CN106272484A - 一种多异构工业机器人控制系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种多异构工业机器人控制系统。该系统提供了一个分布式的多异构工业机器人控制系统结构，所述系统由异构机器人执行层、异构控制器计算层、上位机组态层三个部分构成；特别地，工业机器人的异构控制器之间可以运行同一套控制算法组态程序，并且不同类型的PLC或IPC控制器之间可以通过数据交换软件实现不同机器人之间实时控制数据的共享和同步，从而提高多个异构机器人间协同控制的实时性和有效性。

Description

一种多异构工业机器人控制系统
技术领域
本发明属于工业自动化软件控制技术领域，具体为一种多异构工业机器人控制系统。
背景技术
当前工业机器人广泛应用于各种环境中，面临着越来越复杂的工序，用户对产品的质量、效率要求也越来越高。为克服单机器人操作时遇到的一些工作空间不可达、效率低等缺点，现有技术通常采用多机器人协同操作。目前现有的多工业机器人的控制结构存在几个主要的问题，一是普遍采用工业机器人原有的专用控制器，这种专用控制器的配置在出厂时已针对机器人的关节数和精度要求预先设计好，应用成本很高；二是大多数多机器人协同控制的研究是针对同一种品牌的机器人开展的，而对于不同品牌的异构机器人的研究较少；三是工业机器人编程系统通常采用示教编程的方法，示教工作很繁琐，编程灵活性差，而且效率低下。
专利CN 201610023068.0、CN201410649607.2是目前最接近本发明方法的现有技术。前者提出了一种面向不同类型多工业机器人的群控系统及方法，但其应用对象主要是针对不同构性和不同关节数量的机器人群体，而且用户只可选择支持某种通信协议的通用计算机作为机器人的控制器，而无法自主地选配稳定性、可靠性更高的不同品牌来源的PLC作为机器人的控制“大脑”。除此之外，其编程系统主要采用的仍是示教编程或离线编程的方法对机器人进行实时控制，实际应用时也不具备足够的灵活性。后者则提出了一种多机器人焊接系统的群控装置及方法，该方法中所有机器人都配备带有CC-LINK通讯卡的独立控制器，PLC作为主控器对各个机器人工作任务进行协调、监控，但并未涉及PLC类型的选配，以及不同类型控制器间的数据通信。
发明内容
本发明的目的在于基于现有技术的不足，提出一种多异构工业机器人控制系统，用于解决现有异构多机器人控制系统难以自主选择PLC控制器的类型、扩展性差，不同类型的机器人控制器难以运行相同控制算法，编程灵活性不足、效率低，控制效果不理想等技术问题。
为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种多异构工业机器人控制系统，包括异构机器人执行层、异构控制器计算层、上位机组态层；
所述异构机器人执行层包括N台不同类型的工业机器人，每台工业机器人均由含多个关节的机械臂本体和多个关节驱动模块构成，用于驱动机器人位姿动作的执行；
所述异构控制器计算层包括N’个不同类型的PLC或IPC控制器，每个控制器均由计算模块、内存区域、通信模块构成；每个控制器的功能是用于：A、执行来自上位机组态层的用户控制指令；B、计算工业机器人各个关节的实时运动控制数据；C、采集由工业机器人关节驱动模块反馈而来的机械臂本体的实时状态数据；所述状态数据包括各个关节的角度、速度、末端位姿，以及启停、复位、异常的状态数据和报警数据；
所述上位机组态层包括一组工程数据组态软件、控制算法组态软件、人机交互组态软件和数据交换软件。
在本发明一实施例中，所述工程数据组态软件为不同品牌来源的、不同类型的工业机器人及其控制器设备提供IO数据库模板；用户只需根据生产工艺的需要，选好机器人IO点配置及其对应控制器的类型，即可自动地为其生成相应的控制设备，将每个机器人快速地关联到对应的机架、模块和控制器上，从而形成一个分布式的工程IO数据库。
在本发明一实施例中，所述控制算法组态软件用于编写规划机器人动作的图形化的控制算法组态程序，并可离线或在线下载至异构控制器中计算执行；特别地，工业机器人的异构控制器之间能够运行相同的控制算法组态程序。
在本发明一实施例中，所述人机交互组态软件用于编写控制系统的人机交互组态程序，通过程序界面，用户能够实时地监控和分析各个机器人工作任务的执行情况。
在本发明一实施例中，所述数据交换软件由虚拟控制器和数据通信模块构成，用于不同品牌、不同型号的PLC或IPC构成的异构控制器之间的数据通信与交换；所述虚拟控制器的功能是负责模拟实物控制器的计算行为，其采用了与PLC、IPC控制器相同的数据存储规范，能够接收来自控制组态软件的组态数据，经过运算后产生相应的输出，具备执行控制算法组态程序的功能；所述数据通信模块的功能是利用虚拟控制器与不同品牌的控制器之间进行数据通信中转，从而间接地实现异构控制器之间的数据交互。
在本发明一实施例中，所述虚拟控制器通过配置多个虚拟的网络通信节点，分别与各个PLC或IPC控制器相对应，用于寄存来自各个PLC或IPC控制器的输入输出模块的实时数据；所述数据通信模块包含了针对多种不同类型PLC、IPC控制器特定通信协议的接口模块，用户接收和发送来自各个PLC或IPC控制器的输入输出模块的实时数据；所述输入输出模块的实时数据包括模拟量输入输出、数字量输入输出、以及中间模拟量与数字量多种类型。
在本发明一实施例中，所述机器人关节驱动模块和控制器均设有支持统一通信协议的以太网接口，每个工业机器人本体、控制器和上位机组态软件之间均可通过工业以太网建立连接，从而形成一个多异构机器人控制系统的分布式通信网络。
在本发明一实施例中，所述控制系统支持内存共享方式的网络通信，与以太网互为备用；具体地，控制算法组态软件与人机交互组态软件可通过共享内存的方式与数据交互软件的虚拟控制器进行数据共享；每个PLC或IPC控制器也可通过共享内存的方式与虚拟控制器内部的各个节点建立联系；每个PLC或IPC控制器可通过以太网按照特定的通信协议与异构机器人执行层进行数据交互。
相较于现有技术，本发明具有以下有益效果：
1、采用本发明方法的工业生产用户可以为自己的工厂自主地选择不同制造商生产的不同种类的工业机器人，应用灵活、可扩展性好；
2、使用本发明方法，用户可以不再使用工业机器人原有的专用控制器，而是可以根据生产过程工艺环节的复杂性，自主地选择更可靠、稳定和经济的PLC、IPC控制器作为机器人控制硬件，并且控制器的品牌、型号和数量均可根据生产需求灵活选配；从而大大地提高了多机器人控制系统扩展的灵活性和方便性，提高控制资源的利用率资源；
3、此外，本发明方法中不同类型的工业机器人还可以执行相同的控制组态算法，异构工业机器人之间的协同控制更加灵活、高效。
附图说明
图1为本发明中多异构工业机器人控制系统的结构示意图。
图2为本发明中基于内存共享的数据通信原理示意图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的技术方案进行具体说明。
本发明的一种多异构工业机器人控制系统，包括异构机器人执行层、异构控制器计算层、上位机组态层；
所述异构机器人执行层包括N台不同类型的工业机器人，每台工业机器人均由含多个关节的机械臂本体和多个关节驱动模块构成，用于驱动机器人位姿动作的执行；
所述异构控制器计算层包括N’个不同类型的PLC或IPC控制器，每个控制器均由计算模块、内存区域、通信模块构成；每个控制器的功能是用于：A、执行来自上位机组态层的用户控制指令；B、计算工业机器人各个关节的实时运动控制数据；C、采集由工业机器人关节驱动模块反馈而来的机械臂本体的实时状态数据；所述状态数据包括各个关节的角度、速度、末端位姿，以及启停、复位、异常的状态数据和报警数据；
所述上位机组态层包括一组工程数据组态软件、控制算法组态软件、人机交互组态软件和数据交换软件。所述工程数据组态软件为不同品牌来源的、不同类型的工业机器人及其控制器设备提供IO数据库模板；用户只需根据生产工艺的需要，选好机器人IO点配置及其对应控制器的类型，即可自动地为其生成相应的控制设备，将每个机器人快速地关联到对应的机架、模块和控制器上，从而形成一个分布式的工程IO数据库。所述控制算法组态软件用于编写规划机器人动作的图形化的控制算法组态程序，并可离线或在线下载至异构控制器中计算执行；特别地，工业机器人的异构控制器之间能够运行相同的控制算法组态程序。所述人机交互组态软件用于编写控制系统的人机交互组态程序，通过程序界面，用户能够实时地监控和分析各个机器人工作任务的执行情况。所述数据交换软件由虚拟控制器和数据通信模块构成，用于不同品牌、不同型号的PLC或IPC构成的异构控制器之间的数据通信与交换；所述虚拟控制器的功能是负责模拟实物控制器的计算行为，其采用了与PLC、IPC控制器相同的数据存储规范，能够接收来自控制组态软件的组态数据，经过运算后产生相应的输出，具备执行控制算法组态程序的功能；所述数据通信模块的功能是利用虚拟控制器与不同品牌的控制器之间进行数据通信中转，从而间接地实现异构控制器之间的数据交互。所述虚拟控制器通过配置多个虚拟的网络通信节点，分别与各个PLC或IPC控制器相对应，用于寄存来自各个PLC或IPC控制器的输入输出模块的实时数据；所述数据通信模块包含了针对多种不同类型PLC、IPC控制器特定通信协议的接口模块，用户接收和发送来自各个PLC或IPC控制器的输入输出模块的实时数据；所述输入输出模块的实时数据包括模拟量输入输出、数字量输入输出、以及中间模拟量与数字量多种类型。
所述机器人关节驱动模块和控制器均设有支持统一通信协议的以太网接口，每个工业机器人本体、控制器和上位机组态软件之间均可通过工业以太网建立连接，从而形成一个多异构机器人控制系统的分布式通信网络。所述控制系统支持内存共享方式的网络通信，与以太网互为备用；具体地，控制算法组态软件与人机交互组态软件可通过共享内存的方式与数据交互软件的虚拟控制器进行数据共享；每个PLC或IPC控制器也可通过共享内存的方式与虚拟控制器内部的各个节点建立联系；每个PLC或IPC控制器可通过以太网按照特定的通信协议与异构机器人执行层进行数据交互。
以下为本发明的具体实现过程。
如图1-2所示，本发明提供的一种多异构工业机器人控制系统，其主要特征之一在于：提供了一个分布式的多异构工业机器人控制系统结构，所述系统由异构机器人执行层、异构控制器计算层、上位机组态层三个部分构成。特别地，本发明中的工业机器人的异构控制器之间可以运行同一套控制算法组态程序，并且不同类型的PLC或IPC控制器之间可以通过数据交换软件，实现不同机器人之间实时控制数据的共享和同步，从而提高多个异构机器人间协同控制的实时性和有效性。
1）所述异构工业机器人是指不同制造商生产的多个工业机器人，它们的构型既可以相同，也可以不同；他们的软硬件平台，包括硬件结构，操作系统，原有的编程语言和控制方法，都存在很大的差异。
2）所述异构控制器指的是不同厂商生产的、不同型号的多个PLC或IPC控制器，同样的，它们的软硬件平台，包括硬件结构、操作系统，原有的编程环境，都存在很大的不同。
3）所述异构机器人执行层包括N台不同类型的工业机器人，每台机器人由含多个关节的机械臂本体和多个关节驱动模块构成，用于驱动机器人位姿动作的执行。
4）所述异构控制器计算层包括N’个不同类型的PLC或IPC控制器，每个控制器均由计算模块、内存区域、通信模块构成，且品牌、型号和数量均可由用户自主选定；每个控制器的功能是用于：A、执行来自上位机组态层的用户控制指令；B、计算机器人各个关节的实时运动控制数据；C、采集由机器人关节驱动模块反馈而来的机械臂本体的实时状态数据。所述状态数据包括各个关节的角度、速度、末端位姿，以及启停、复位、异常等状态数据和报警数据。
5）所述上位机组态层包括一组工程数据组态软件、控制算法组态软件、人机交互组态软件和数据交换软件。其中：
A、所述工程数据组态软件可以为不同品牌来源的、不同类型的工业机器人及其控制器设备提供IO数据库模板。用户只需根据生产工艺的需要，选好机器人IO点配置及其对应控制器的类型，即可自动地为生成相应的控制设备，将每个机器人快速地关联到对应的机架、模块和控制器上，从而形成一个分布式的工程IO数据库。
B、所述控制算法组态软件用于编写规划机器人动作的图形化的控制算法组态程序，并可离线或在线下载至异构控制器中计算执行；特别地，工业机器人的异构控制器之间可以运行相同的控制算法组态程序；
C、所述人机交互组态软件用于编写控制系统的人机交互组态程序，通过程序界面，用户可以实时地监控和分析各个机器人工作任务的执行情况。
D、所述数据交换软件由虚拟控制器和数据通信模块构成，用于不同品牌、不同型号的PLC或IPC构成的异构控制器之间的数据通信与交换。所述虚拟控制器的功能是负责模拟实物控制器的计算行为，其采用了与PLC、IPC控制器相同的数据存储规范，可以接收来自控制组态软件的组态数据，经过运算后产生相应的输出，具备执行控制算法组态程序的功能。所述数据通信模块的功能是利用虚拟控制器与不同品牌的控制器之间进行数据通信中转，从而间接地实现异构控制器之间的数据交互。具体方法是：
所述虚拟控制器通过配置多个虚拟的网络通信节点，分别与各个PLC或IPC控制器（即实物控制器）相对应，用于寄存来自实物控制器的输入输出模块的实时数据。所述数据通信模块包含了针对多种不同类型PLC、IPC控制器特定通信协议的接口模块，用户接收和发送来自各个实物控制器的输入输出模块的实时数据。所述输入输出模块的实时数据可包括模拟量输入输出（AI、AO）、数字量输入输出（DI、DO）、以及中间模拟量与数字量（LA、LD）多种类型。
6）为降低系统结构的复杂性，提高网络通信的效率，所述机器人关节驱动模块和控制器均设有支持统一通信协议的以太网接口，每个工业机器人本体、控制器和上位机组态软件之间均可通过工业以太网建立连接，从而形成一个多异构机器人控制系统的分布式通信网络。
同时，所述控制系统也支持内存共享方式的网络通信，与以太网互为备用，进一步提高系统网络的实时性和可靠性。具体地，控制算法组态软件与人机交互组态软件可通过共享内存的方式与数据交互软件的虚拟控制器进行数据共享；每个PLC或IPC控制器也可通过共享内存的方式与虚拟控制器内部的各个节点建立联系；每个PLC或IPC控制器可通过以太网按照特定的通信协议与异构机器人执行层进行数据交互。
以上是本发明的较佳实施例，凡依本发明技术方案所作的改变，所产生的功能作用未超出本发明技术方案的范围时，均属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种多异构工业机器人控制系统，其特征在于：包括异构机器人执行层、异构控制器计算层、上位机组态层；
所述异构机器人执行层包括N台不同类型的工业机器人，每台工业机器人均由含多个关节的机械臂本体和多个关节驱动模块构成，用于驱动机器人位姿动作的执行；
所述异构控制器计算层包括N’个不同类型的PLC或IPC控制器，每个控制器均由计算模块、内存区域、通信模块构成；每个控制器的功能是用于：A、执行来自上位机组态层的用户控制指令；B、计算工业机器人各个关节的实时运动控制数据；C、采集由工业机器人关节驱动模块反馈而来的机械臂本体的实时状态数据；所述状态数据包括各个关节的角度、速度、末端位姿，以及启停、复位、异常的状态数据和报警数据；
所述上位机组态层包括一组工程数据组态软件、控制算法组态软件、人机交互组态软件和数据交换软件。
2.根据权利要求1所述的一种多异构工业机器人控制系统，其特征在于：所述工程数据组态软件为不同品牌来源的、不同类型的工业机器人及其控制器设备提供IO数据库模板；用户只需根据生产工艺的需要，选好机器人IO点配置及其对应控制器的类型，即可自动地为其生成相应的控制设备，将每个机器人快速地关联到对应的机架、模块和控制器上，从而形成一个分布式的工程IO数据库。
3.根据权利要求1所述的一种多异构工业机器人控制系统，其特征在于：所述控制算法组态软件用于编写规划机器人动作的图形化的控制算法组态程序，并可离线或在线下载至异构控制器中计算执行；特别地，工业机器人的异构控制器之间能够运行相同的控制算法组态程序。
4.根据权利要求1所述的一种多异构工业机器人控制系统，其特征在于：所述人机交互组态软件用于编写控制系统的人机交互组态程序，通过程序界面，用户能够实时地监控和分析各个机器人工作任务的执行情况。
5.根据权利要求1所述的一种多异构工业机器人控制系统，其特征在于：所述数据交换软件由虚拟控制器和数据通信模块构成，用于不同品牌、不同型号的PLC或IPC构成的异构控制器之间的数据通信与交换；所述虚拟控制器的功能是负责模拟实物控制器的计算行为，其采用了与PLC、IPC控制器相同的数据存储规范，能够接收来自控制组态软件的组态数据，经过运算后产生相应的输出，具备执行控制算法组态程序的功能；所述数据通信模块的功能是利用虚拟控制器与不同品牌的控制器之间进行数据通信中转，从而间接地实现异构控制器之间的数据交互。
6.根据权利要求5所述的一种多异构工业机器人控制系统，其特征在于：所述虚拟控制器通过配置多个虚拟的网络通信节点，分别与各个PLC或IPC控制器相对应，用于寄存来自各个PLC或IPC控制器的输入输出模块的实时数据；所述数据通信模块包含了针对多种不同类型PLC、IPC控制器特定通信协议的接口模块，用户接收和发送来自各个PLC或IPC控制器的输入输出模块的实时数据；所述输入输出模块的实时数据包括模拟量输入输出、数字量输入输出、以及中间模拟量与数字量多种类型。
7.根据权利要求1所述的一种多异构工业机器人控制系统，其特征在于：所述机器人关节驱动模块和控制器均设有支持统一通信协议的以太网接口，每个工业机器人本体、控制器和上位机组态软件之间均可通过工业以太网建立连接，从而形成一个多异构机器人控制系统的分布式通信网络。
8.根据权利要求1所述的一种多异构工业机器人控制系统，其特征在于：所述控制系统支持内存共享方式的网络通信，与以太网互为备用；具体地，控制算法组态软件与人机交互组态软件可通过共享内存的方式与数据交互软件的虚拟控制器进行数据共享；每个PLC或IPC控制器也可通过共享内存的方式与虚拟控制器内部的各个节点建立联系；每个PLC或IPC控制器可通过以太网按照特定的通信协议与异构机器人执行层进行数据交互。
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