍然保持其位置，避免了机械手下坠的危险情况发生。

进一步，所述齿轮组106为减速齿轮组，所述电机103为直流电机，由于在本发明中所采用的电机为普通的直流电机和减速齿轮组，其不需要利用到谐波减速器、伺服电机、伺服电机驱动器，其生产成本低廉，利于在市场上的推广。由于所述电机为普通的直流电机。

进一步，所述电机控制电路102为由两个继电器或两个三极管组成电机正反转互锁电路。

进一步，所述旋转控制模块的数量为1至32个，以实现关节机器人的多轴控制。

下面以一个实施例对本系统的控制过程进行详细描述：

运动编程控制器101根据其内部预置电压与电机转速对应关系，对输入的控制信号进行转换，得到预设电压值V1，输出旋转方向信号，经电机正反转互锁电路，控制直流电机的旋转方向；输出电压信号，控制电机控制电路中的三极管的导通角，即可控制直流电机的驱动电流，调整直流电机转速，直流电机通电转动；经齿轮组106、蜗轮蜗杆，使旋转电阻器104跟随传动轴105做旋转运动。旋转电阻器104中的旋转刷109在环形电阻表面做旋转时，与运动编程控制器101相接的电极的输出电压V2将出现V2（β）=R*I函数变化，将该输出电压值反馈给运动编程控制器101，即将V2值与原来预设电压值V1进行对比，①当V2-V1=0时，电机停止转动；②当V2-V1＜0时，电机正转，直至V1-V2=0，电机停止转动；③当V2-V1＞0时，电机反转，直至V1-V2=0，电机停止转动；当V1-V2=0，关闭输出电压信号，即关闭三极管的导通角，直流电机断电停止转动。

本发明的硬件安装方法为：

①用2个螺钉将直流电机固定在电机板上；在电机板放入轴承一个；

②将齿轮组106中的小正齿轮安装固定直流电机轴上，另一个正齿轮安装于蜗轮蜗杆的蜗杆轴上。

③将轴承，后板，依次放入传动轴105上；蜗轮蜗杆中涡轮，用螺钉安装固定在传动轴105上；将旋转电阻器104中的旋转刷109压入固定绝缘体，然后用螺钉将固定绝缘体固定在传动轴105上。

④将轴承座冲压铆定在外壳内侧预留孔位上，放入轴承一个；

⑤将轴承放入前板预留轴承孔，然后将旋转电阻器104中的底座，用2个螺钉固定在前板上

⑥将步骤①放入外壳，将步骤②的蜗杆108一端插入步骤④上轴承孔，移动电机板，直至蜗杆108另一端插入步骤①上轴承孔。然后用4个螺钉将电机板固定在外壳内部预定位置上。

⑦将步骤③的后板压入外壳右边，然后用8个螺钉将后板固定在外壳上；将步骤⑤的轴承孔对准传动轴105，将前板压入外壳左边，并用8个螺钉将前板固定在外壳上。

⑧将环形电阻的两个电极分别接电源正、负极，与旋转刷109相接的电极输出电压V2，直接与运动编程控制器101联接。

请参看图3、图4，本发明一种基于上所述的关节机器人的旋转控制系统的控制方法，包括：

301.输入控制信号

在运动编程控制器的界面中输入控制信号所述控制信号中含有控制角度值，所述控制信号包括：电机旋转速度信号和控制角度值；所述控制角度值为控制方设定的，其为需要旋转的角度；

302.设定预设电压值

将该控制角度值转换为对应的预设电压值，且发送驱动信号，所述将该控制信号转换为对应的预设电压值具体为：按照预设置的控制角度值与电压的对应关系，将所述控制信号中的控制角度值转换为对应的预设电压值。所述的预设电压值，运动初始时应为旋转电阻的中间值或人工预设值；初始旋转电阻中间值一般为关节初始化原点，但初始化原点也可能会因机器人动作需要而被人工修改，即预设。随后运动过程中因断电停机，或因操作需要暂停时，任何停止位置的旋转电阻所输出当前电压值，将被运动编程控制器存贮，刷新作为下一个继续运动起点的电机旋转方向和位置参考的逻辑判断。

303.判断输出电压值与预设电压值的关系

将已接入恒流电源中的旋转电阻器其当前的输出电压值V2与预设电压值V1进行比较，若输出电压值小于预设电压值，则生成含有第一方向信息的电机驱动信号，若输出电压值大于预设电压值，则则生成含有第二方向信息的电机驱动信号，若输出电压等于预设电压值，则生成含停机信息的电机驱动信号；所述第一方向为电机旋转的正方向，所述第二方向为电机旋转的反方向。即：①当V2-V1=0时，电机停止转动；②当V2-V1＜0时，电机正转，直至V1-V2=0，电机停止转动；③当V2-V1＞0时，电机反转，直至V1-V2=0；

304.电机按第一方向进行旋转

电机控制电路根据所接收到的驱动信号中的第一方向信息，驱动电机按第一方向进行旋转；

305.电机按第二方向进行旋转

电机控制电路根据所接收到的驱动信号中的第二方向信息，驱动使电机按第二方向进行旋转；

306.电机停机

电机控制电路根据所接收到的驱动信号中的停机信息，驱动电机进行停机。

307.调整旋转电阻阻值

当电机按第一方向或第二方向转动时，其电机输出轴将带动传动轴进行转动，使得传动轴带动关节机器人中的摆臂进行转动；传动轴同时带动与其相接的旋转电阻器，使旋转电阻器的输出电阻值跟随传动轴的旋转角度变化而进行调整；当传动轴旋转时，带动旋转刷进行旋转，使得接入电路中的环形电阻的输出电阻值发生改变；即当电机正转时，随着传动轴的转动角度增加，旋转电阻器的输出电阻值随之增大；当电机反转时，随着传动轴的转动角度增加，旋转电阻器的输出电阻值随之减少；再根据调整后的输出电阻值对通过该旋转电阻器的电流的输出电压值进行调整；根据欧姆定律V=R*I，在恒流情况下，电压与电阻阻值成线性比例，改变电阻阻值，就可以改变电压值。旋转刷在环形电阻表面做360度旋转时，电压值与输出轴旋转角度β形成对应函数关系β(V)=R*I，其旋转角度精度约0.01度。并随着输出电压的调整，不断地将调整后的输出电压值作为当前的输出电压值，再次进行步骤302将当前的输出电压值与该预设电压值进行对比。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种关节机器人的旋转控制系统，其设置于关节机器人上，其特征在于，包括：一个以上的旋转控制模块，每个所述旋转控制模块均包括：通过电信号依次连接的运动编程控制器、电机控制电路和电机；

所述电机控制电路用于根据所述运动编程控制器所发送的驱动信号，驱动电机进行工作；

所述电机固定于关节机器人上，其输出轴通过传动部件接有传动轴，所述传动轴用于带动关节机器人中的摆臂进行旋转；

所述传动轴上接有旋转电阻器，并通过该传动轴的旋转来调整该旋转电阻器的阻值；所述旋转电阻器分别与恒流电源和所述运动编程控制器连接，其通过自身阻值的变化来对输出电压值进行调整；

所述运动编程控制器与所述旋转电阻器连接，所述运动编程控制器用于将输入的控制信号转换为预设电压值，并直接读取该旋转电阻器所输出的电压值，根据该输出电压值与运动编程控制器中的预设电压值进行比较，若输出电压值大于预设电压值，则向电机控制电路发送驱动信号，使电机按第一方向进行旋转；若输出电压值小于预设电压值，则向电机控制电路发送驱动信号，使电机按第二方向进行旋转；若输出电压等于预设电压值，则驱动电机进行停机；所述第一、第二方向互为相反方向。

2.根据权利要求1所述的关节机器人的旋转控制系统，其特征在于，所述旋转电阻器中的旋转刷与该传动轴相固定，所述旋转电阻器中设有环形电阻，所述环形电阻的两端分别与电源的正、负极相接，所述旋转刷与所述环形电阻活动连接，所述旋转刷通过导线与所述运动编程控制器相接。

3.根据权利要求2所述的关节机器人的旋转控制系统，其特征在于，所述传动部件包括：齿轮组、蜗轮、蜗杆，所述电机输出轴装有齿轮，该电机输出轴上的齿轮与所述齿轮组中的齿轮相啮合，所述齿轮组中的齿轮与所述蜗杆的齿轮相啮合，所述蜗杆的齿面与所述蜗轮相啮合，所述蜗轮固定于所述传动轴上。

4.根据权利要求3所述的关节机器人的旋转控制系统，其特征在于，所述齿轮组为减速齿轮组，所述电机为直流电机。

5.根据权利要求4所述的关节机器人的旋转控制系统，其特征在于，所述电机控制电路为由两个继电器或两个三极管组成电机正反转互锁电路。

6.根据权利要求5所述的关节机器人的旋转控制系统，其特征在于，所述旋转控制模块的数量为1至32个。

7.一种基于如权利要求1所述的关节机器人的旋转控制系统的控制方法，其特征在于，包括：

输入控制信号，所述控制信号中含有控制角度值；

运动编程控制器将该控制角度值转换为对应的预设电压值，将已接入恒流电源中的旋转电阻器当前的输出电压值与该预设电压值进行对比，若输出电压值小于预设电压值，则生成含有第一方向信息的电机驱动信号；若输出电压值大于预设电压值，则生成含有第二方向信息的电机驱动信号；若输出电压值等于预设电压值，则生成含停机信息的电机驱动信号；

电机根据电机驱动信号中的方向信息，按其对应的方向进行旋转；或，根据电机驱动信号中的停机信息驱动电机停机；

电机带动传动轴进行转动，使得传动轴带动关节机器人中的摆臂转动；传动轴同时带动与其相接的旋转电阻器做同步旋转运动，使旋转电阻器的输出电阻值跟随传动轴的旋转角度变化而进行调整；

根据旋转电阻器的输出电阻值的变化，其对应的输出电压值也跟着进行调整；

将调整后的输出电压值作为当前的输出电压值，再次与该预设电压值进行对比。

8.根据权利要求7所述的控制方法，其特征在于，所述控制信号还包括：电机旋转速度信号。

9.根据权利要求8所述的控制方法，其特征在于，所述将该控制信号转换为对应的预设电压值包括：

按照预设置的控制角度值与电压的对应关系，将所述控制信号中的控制角度值转换为对应的预设电压值。

10.根据权利要求9所述的控制方法，其特征在于，所述第一方向为电机旋转的正方向，所述第二方向为电机旋转的反方向。