CN105204441A - 手推示教式五轴抛光打磨机器人 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种手推示教式五轴抛光打磨机器人，其包括计算机、运动控制器、三维位移传感放大器、反馈装系统等，运动控制器、三维位移传感系统都与计算机连接，三维位移传感系统、伺服驱动置与运动控制器连接，直流伺服电机、伺服驱动放大器与反馈装置连接，机械传动机构与直流伺服电机连接，机器人关节机构与机械传动机构连接；计算机用于发出运动控制指令、参数设置、状态查询并控制其他元件，三维传感系统用于感应人和机器人之间的位移，运动控制器接收计算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。本发明实现了虚拟的机器人被手推动的感觉，稳定可靠，造价低廉，很适合在目前国内的制造业推行。

Description

手推示教式五轴抛光打磨机器人

技术领域

本发明涉及一种机器人，特别是涉及一种手推示教式五轴抛光打磨机器人。

背景技术

目前国际上通行的打磨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，但是鉴于中国国情，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。针对这个问题，国内的同行们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，在抛光打磨需要高刚性的场合更为不适用。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种手推示教式五轴抛光打磨机器人，其采用三维位移传感系统和运动控制器等，实现了虚拟的机器人被手推动的感觉，稳定可靠，造价低廉，很适合在目前国内的制造业推行。

本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题的：一种手推示教式五轴抛光打磨机器人，所述手推示教式五轴抛光打磨机器人包括计算机、运动控制器、三维位移传感系统、伺服驱动放大器、反馈装置、直流伺服电机、机械传动机构、机器人关节机构，所述的运动控制器、三维位移传感系统与计算机连接，三维位移传感系统、伺服驱动放大器、反馈装置与运动控制器连接，直流伺服电机、伺服驱动放大器与反馈装置连接，机械传动机构与直流伺服电机连接，机器人关节机构与机械传动机构连接；计算机用于发出运动控制指令、参数设置、状态查询并控制其他元件，三维传感系统用于感应人和机器人之间的位移，运动控制器接收计算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，伺服驱动放大器是将输入指令信号与反馈装置的反馈信号进行比较、放大和运算后，输出一个与偏差电压信号成比例的控制电流给直流伺服电机，反馈装置用于收集直流伺服电机的信息、伺服驱动放大器的状态信息并将反馈信号发给运动控制器，直流伺服电机用于驱动机械传动机构，机械传动机构用于控制机器人关节机构；三维位移传感系统通过比较装在机器人末端执行器上的测量体的相对位置参数的变化量，完成对机器人的重复位置精度检测。

优选地，所述手推示教式五轴抛光打磨机器人还包括离线编程系统，离线编程系统与计算机连接，离线编程系统是利用计算机图形学的成果，建立起机器人及其工作环境的几何模型，再利用规划算法，通过对图形的控制和操作，在离线的情况下进行轨迹规划。

优选地，所述离线编程系统包括图形显示模块、三维建模模块、传感器仿真模块、运动学模块、编程处理模块，三维建模模块、传感器仿真模块、运动学模块、编程处理模块都与图形显示模块连接，三维建模模块与传感器仿真模块连接，运动学模块、传感器仿真模块都与编程处理模块连接；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；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；传感器仿真模块是对物理传感器功能的模拟；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；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。

优选地，所述运动控制器包括相互连接的通用电路和轴控制电路。

优选地，所述通用电路包括DSP电路、通信接口电路以及外部设备连接电路，DSP电路包括DSP芯片、随机存取存储器、只读存储器，通信接口电路包括总线接口、动态随机存储、串行通信接口，外部设备连接电路包括显示接口、控制面板接口，随机存取存储器、只读存储器、总线接口、动态随机存储、串行通信接口、显示接口、控制面板接口都与DSP芯片连接。

优选地，所述轴控制电路包括第一乘法器、第二乘法器、第三乘法器、第四乘法器、D/A转换电路、第一运算放大器、第二运算放大器、第三运算放大器，第一运算放大器连接在第一乘法器和第二乘法器之间，第二乘法器、第三乘法器、第三运算放大器、第四乘法器、D/A转换电路依次串联，第二运算放大器与第三乘法器连接。

优选地，所述三维位移传感系统包括第一位移传感器、第二位移传感器、第三位移传感器、第四位移传感器、第五位移传感器、第六位移传感器、第一前置放大器、第二前置放大器、第三前置放大器、第四前置放大器、第五前置放大器、第六前置放大器、多路开关、信号预处理电路、A/D变换电路、接口电路，第一位移传感器与第一前置放大器连接，第二位移传感器与第二前置放大器连接，第三位移传感器与第三前置放大器连接，第四位移传感器与第四前置放大器连接，第五位移传感器与第五前置放大器连接，第六位移传感器与第六前置放大器连接，第一前置放大器、第二前置放大器、第三前置放大器、第四前置放大器、第五前置放大器、第六前置放大器都与多路开关连接，多路开关、信号预处理电路、A/D变换电路、接口电路依次连接。

优选地，所述手推示教式五轴抛光打磨机器人采用直线插补方法。

优选地，所述手推示教式五轴抛光打磨机器人采用圆弧插补方法。

本发明的积极进步效果在于：本发明充分考虑了现有打磨机器人在示教学习上面存在的几个不足，提出了以三维位移传感系统和运动控制器相结合的控制系统，本发明在打磨机器人的末端安装三维位移传感系统，当人手推动三维位移传感系统的时候，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。

附图说明

图1为本发明手推示教式五轴抛光打磨机器人的原理框图。

图2为本发明中通用电路的电路图。

图3为本发明中轴控制电路的电路图。

图4为本发明中三维位移传感系统的原理框图。

图5为本发明中六个位移传感器的位置结构示意图。

图6为本发明中离线编程系统的原理框图。

图7为本发明采用直线插补方法的流程图。

图8为本发明采用圆弧插补方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图给出本发明较佳实施例，以详细说明本发明的技术方案。

如图1所示，本发明手推示教式五轴抛光打磨机器人包括计算机、运动控制器、三维位移传感系统、伺服驱动放大器、反馈装置、直流伺服电机、机械传动机构、机器人关节机构，运动控制器、三维位移传感系统都与计算机连接，三维位移传感系统、伺服驱动放大器、反馈装置都与运动控制器连接，直流伺服电机、伺服驱动放大器都与反馈装置连接，机械传动机构与直流伺服电机连接，机器人关节机构与机械传动机构连接；计算机用于发出运动控制指令、参数设置、状态查询并控制其他元件，三维传感系统用于感应人和机器人之间的位移，运动控制器接收计算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，伺服驱动放大器是将输入指令信号同反馈装置的反馈信号进行比较、放大和运算后，输出一个与偏差电压信号成比例的控制电流给直流伺服电机，反馈装置用于收集直流伺服电机的信息、伺服驱动放大器的状态信息并将反馈信号发给运动控制器，直流伺服电机用于驱动机械传动机构，机械传动机构用于控制机器人关节机构；三维位移传感系统通过比较装在机器人末端执行器上的测量体的相对位置参数的变化量，完成对机器人的重复位置精度检测。

本发明手推示教式五轴抛光打磨机器人还可以包括离线编程系统，离线编程系统与计算机连接，离线编程系统是利用计算机图形学的成果，建立起机器人及其工作环境的几何模型，再利用规划算法，通过对图形的控制和操作，在离线的情况下进行轨迹规划。离线编程系统通过对编程结果进行三维图形动画仿真，以检验编程的正确性，最后将生成的代码传到机器人控制柜，以控制机器人运动，完成给定任务。

运动控制器起着重要的作用，它接收计算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，实现对底层直流伺服电机的实时控制。运动控制器以“卡”的形式出现，可以嵌入到计算机中，构成运动控制系统的核心。运动控制器的输出可以是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，一般需要通过伺服驱动放大器进行功率放大。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，在本发明中，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。运动控制器先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。

如图2所示，运动控制器包括相互连接的通用电路和轴控制电路。通用电路包括DSP(DigitalSignalProcessing，数字信号处理)电路、通信接口电路以及外部设备连接电路，DSP电路包括DSP芯片、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)，通信接口电路包括总线接口、动态随机存储(DPRAM)、串行通信接口，外部设备连接电路包括显示接口、控制面板接口，随机存取存储器、只读存储器、总线接口、动态随机存储、串行通信接口、显示接口、控制面板接口都与DSP芯片连接。通用电路部分完成一个运动控制器中基本的功能，它通过总线接口和串行通信接口与外界通信，从控制面板接收命令，并将状态通过显示接口显示在一个显示屏上，该显示屏可以是液晶显示屏(LCD)或真空荧光显示屏(VFD)。轨迹生成、伺服计算和对整个系统监控的任务由DSP芯片完成，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)，并实现对直流伺服电机或伺服驱动放大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。

如图3所示，轴控制电路包括第一乘法器11、第二乘法器12、第三乘法器13、第四乘法器14、D/A转换电路15、第一运算放大器16、第二运算放大器17、第三运算放大器18，第一运算放大器16连接在第一乘法器11和第二乘法器12之间，第二乘法器12、第三乘法器13、第三运算放大器18、第四乘法器14、D/A转换电路15依次串联，第二运算放大器17与第三乘法器13连接。与基本PID不同，轴控制电路的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PID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转换电路的D/A转换后便得到控制电压信号Uc。

三维位移传感系统是指在机器人末端执行器上装有测量体时，通过比较测量体的相对位置参数的变化量，可完成对机器人的重复位置精度检测。如图4所示，三维位移传感系统包括第一位移传感器、第二位移传感器、第三位移传感器、第四位移传感器、第五位移传感器、第六位移传感器、第一前置放大器、第二前置放大器、第三前置放大器、第四前置放大器、第五前置放大器、第六前置放大器、多路开关、信号预处理电路、A/D变换电路、接口电路，第一位移传感器与第一前置放大器连接，第二位移传感器与第二前置放大器连接，第三位移传感器与第三前置放大器连接，第四位移传感器与第四前置放大器连接，第五位移传感器与第五前置放大器连接，第六位移传感器与第六前置放大器连接，第一前置放大器、第二前置放大器、第三前置放大器、第四前置放大器、第五前置放大器、第六前置放大器都与多路开关连接，多路开关、信号预处理电路、A/D变换电路、接口电路依次连接。接口电路可以与计算机的数据处理电路和人机界面连接。为了能用测量信息计算出相对位置，由第一位移传感器、第二位移传感器、第三位移传感器、第四位移传感器、第五位移传感器、第六位移传感器组成的特定空间结构来提供位置和测量数据。位移传感器的测量空间结构如图5所示，六个传感器构成三维测量坐标系，其中第一位移传感器、第二位移传感器、第三位移传感器对应测量坐标系，第四位移传感器、第五位移传感器对应测量面xOz，第六位移传感器对应测量面yOz。每个传感器在坐标系中的位置固定，这六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置变化时，位移传感器的输出信号会随测量距离成比例地变化。

如图6所示，离线编程系统包括图形显示模块、三维建模模块、传感器仿真模块、运动学模块、编程处理模块，三维建模模块、传感器仿真模块、运动学模块、编程处理模块都与图形显示模块连接，三维建模模块与传感器仿真模块连接，运动学模块、传感器仿真模块都与编程处理模块连接；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；传感器仿真模块是对物理传感器功能的模拟；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。离线编程系统解决了机器人在线示教系统的编程过程繁琐、效率低等问题，可以简化机器人编程进程，提高编程效率。

本发明手推示教式五轴抛光打磨机器人可以采用插补方法，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，本发明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。直线插补方法的流程图如图7所示，直线插补方法的具体步骤如下：保存数据指针，读取起点和终点坐标判断各轴的进给方向，计算进给步长、XYZ轴方向的进给量，判断是否到达终点，如果到达终点则误差补偿，再恢复数据指针；如果没有到达终点，则插补剩余量计算并进给。圆弧插补方法的流程图如图8所示，圆弧插补方法的具体步骤如下：保存数据指针，读取起点、中间点和终点坐标及运行速度，将空间圆弧转换成平面圆弧，计算圆弧插补总步数totalstep，判断i是否≤totalstep，如果是则误差补偿并恢复数据指针；如果不是则判断第i个插补点所在象限及各轴的进给方向，计算第i个插补点各轴进给量，进行坐标逆转换，计算各轴进给脉冲数并进行误差补偿。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型DSP芯片中的定时器来控制采样周期，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。

本发明无需在关节上安装编码器与离合器，机械传动机构完全与原有打磨机器人系统一致，仅仅需要在机器末端安装三维位移传感系统，该三维位移传感系统由三组位置呈正交XYZ排列的位移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，带动各方向的位移传感器移动，三维位移传感系统通过检测六个轴向的位移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。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围，凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种手推示教式五轴抛光打磨机器人，其特征在于，所述手推示教式五轴抛光打磨机器人包括计算机、运动控制器、三维位移传感系统、伺服驱动放大器、反馈装置、直流伺服电机、机械传动机构、机器人关节机构，所述的运动控制器、三维位移传感系统与计算机连接，三维位移传感系统、伺服驱动放大器、反馈装置与运动控制器连接，直流伺服电机、伺服驱动放大器与反馈装置连接，机械传动机构与直流伺服电机连接，机器人关节机构与机械传动机构连接；计算机用于发出运动控制指令、参数设置、状态查询并控制其他元件，三维传感系统用于感应人和机器人之间的位移，运动控制器接收计算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，伺服驱动放大器是将输入指令信号与反馈装置的反馈信号进行比较、放大和运算后，输出一个与偏差电压信号成比例的控制电流给直流伺服电机，反馈装置用于收集直流伺服电机的信息、伺服驱动放大器的状态信息并将反馈信号发给运动控制器，直流伺服电机用于驱动机械传动机构，机械传动机构用于控制机器人关节机构；三维位移传感系统通过比较装在机器人末端执行器上的测量体的相对位置参数的变化量，完成对机器人的重复位置精度检测。

2.如权利要求1所述的手推示教式五轴抛光打磨机器人，其特征在于，所述手推示教式五轴抛光打磨机器人还包括离线编程系统，所述的离线编程系统与计算机连接，其利用计算机图形学建立起机器人及其工作环境的几何模型，再利用规划算法，通过对图形的控制和操作，在离线的情况下进行轨迹规划。

3.如权利要求2所述的手推示教式五轴抛光打磨机器人，其特征在于，所述离线编程系统包括图形显示模块、三维建模模块、传感器仿真模块、运动学模块、编程处理模块，所述的三维建模模块、传感器仿真模块、运动学模块、编程处理模块分别与图形显示模块连接，所述的三维建模模块与传感器仿真模块连接，所述的运动学模块、传感器仿真模块分别与编程处理模块连接；所述的图形显示模块用于对场景的管理、动画绘制以及仿真时钟控制；所述三维建模模块用于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；所述的传感器仿真模块用于对物理传感器功能的模拟；所述的编程处理模块用于解决机器人编程问题，包括文本编辑、编译、链接；所述的运动学模块用于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。

4.如权利要求1所述的手推示教式五轴抛光打磨机器人，其特征在于，所述运动控制器包括相互连接的通用电路和轴控制电路。

5.如权利要求4所述的手推示教式五轴抛光打磨机器人，其特征在于，所述通用电路包括DSP电路、通信接口电路以及外部设备连接电路，所述的DSP电路包括DSP芯片、随机存取存储器、只读存储器，所述的通信接口电路包括总线接口、动态随机存储、串行通信接口，外部设备连接电路包括显示接口、控制面板接口，随机存取存储器、只读存储器、总线接口、动态随机存储、串行通信接口、显示接口、控制面板接口，分别与DSP芯片连接。

6.如权利要求4所述的手推示教式五轴抛光打磨机器人，其特征在于，所述轴控制电路包括第一乘法器、第二乘法器、第三乘法器、第四乘法器、D/A转换电路、第一运算放大器、第二运算放大器、第三运算放大器，所述的第一运算放大器连接在第一乘法器和第二乘法器之间，第二乘法器、第三乘法器、第三运算放大器、第四乘法器、D/A转换电路依次串联，第二运算放大器与第三乘法器连接。

7.如权利要求1所述的手推示教式五轴抛光打磨机器人，其特征在于，所述三维位移传感系统包括第一位移传感器、第二位移传感器、第三位移传感器、第四位移传感器、第五位移传感器、第六位移传感器、第一前置放大器、第二前置放大器、第三前置放大器、第四前置放大器、第五前置放大器、第六前置放大器、多路开关、信号预处理电路、A/D变换电路、接口电路，所述的第一位移传感器与第一前置放大器连接，第二位移传感器与第二前置放大器连接，第三位移传感器与第三前置放大器连接，第四位移传感器与第四前置放大器连接，第五位移传感器与第五前置放大器连接，第六位移传感器与第六前置放大器连接，第一前置放大器、第二前置放大器、第三前置放大器、第四前置放大器、第五前置放大器、第六前置放大器都与多路开关连接，多路开关、信号预处理电路、A/D变换电路、接口电路依次连接。

8.如权利要求1所述的手推示教式五轴抛光打磨机器人，其特征在于，所述手推示教式五轴抛光打磨机器人采用直线插补方法。

9.如权利要求1所述的手推示教式五轴抛光打磨机器人，其特征在于，所述手推示教式五轴抛光打磨机器人采用圆弧插补方法。