CN105215988A - 一种机械臂驱动模块、机器人组态驱动及控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种机械臂驱动模块、机器人组态驱动及控制系统。一种机械臂驱动模块包括输入接口模块、电机驱动模块、传感器信号采集模块及输出接口模块；输入接口模块包括数据传输接口、芯片电源接口及独立电源接口；电机驱动模块包括电连接的信号隔离电路及驱动芯片电路；输出接口模块包括电机接口及传感器接口。一种机器人组态驱动系统包括模块选择电路、芯片电源、独立电源、总线接口及至少两个机械臂驱动模块，机械臂模块的数量由控制对象的关节自由度数决定。一种机器人控制系统包括机器人组态驱动系统及控制器，其能满足不同关节自由度机器人的控制要求，具有通用性强、结构简单、驱动能力强等特点，可以广泛应用于机器人控制中。

Description

一种机械臂驱动模块、机器人组态驱动及控制系统

技术领域

本发明涉及机器人控制领域，具体地说是一种机械臂驱动模块、机器人组态驱动及控制系统。

背景技术

随着科技的发展、工业技术的进步，越来越多的工作被机器人所取代，特别是在重复性高的流水生产线上，机器人得到了更多的应用。

机器人需要相应控制系统控制，国内外都有不少对机器人控制系统的研究，取得了不少成果，然则这些机器人控制系统都有一个特点：只能控制固定自由度的特定机器人，通用性较差；随着科技的发展，将出现越来越多自由度可变的机器人，现有机器人控制系统通用性差的特点将越来越明显，其应用场合也将受到越来越多的限制。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术存在的不足，设计出一种机械臂驱动模块、机器人组态驱动及控制系统。该发明具有机械臂驱动模块化、机器人驱动系统组态化的特点，能满足不同关节自由度的机器人的驱动控制要求，可广泛应用于各种机器人上，使机器人更方便、更广泛应用于各行各业。

本发明采用如下技术方案：

本发明的一种机械臂驱动模块，其包括输入接口模块、电机驱动模块、传感器信号采集模块及输出接口模块；所述输入接口模块包括数据传输接口、芯片电源接口及独立电源接口；所述电机驱动模块包括电连接的信号隔离电路及驱动芯片电路；所述输出接口模块包括电机接口及传感器接口；所述数据传输接口分别与所述信号隔离电路及传感器信号采集模块电连接；所述芯片电源接口分别与所述信号隔离电路、驱动芯片电路及传感器信号采集模块电连接；所述独立电源接口与所述驱动芯片电路电连接；所述驱动芯片电路与电机接口电连接；所述电机接口与一机械臂的电机电连接；所述传感器信号采集模块与传感器接口电连接；所述传感器接口与所述电机相配合使用的传感器连接；所述输入接口模块与一外部电源及外部总线电连接；所述外部电源分别与芯片电源接口及独立电源接口电连接，其给机械臂驱动模块供电；所述外部总线与数据传输接口电连接，其用于外部与机械臂驱动模块通信。

所述信号隔离电路对来自外部经过数据传输接口的电机控制信号进行隔离、放大，然后输送至所述驱动芯片电路，驱动芯片电路输出信号经电机接口至所述机械臂的电机上，控制电机的运行，从而驱动机械臂运行；所述驱动芯片电路包括电机驱动芯片及外围电路；所述电机驱动芯片指单个或多个并联使用的集成驱动芯片；所述多个并联使用的集成驱动芯片用于增大电机驱动模块的驱动能力；优选的，所述驱动芯片电路指由多个分立器件组成的至少两个半桥并联的驱动电路；多个半桥并联用于增大电机驱动模块的驱动能力。

所述传感器信号采集模块包括编码器信号采集电路、位置传感器信号采集电路或温度传感器信号采集电路中的一种或多种；所述编码器采集电路通过传感器接口与所述机械臂上的编码器电连接，其用于采集、处理编码器的信号；所述编码器采用一体式编码器或由码盘及光电开关组成的编码器；所述位置传感器信号采集电路与所述机械臂上的位置传感器电连接，其用于采集、处理位置传感器的信号；所述温度传感器信号采集电路与安装于所述机械臂电机上的温度传感器电连接，其用于检测所述电机的温度信号；所述传感器信号采集模块上还设有传感器选择开关，所述传感器选择开关用于选择编码器信号采集电路、位置传感器信号采集电路及温度传感器信号采集电路中的一种或多种工作；所述传感器信号采集模块通过数据传输接口与外部通信，即外部的控制信息通过数据传输接口输送至传感器信号采集模块，而传感器信号采集模块采集、量化的传感器信号通过数据传输接口输送至外部。

本发明的一种机器人组态驱动系统，其包括n(n>1)个所述机械臂驱动模块、模块选择电路、芯片电源、独立电源及总线接口；所述的机械臂驱动模块包括第一驱动模块、第二驱动模块及第n驱动模块；所述机械臂驱动模块的数量n由驱动对象即机器人的关节自由度数决定；n个机械臂驱动模块以组态形式置于机器人组态驱动系统内；所述模块选择电路分别与n个机械臂驱动模块电连接；所述芯片电源分别与n个机械臂驱动模块的芯片电源接口电连接；所述独立电源分别与n个机械臂驱动模块的独立电源接口电连接；所述总线接口分别与模块选择电路及n个机械臂驱动模块电连接，其是所述机器人组态驱动系统与外部通信的接口。

所述机器人组态驱动系统的芯片电源分别给n个机械臂驱动模块供电，同时还给模块选择电路供电；所述独立电源具有多路输出，且每路输出的能力不尽相同，即输出电压幅值不尽相同或输出最大电流不尽相同；所述独立电源给n个机械臂驱动模块的驱动芯片电路供电，每路输出能力不尽相同的独立电源以满足机械臂驱动模块驱动能力不同的要求。

所述机器人组态驱动系统的模块选择电路通过总线接口接收来自外部的控制信息，将控制信息解析、译码后，选择某一个或某几个机械臂驱动模块工作。

本发明的一种机器人控制系统，其包括所述机器人组态驱动系统及控制器；所述机器人组态驱动系统外接所述控制器，所述机器人组态驱动系统的总线接口与所述控制器电连接；所述控制器通过总线接口接收来自机器人组态驱动系统的信息，经分析、处理后发出控制信息至机器人组态驱动系统，模块选择电路解析、译码部分控制信息后选择某一或多个机械臂驱动模块工作，所述机械臂驱动模块控制与之电连接的电机或传感器工作，从而使相应机械臂运转，进而实现控制机械臂。

作为另一种优选的结构，所述控制器内置于机器人组态驱动系统内，其与总线接口电连接，并由芯片电源供电。

所述机器人控制系统的控制器包括处理器及输入模块；所述处理器采用个人电脑、工控机、PLC或其它由具有处理器功能的嵌入式系统；所述输入模块指给控制器输入控制参数及指令的电路模块。

所述机器人控制系统的控制器与一上位机或遥控器电连接，所述控制器接收来自上位机、遥控器或控制器内部的输入模块的控制参数及指令；所述上位机，采用工控机、个人PC、平板电脑、智能手机、嵌入式设备或其它终端机，上位机与控制器相互通信，即控制器把机器人组态驱动系统的信息传送给上位机，上位机对信息分析、处理后，发送控制参数及指令至控制器，控制器解析指令后控制机器人组态驱动系统驱动机器人的机械臂。

所述机器人控制系统，其控制方法，包括控制单个机械臂运行、控制多个机械臂运行及采集机器人机械臂的状态信息；所述控制单个机械臂运行，指控制器接收来自上位机、遥控器或者输入模块的控制参数及指令及机械臂驱动模块采集的某一机械臂的状态信息，综合处理后，发送控制信息至机械臂驱动模块，从而控制相应的电机运行，进而控制所述机械臂；所述控制多个机械臂运行，指控制器接收来自上位机、遥控器或者输入模块的控制参数及指令及机械臂驱动模块采集的所述多个机械臂的状态信息，综合处理后，发送控制信息至多个机械臂驱动模块，从而控制相应的多个电机运行，进而控制所述的多个机械臂；所述采集机器人机械臂的状态信息，包括机械臂的位置、姿态信息及电机的温度信息；所述状态信息用于对机器人机械臂实施闭环控制或供上位机使用。

本发明与现有技术相比，具有的有益效果是：

1.本发明的机械臂驱动模块，实现了机械臂驱动的模块化，并且机械臂驱动模块可组态；

2.本发明的机械臂驱动模块，具有采集多种传感器信息的功能，为机械臂的多样化控制提供硬件条件，也方便外部对机械臂的控制；

3.本发明的机械臂驱动模块的传感器信号采集电路上设有传感器选择开关，可选不同的传感器信号采集电路工作，能满足具有不同传感器机械臂的驱动要求；

4.本发明的机械臂驱动模块的驱动芯片电路采用多片集成芯片并联或多路由分立器件组成的半桥并联方式时，能满足不同机械臂的电机对驱动芯片电路驱动能力不同要求；

5.本发明的机器人组态驱动系统，采用多个机械臂驱动模块组态的方式组合系统，机械臂驱动模块的数量可以根据驱动对象即机器人的关节自由度改变，而且改变方便快捷；

6.本发明的机器人组态驱动系统的独立电源具有多路输出，且每路输出的能力不尽相同，能满足机械臂驱动模块驱动能力不同的要求；

7.本发明的机器人控制系统的实现方式有两种，控制器可以采用内置或者外接方式与机器人驱动系统组成机器人控制系统；

8.本发明的机器人控制系统的输入参数及指令的产生方式多种，其可以由上位机、遥控器或者控制器内部的输入模块产生。

附图说明

图1是本发明的机械臂驱动模块的结构框图；

图2是本发明的机械臂驱动模块的传感器信号采集模块的结构框图；

图3是本发明的机器人组态驱动系统的结构框图；

图4是本发明的外接控制器的机器人控制系统的结构框图；

图5是本发明的内置控制器的机器人控制系统的结构框图；

图6是本发明的控制器的结构框图；

图中：1.输入接口模块，2.电机驱动模块，3.传感器信号采集模块，4.输出接口模块，5.模块选择电路，6.芯片电源，7.独立电源，8.总线接口，9.控制器，10.数据传输接口，11.芯片电源接口，12.独立电源接口，20.信号隔离电路，21.驱动芯片电路，30.编码器信号采集电路，31.位置传感器信号采集电路，32.温度传感器信号采集电路，40.电机接口，41.传感器接口，90.输入模块，91.处理器，92.上位机，93.遥控器，1000.机械臂驱动模块，1001.第一驱动模块，1002.第二驱动模块，1003.第n驱动模块，2000.机器人驱动系统，3000.外接控制器的机器人控制系统，4000.内置控制器的机器人控制系统。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明中的具体实施例作进一步详细说明。

实施例一

参见图1，本发明的一种机械臂驱动模块1000，其包括输入接口模块1、电机驱动模块2、传感器信号采集模块3及输出接口模块4；所述输入接口模块1包括数据传输接口10、芯片电源接口11及独立电源接口12；所述电机驱动模块2包括电连接的信号隔离电路20及驱动芯片电路21；所述输出接口模块4包括电机接口40及传感器接口41；所述数据传输接口10分别与所述信号隔离电路20及传感器信号采集模块3电连接；所述芯片电源接口11分别与所述信号隔离电路20、驱动芯片电路21及传感器信号采集模块3电连接；所述独立电源接口12与所述驱动芯片电路21电连接；所述驱动芯片电路21与电机接口40电连接；所述电机接口40与一机械臂的电机电连接；所述传感器信号采集模块3与传感器接口41电连接；所述传感器接口41与所述电机相配合使用的传感器连接；所述输入接口模块1与一外部电源及外部总线电连接；所述外部电源分别与芯片电源接口11及独立电源接口12电连接，其给机械臂驱动模块1000供电；所述外部总线与数据传输接口10电连接，其用于外部与机械臂驱动模块1000通信。

参见图1，所述信号隔离电路20对来自外部经过数据传输接口10的电机控制信号进行隔离、放大，然后输送至所述驱动芯片电路21，驱动芯片电路21输出信号经电机接口40至所述机械臂的电机上，控制电机的运行，从而驱动机械臂运行；所述驱动芯片电路21包括电机驱动芯片及外围电路；所述电机驱动芯片指单个或多个并联使用的集成驱动芯片；所述多个并联使用的集成驱动芯片用于增大电机驱动模块2的驱动能力；优选的，所述驱动芯片电路21指由多个分立器件组成的至少两个半桥并联的驱动电路；多个半桥并联用于增大电机驱动模块2的驱动能力。

参见图2，所述传感器信号采集模块3包括编码器信号采集电路30、位置传感器信号采集电路31或温度传感器信号采集电路32中的一种或多种；所述编码器采集电路30通过传感器接口与所述机械臂上的编码器电连接，其用于采集、处理编码器的信号；所述编码器采用一体式编码器或由码盘及光电开关组成的编码器；所述位置传感器信号采集电路31与所述机械臂上的位置传感器电连接，其用于采集、处理位置传感器的信号；所述温度传感器信号采集电路32与安装于所述机械臂电机上的温度传感器电连接，其用于检测所述电机的温度信号；所述传感器信号采集模块3上还设有传感器选择开关，所述传感器选择开关用于选择编码器信号采集电路30、位置传感器信号采集电路31及温度传感器信号采集电路32中的一种或多种工作。请结合图1，所述传感器信号采集模块3通过数据传输接口10与外部通信，即外部的控制信息通过数据传输接口10输送至传感器信号采集模块3，而传感器信号采集模块3采集、量化的传感器信号通过数据传输接口10输送至外部。

请结合图1及3，本发明的一种机器人组态驱动系统2000，其包括n(n>1)个所述的机械臂驱动模块1000、模块选择电路5、芯片电源6、独立电源7及总线接口8；所述n个机械臂驱动模块1000包括第一驱动模块1001、第二驱动模块1002及第n驱动模块1003；所述机械臂驱动模块1000的数量n由驱动对象即机器人的关节自由度数决定；n个机械臂驱动模块1000以组态形式置于机器人组态驱动系统2000内；所述模块选择电路5分别与n个机械臂驱动模块1000电连接；所述芯片电源6分别与n个机械臂驱动模块1000的芯片电源接口11电连接；所述独立电源7分别与n个机械臂驱动模块1000的独立电源接口12电连接；所述总线接口8分别与模块选择电路5及n个机械臂驱动模块1000电连接，其是所述机器人组态驱动系统2000与外部通信的接口。

请结合图1及3，所述机器人组态驱动系统2000的芯片电源6分别给n个机械臂驱动模块1000供电，同时还给模块选择电路5供电；所述独立电源7具有多路输出，且每路输出的能力不尽相同，即输出电压幅值不尽相同或者输出最大电流不尽相同；所述独立电源7给n个机械臂驱动模块1000的驱动芯片电路21供电，每路输出能力不尽相同的独立电源7以满足机械臂驱动模块1000驱动能力不同的要求。

参见图3，所述机器人组态驱动系统2000的模块选择电路5通过总线接口8接收来自外部的控制信息，将控制信息解析、译码后，选择某一个或某几个机械臂驱动模块1000工作。

参见图4，本发明的一种机器人控制系统3000，其包括所述机器人组态驱动系统2000及控制器9；所述机器人组态驱动系统2000外接所述控制器9。请结合图3及1，所述机器人组态驱动系统2000的总线接8与所述控制器9电连接；所述控制器9与通过总线接口8接收来自机器人组态驱动系统2000的信息，经分析、处理后发出控制信息至机器人组态驱动系统2000，模块选择电路5解析、译码部分控制信息后选择某一或多个机械臂驱动模块1000工作，所述机械臂驱动模块1000控制与之电连接的电机或传感器工作，从而使相应机械臂运转，进而实现控制机械臂；

请结合图4及6，所述机器人控制系统3000的控制器9包括处理器91及输入模块90；所述处理器91采用个人电脑、工控机、PLC或其它由具有处理器功能的嵌入式系统；所述输入模块90指给控制器9输入控制参数及指令的电路模块。

参见图6，所述机器人控制系统3000的控制器9与一上位机92或遥控器93电连接；所述控制器9接收来自上位机92、遥控器93或控制器9内部的输入模块90的控制参数及指令；所述上位机92，采用工控机、个人PC、平板电脑、智能手机、嵌入式设备或其它终端机，上位机92与控制器9相互通信，即控制器9把机器人组态驱动系统2000的信息传送给上位机，上位机92对信息分析、处理后，发送控制参数及指令至控制器9，控制器9解析指令后控制机器人组态驱动系统2000驱动机器人的机械臂。

所述机器人控制系统3000，其控制方法，包括控制单个机械臂运行、控制多个机械臂运行及采集机器人机械臂的状态信息。请结合图1、4及6，所述控制单个机械臂运行，指控制器9接收来自上位机92、遥控器93或者输入模块90的控制参数及指令及机械臂驱动模块1000采集的某一机械臂的状态信息，综合处理后，发送控制信息至机械臂驱动模块1000，从而控制相应的电机运行，进而控制所述机械臂；所述控制多个机械臂运行，指控制器9接收来自上位机92、遥控器93或者输入模块90的控制参数及指令及机械臂驱动模块1000采集的所述多个机械臂的状态信息，综合处理后，发送控制信息至多个机械臂驱动模块1000，从而控制相应的多个电机运行，进而控制所述多个机械臂；所述采集机器人机械臂的状态信息，包括机械臂的位置、姿态信息及电机的温度信息；所述状态信息用于对机器人机械臂实施闭环控制或供上位机92使用。

实施例二

本实施例除以下特征外其他结构同实施例一：参见图5，本实施例的机器人控制系统4000的控制器9-1内置于机器人组态驱动系统内，其与总线接口电连接，并由芯片电源供电。

实施例三

本实施例除以下特征外其他结构同实施例一：参见图6，本实施例的机器人控制系统的控制器9的控制参数及指令仅由输入模块90控制。

虽然上面已经给出了本发明的一些示例性实施例，但是本领域的技术人员将理解，在不脱离本发明的原理或精神的情况下，可以对这些示例性的实施例做出改变，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种机械臂驱动模块，其包括输入接口模块、电机驱动模块、传感器信号采集模块及输出接口模块；

所述输入接口模块包括数据传输接口、芯片电源接口及独立电源接口；

所述电机驱动模块包括电连接的信号隔离电路及驱动芯片电路；

所述输出接口模块包括电机接口及传感器接口；

所述数据传输接口分别与所述信号隔离电路及传感器信号采集模块电连接；所述芯片电源接口分别与所述信号隔离电路、驱动芯片电路及传感器信号采集模块电连接；所述独立电源接口与所述驱动芯片电路电连接；所述驱动芯片电路与电机接口电连接；所述电机接口与一机械臂的电机电连接；所述传感器信号采集模块与传感器接口电连接；所述传感器接口与所述电机相配合使用的传感器连接；所述输入接口模块与一外部电源及外部总线电连接；

所述外部电源分别与芯片电源接口及独立电源接口电连接，其给机械臂驱动模块供电；所述外部总线与数据传输接口电连接，其用于外部与机械臂驱动模块通信。

2.根据权利要求1所述机械臂驱动模块，其特征在于，所述信号隔离电路对来自外部经过数据传输接口的电机控制信号进行隔离、放大，然后输送至所述驱动芯片电路，驱动芯片电路输出信号经电机接口至所述机械臂的电机上，控制电机的运行，从而驱动机械臂运行；

所述驱动芯片电路包括电机驱动芯片及外围电路；所述电机驱动芯片指单个或多个并联使用的集成驱动芯片；所述多个并联使用的集成驱动芯片用于增大电机驱动模块的驱动能力；

优选的，所述驱动芯片电路指由多个分立器件组成的至少两个半桥并联的驱动电路；多个半桥并联用于增大电机驱动模块的驱动能力。

3.根据权利要求1所述机械臂驱动模块，其特征在于，所述传感器信号采集模块包括编码器信号采集电路、位置传感器信号采集电路或温度传感器信号采集电路中的一种或多种；

所述编码器采集电路通过传感器接口与所述机械臂上的编码器电连接，其用于采集、处理编码器的信号；所述编码器采用一体式编码器或由码盘及光电开关组成的编码器；

所述位置传感器信号采集电路与所述机械臂上的位置传感器电连接，其用于采集、处理位置传感器的信号；

所述温度传感器信号采集电路与安装于所述机械臂电机上的温度传感器电连接，其用于检测所述电机的温度信号；

所述传感器信号采集模块上还设有传感器选择开关，所述传感器选择开关用于选择编码器信号采集电路、位置传感器信号采集电路及温度传感器信号采集电路中的一种或多种工作；

所述传感器信号采集模块通过数据传输接口与外部通信，即外部的控制信息通过数据传输接口输送至传感器信号采集模块，而传感器信号采集模块采集、量化的传感器信号通过数据传输接口输送至外部。

4.一种机器人组态驱动系统，其包括n(n>1)个权利要求1所述的机械臂驱动模块、模块选择电路、芯片电源、独立电源及总线接口；

所述的n个机械臂驱动模块包括第一驱动模块、第二驱动模块及第n驱动模块；所述机械臂驱动模块的数量n由驱动对象即机器人的关节自由度数决定；n个机械臂驱动模块以组态形式置于机器人组态驱动系统内；

所述模块选择电路分别与n个机械臂驱动模块电连接；所述芯片电源分别与n个机械臂驱动模块的芯片电源接口电连接；所述独立电源分别与n个机械臂驱动模块的独立电源接口电连接；

所述总线接口分别与模块选择电路及n个机械臂驱动模块电连接，其是所述机器人组态驱动系统与外部通信的接口。

5.根据权利要求4所述机器人组态驱动系统，其特征在于，所述芯片电源分别给n个机械臂驱动模块供电，同时还给模块选择电路供电；

所述独立电源具有多路输出，且每路输出的能力不尽相同，即输出电压幅值不尽相同或输出最大电流不尽相同；所述独立电源给n个机械臂驱动模块的驱动芯片电路供电，每路输出能力不尽相同的独立电源以满足机械臂驱动模块驱动能力不同的要求。

6.根据权利要求4所述机器人组态驱动系统，其特征在于，所述模块选择电路通过总线接口接收来自外部的控制信息，将控制信息解析、译码后，选择某一个或某几个机械臂驱动模块工作。

7.一种机器人控制系统，其包括权利要求4所述的机器人组态驱动系统及控制器；所述机器人组态驱动系统外接所述控制器，所述机器人组态驱动系统的总线接口与所述控制器电连接；

所述控制器通过总线接口接收来自机器人组态驱动系统的信息，经分析、处理后发出控制信息至机器人组态驱动系统，然后模块选择电路解析、译码部分控制信息后选择某一或多个机械臂驱动模块工作，所述机械臂驱动模块控制与之电连接的电机或传感器工作，从而使相应机械臂运转，进而实现控制机械臂；

所述控制器或内置于机器人组态驱动系统内，其与总线接口电连接，并由芯片电源供电。

8.根据权利要求7所述机器人控制系统，其特征在于，所述控制器包括处理器及输入模块；所述处理器采用个人电脑、工控机、PLC或其它由具有处理器功能的嵌入式系统；所述输入模块指给控制器输入控制参数及指令的电路模块。

9.根据权利要求8所述机器人控制系统，其特征在于，所述控制器与一上位机或遥控器电连接；所述控制器接收来自上位机、遥控器或控制器内部的输入模块的控制参数及指令；所述上位机，采用工控机、个人PC、平板电脑、智能手机、嵌入式设备或其它终端机，上位机与控制器通信，即控制器把机器人组态驱动系统的信息传送给上位机，上位机对信息分析、处理后，发送控制参数及指令至控制器，控制器解析指令后控制机器人组态驱动系统驱动机器人的机械臂。

10.根据权利要求7所述机器人控制系统，其特征在于，其控制方法，包括控制单个机械臂运行、控制多个机械臂运行及采集机器人机械臂的状态信息；

所述控制单个机械臂运行，指控制器接收来自上位机、遥控器或者输入模块的控制参数及指令及机械臂驱动模块采集的某一机械臂的状态信息，综合处理后，发送控制信息至机械臂驱动模块，从而控制相应的电机运行，进而控制所述机械臂；

所述控制多个机械臂运行，指控制器接收来自上位机、遥控器或者输入模块的控制参数及指令及机械臂驱动模块采集的所述多个机械臂的状态信息，综合处理后，发送控制信息至多个机械臂驱动模块，从而控制相应的多个电机运行，进而控制所述的多个机械臂；

所述采集机器人机械臂的状态信息，包括机械臂的位置、姿态信息及电机的温度信息；所述状态信息用于对机器人机械臂实施闭环控制或供上位机使用。