CN106003023A - 机器人运动控制系统和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种机器人运动控制系统和方法，其中，该方法包括：控制器，用于将被控机器人各个轴在笛卡尔坐标系下的空间位置坐标与被控机器人轴关节空间位置进行转换，得到所述被控机器人的轴的目的位置，并根据所述目标位置生成控制指令；驱动器，通过总线与所述控制器相连，用于根据所述控制指令驱动所述被控机器人中的电机运动到所述目的位置；电机，与所述驱动器相连，用于在所述驱动器的驱动下转动。本发明解决了现有技术中对机器人进行控制的过程中所存在的控制准确性低、成本高的技术问题，达到了简单准确地对机器人进行运动控制的技术效果。
Description
技术领域
本发明涉及机器控制技术领域，具体而言，涉及一种机器人运动控制系统和方法。
背景技术
随着智能化水平的不断提高，对机器人的研究也逐渐增多，目前的工业机器人已经越来越智能，不仅可以与人聊天，还可以为人们执行一些简单的操作，例如，端茶倒水等等。
这些诸如端茶倒水等需要运动四肢的机器人技术，必然需要涉及到对机器人各个关节运动的控制，主要是一种轴控制方式。目前的轴控运动大多还是通过硬件相互之间的配合实现的，控制起来准确性不高，且成本高昂。
针对上述问题，目前尚未提出有效的解决方案。
发明内容
本发明实施例提供了一种机器人运动控制系统，该系统包括：
控制器，用于将被控机器人各个轴在笛卡尔坐标系下的空间位置坐标与被控机器人轴关节空间位置进行转换，得到所述被控机器人的轴的目的位置，并根据所述目标位置生成控制指令；
驱动器，通过总线与所述控制器相连，用于根据所述控制指令驱动所述被控机器人中的电机运动到所述目的位置；
电机，与所述驱动器相连，用于在所述驱动器的驱动下转动。
在一个实施方式中，上述机器人运动控制系统还包括：
编码器，连接在所述驱动器和所述电机之间，用于确定所述电机的转向、转速和转子转过的角度。
在一个实施方式中，所述总线为PowerLink总线。
在一个实施方式中，所述控制器包括：
算法模块，用于将被控机器人各个轴在笛卡尔坐标系下的空间位置坐标与被控机器人轴关节空间位置进行转换，得到所述被控机器人的轴的目的位置；
轴控模块，与所述算法模块相连，用于根据所述目标位置生成控制指令。
在一个实施方式中，所述被控机器人为6自由度机器人。
本发明实施例还提供了一种机器人运动控制方法，该方法包括：
获取被控机器人各个轴的位置信息；
将所述各个轴的位置信息转换为笛卡尔坐标系下的空间位置坐标；
将所述笛卡尔坐标系下的空间位置坐标与被控机器人轴关节空间位置进行转换，得到所述被控机器人的轴的目的位置；
控制所述被控机器人的轴运动到所述目的位置。
在一个实施方式中，控制所述被控机器人的轴运动到所述目的位置，包括：
根据所述目的位置下发运动控制指令至轴控软件；
所述轴控软件将所述运动控制指令通过总线下发至驱动器；
所述驱动器根据所述控制指令控制所述被控机器人的轴运动到所述目的位置。
在一个实施方式中，所述轴控软件为CNC轴控软件。
在一个实施方式中，所述驱动器根据所述控制指令控制所述被控机器人的轴运动到所述目的位置，包括：
所述驱动器对所述控制指令进行解析，得到对应于所述目的位置的编码器信息；
根据所述编码器信息驱动电机，以使所述被控机器人的轴运动到所述目的位置。
在一个实施方式中，获取被控机器人各个轴的位置信息，包括：
通过编码器的反馈确定所述被控机器人各个轴的位置信息。
在上述实施例中，通过将被控机器人各个轴在笛卡尔坐标系下的空间位置坐标与被控机器人轴关节空间位置进行转换，得到所述被控机器人的轴的目的位置，并根据所述目标位置生成控制指令的方式，使得只要设计好转换的算法就可以简单准确地实现对机器人的运动控制，从而解决了现有技术中对机器人进行控制的过程中所存在的控制准确性低、成本高的技术问题，达到了简单准确地对机器人进行运动控制的技术效果。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是根据本发明实施例的机器人运动控制系统结构示意图；
图2是根据本发明实施例的机器人运动控制方法的方法流程图；
图3是根据本发明实施例的机器人运动控制系统的另一结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施方式和附图，对本发明做进一步详细说明。在此，本发明的示意性实施方式及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。
在本发明实施例中，提供了一种机器人运动控制系统，如图1所示，包括：
控制器101，用于将被控机器人各个轴在笛卡尔坐标系下的空间位置坐标与被控机器人轴关节空间位置进行转换，得到所述被控机器人的轴的目的位置，并根据所述目标位置生成控制指令；
驱动器102，通过总线与所述控制器相连，用于根据所述控制指令驱动所述被控机器人中的电机运动到所述目的位置；
电机103，与所述驱动器相连，用于在所述驱动器的驱动下转动。
在上例中，通过将被控机器人各个轴在笛卡尔坐标系下的空间位置坐标与被控机器人轴关节空间位置进行转换，得到所述被控机器人的轴的目的位置，并根据所述目标位置生成控制指令的方式，使得只要设计好转换的算法就可以简单准确地实现对机器人的运动控制，从而解决了现有技术中对机器人进行控制的过程中所存在的控制准确性低、成本高的技术问题，达到了简单准确地对机器人进行运动控制的技术效果。
对于电机的控制主要是对电机的转向、转速和转子转过的角度等进行的控制，为此，可以在上述机器人运动控制系统中设置编码器，编码器连接在驱动器102和电机103之间，用于确定电机103的转向、转速和转子转过的角度，当然也可以是下发具体的电机的转向、转速和转子转过的角度等信息以驱动电机运转到相应的位置。
上述的总线可以选择PowerLink总线，实时通信技术PowerLink总线是一项在标准以太网介质上，用于解决工业控制及数据采集领域数据传输实时性的技术。
具体实现的时候，控制器可以划分为两个模块：
1)算法模块，该算法模块中可以集成有运动学、动力学的算法库，用于将被控机器人各个轴在笛卡尔坐标系下的空间位置坐标与被控机器人轴关节空间位置进行转换，得到所述被控机器人的轴的目的位置；
2)轴控模块，可以集成基于CNC(Computer numerical control，计算机数字控制机床)的轴控软件，与算法模块相连，用于根据所述目标位置生成控制指令。
其中，CNC是一种由程序控制的自动化机床，该控制系统能够逻辑地处理具有控制编码或其他符号指令规定的程序，通过计算机将其译码，从而使机床执行规定好了的动作，通过刀具切削将毛坯料加工成半成品成品零件。因此，可以基于CNC的基础上，加入一种机器人的算法转换，实现基于CNC的工业机器人运动控制。
上述被控机器人可以是6自由度机器人，所谓的6自由度机器人就是自由度为6的机器人，这6个度主要是：
1)手腕的旋扭角度范围：T轴(0度～360度)；
2)手腕的弯曲运动范围：B轴(-45度～120度)；
3)手腕的横摆运动范围：R轴(-150度～150度)；
4)小臂的摆动范围：U轴(-75度～120度)；
5)大臂的摆动范围：L轴(-75度～120度)；
6)腰部旋转角度范围：S轴(-160度～160度)。
自由度是确定一个系统在空间中的位置所需要的最小坐标数。例如：火车车厢沿铁轨的运动，只需从某一起点站沿铁轨量出路程，就可完全确定车厢所在的位置，即其位置用一个量就可确定，我们说火车车厢的运动有一个自由度；汽车能在地面上到处运动，自由程度比火车大些，需要用两个量(例如：直角坐标x和y)才能确定其位置，我们说汽车的运动有两个自由度；飞机能在空中完全自由地运动，需要用三个量(例如：直角坐标x、y和z)才能确定其位置，我们说飞机在空中的运动有三个自由度。所谓自由度数就是确定物体在空间的位置所需独立坐标的数目。
在本例中，还提供了一种机器人运动控制方法，如图2所示，可以包括以下步骤：
步骤201：获取被控机器人各个轴的位置信息；
步骤202：将所述各个轴的位置信息转换为笛卡尔坐标系下的空间位置坐标；
步骤203：将所述笛卡尔坐标系下的空间位置坐标与被控机器人轴关节空间位置进行转换，得到所述被控机器人的轴的目的位置；
步骤204：控制所述被控机器人的轴运动到所述目的位置。
具体的，在上述步骤204中，可以按照以下方式控制被控机器人的轴运动到所述目的位置：根据所述目的位置下发运动控制指令至轴控软件，轴控软件将运动控制指令通过总线下发至驱动器，驱动器根据所述控制指令控制所述被控机器人的轴运动到所述目的位置。
即，控制器所生成的控制指令显示被下发至轴控软件生成适应于驱动器的指令，然后驱动器控制轴进行运动至目的位置，以实现机器人的运动控制，该轴控软件可以是CNC轴控软件，当然也可以选择其它的轴控软件，本例仅是将CNC轴控软件作为一个具体的示例性说明。
在驱动器根据控制指令控制被控机器人的轴运动到目的位置的时候，可以通过编码器实现，即，驱动器可以先对控制指令进行解析，得到对应于目的位置的编码器信息，然后根据编码器信息驱动电机，以使被控机器人的轴运动到目的位置。
在上述步骤201中，可以通过编码器的反馈确定被控机器人各个轴的位置信息。
在上述实施例中，通过将被控机器人各个轴在笛卡尔坐标系下的空间位置坐标与被控机器人轴关节空间位置进行转换，得到所述被控机器人的轴的目的位置，并根据所述目标位置生成控制指令的方式，使得只要设计好转换的算法就可以简单准确地实现对机器人的运动控制，从而解决了现有技术中对机器人进行控制的过程中所存在的控制准确性低、成本高的技术问题，达到了简单准确地对机器人进行运动控制的技术效果。
本发明实施例中还提供了一个具体实施例对上述机器人运动控制系统和方法进行说明，然而值得注意的是，该具体实施例仅是为了更好地说明本发明，并不构成对本发明的不当限定。
在本例中以6自由度机器人的控制为例进行说明，其本质是对与6个关节的电机的控制，考虑到CNC数控技术经历了几十年的发展已经十分的成熟，因此可以基于CNC的基础上，加入机器人的算法转换，以实现对机器人的控制。具体的实施方法如下：
如图3所示，X86平台运行VxWorks的RTOS(实施操作系统)的控制器、驱动器、电机组成。控制器中包括了Powerlink总线的主站的接口(在FPGA中运行)，轴1～6代表机器人关节的6个电机，驱动1～6代表机器人的6个电机的驱动器。
每个轴关节的位置由电机的编码器反馈，由驱动器获取，并通过Powerlink总线传送到控制器中。在获取到每一个轴的位置信息之后，算法库将其转换成笛卡尔坐标系下的空间位置坐标信息。
进一步的，建立机器人的笛卡尔坐标系与机器人关节空间的转换，控制器在获取到轴的位置信息之后，通过算法库进行机器人的笛卡尔空间与机器人轴关节空间的位置转换，计算出机器人关节轴的目的位置，然后下发运动控制的指令给CNC轴控软件。
CNC轴控软件在接收到转换空间的轴控指令之后，可以将轴控指令通过Powerlink总线下发到驱动器中，驱动器通过Powerlink从主站接收数据并解析数据。
驱动器在解析完轴控指令之后，可以下发目的位置的编码器信息，驱动电机运转到相应的位置，而此时6个电机的位置信息就是通过算法库转换之后，机器人要运动到的目的位置。
通过该具体实施例所提供的方案，大大降低了机器人专用控制器的开发成本，同时利用了CNC的成熟技术，可以进行多通道的控制，即可以一个控制器控制多台机器人，也可以添加附加轴。进一步的，排除了硬件设计带来的风险，基于CNC的机器人运动控制转换算法软件包，降低了软件的设计风险，缩短了市场投入时间。
从以上的描述中，可以看出，本发明实施例实现了如下技术效果：通过将被控机器人各个轴在笛卡尔坐标系下的空间位置坐标与被控机器人轴关节空间位置进行转换，得到所述被控机器人的轴的目的位置，并根据所述目标位置生成控制指令的方式，使得只要设计好转换的算法就可以简单准确地实现对机器人的运动控制，从而解决了现有技术中对机器人进行控制的过程中所存在的控制准确性低、成本高的技术问题，达到了简单准确地对机器人进行运动控制的技术效果。
显然，本领域的技术人员应该明白，上述的本发明实施例的各模块或各步骤可以用通用的计算装置来实现，它们可以集中在单个的计算装置上，或者分布在多个计算装置所组成的网络上，可选地，它们可以用计算装置可执行的程序代码来实现，从而，可以将它们存储在存储装置中由计算装置来执行，并且在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤，或者将它们分别制作成各个集成电路模块，或者将它们中的多个模块或步骤制作成单个集成电路模块来实现。这样，本发明实施例不限制于任何特定的硬件和软件结合。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明实施例可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种机器人运动控制系统，其特征在于，包括：
控制器，用于将被控机器人各个轴在笛卡尔坐标系下的空间位置坐标与被控机器人轴关节空间位置进行转换，得到所述被控机器人的轴的目的位置，并根据所述目标位置生成控制指令；
驱动器，通过总线与所述控制器相连，用于根据所述控制指令驱动所述被控机器人中的电机运动到所述目的位置；
电机，与所述驱动器相连，用于在所述驱动器的驱动下转动。
2.根据权利要求1所述的机器人运动控制系统，其特征在于，还包括：
编码器，连接在所述驱动器和所述电机之间，用于确定所述电机的转向、转速和转子转过的角度。
3.根据权利要求1所述的机器人运动控制系统，其特征在于，所述总线为PowerLink总线。
4.根据权利要求1所述的机器人运动控制系统，其特征在于，所述控制器包括：
算法模块，用于将被控机器人各个轴在笛卡尔坐标系下的空间位置坐标与被控机器人轴关节空间位置进行转换，得到所述被控机器人的轴的目的位置；
轴控模块，与所述算法模块相连，用于根据所述目标位置生成控制指令。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的机器人运动控制系统，其特征在于，所述被控机器人为6自由度机器人。
6.一种机器人运动控制方法，其特征在于，包括：
获取被控机器人各个轴的位置信息；
将所述各个轴的位置信息转换为笛卡尔坐标系下的空间位置坐标；
将所述笛卡尔坐标系下的空间位置坐标与被控机器人轴关节空间位置进行转换，得到所述被控机器人的轴的目的位置；
控制所述被控机器人的轴运动到所述目的位置。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，控制所述被控机器人的轴运动到所述目的位置，包括：
根据所述目的位置下发运动控制指令至轴控软件；
所述轴控软件将所述运动控制指令通过总线下发至驱动器；
所述驱动器根据所述控制指令控制所述被控机器人的轴运动到所述目的位置。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述轴控软件为CNC轴控软件。
9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述驱动器根据所述控制指令控制所述被控机器人的轴运动到所述目的位置，包括：
所述驱动器对所述控制指令进行解析，得到对应于所述目的位置的编码器信息；
根据所述编码器信息驱动电机，以使所述被控机器人的轴运动到所述目的位置。
10.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，获取被控机器人各个轴的位置信息，包括：
通过编码器的反馈确定所述被控机器人各个轴的位置信息。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20161012 |
|
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |