CN106426228B - 模块化机器人教学系统 - Google Patents

Abstract

一种模块化机器人教学系统，包括工作台、以及安装在工作台上的工作目标、模块化机器人、控制系统和通信系统；所述模块化机器人通过通信系统与控制系统交换信息并受控于控制系统，工作目标通过变位机安装在工作台上，变位机一侧设有监控工作目标的视角装置，所述视角装置通过通信系统与控制系统连接并受控于控制系统，所述变位机通过通信系统与控制系统连接并受控于控制系统；所述模块化机器人为串联式模块化机器人，模块的关节与关节之间的机械安装接口相同，从而实现模块与模块之间的相互替换和自由组合。该教学系统可操作性强，贴近工业生产，实用性强，模块与模块之间可以互相替换、方便拆卸和自由组装，通用性强，便于进行二次开发。

Description

模块化机器人教学系统

技术领域

本发明涉及一种教学设备，特别涉及一种用于教学的模块化机器人教学系统。

背景技术

目前市场上有很多生产模块化机器人的厂家，其主要思想是把机器人平台用一套有不同尺寸和性能特征的模块来组成，利用模块化的组件能迅速组合成具有柔性高、容错性能强且价格低的模块机器人。目前这种机器人的机械结构、能源控制、系统控制高度集成化，如果应用于工业生产有其潜在的优势，但是应用到实际的教学中，这些优势却又成为劣势，主要体现在以下几个方面：

1．模块化机器人实训设备可操作性不强

模块化机器人目前一般是由PC机集成控制，PC机控制系统是生产厂家利用VB等语音程序开发的系统来控制设备的运行，没有对外接口，仅仅能在原有系统操作环境下做比较简单的操作项目，对目前教学来说没有实际意义；而一些PLC控制系统中控制程序高度集成化，进行个性化的程序编写不易实现，可操控程度非常低；在这种情况下，该模块化机器人的运行对于教学而言目前仅仅停留在示教操作阶段，远远没有达到可离线编程控制的地步；

2．模块化机器人在教学中目前仅孤立运行，实用性不强

而现有模块化机器人在教学中所能设定的任务目标非常简单，就是用示教再现的方法搬运几个固定在铁架台上的圆柱，而且无法自动识别，与现实工业生产中对机器人的要求相差很远，实用性不强（现实工业机器人作用一般都是和其他设备配合来完成特定的任务，比如常见的焊接机器人往往和变位机一起来完成焊接任务，变位机与机器人协调工作，使得焊接过程存在的平、横、立、仰问题归结为平焊过程，以提高焊接强度，降低焊接工艺的复杂程度，进而提高焊接的质量和效率）；

3．模块集成化，实践教学能力差

教学性模块化机器人要求能方便拆卸和自由组装，同时对模块化机器人平台的控制器、传感器、执行器等部件能够自行改装或设计，只有这样才能训练学生的编程、电气控制、机械设计、传感器应用及伺服驱动等方方面面的能力，增强学生对机器人技术全面的了解；而现有模块化机器人的生产厂家为了降低成本，往往采用集成化程度很高的模块，模块与模块之间采用链式连接，由于厂家已经设立了相应的标准，安装后一般不允许随便拆卸，二次开发的空间受到极大限制，不能满足教学的要求。

发明内容

本发明的目的是以模块化串联机器人为基础，提供一套实用性强的模块化机器人教学系统，以克服上述已有技术所存在的不足。

本发明采取的技术方案是：一种模块化机器人教学系统，包括工作台、以及安装在工作台上的工作目标、模块化机器人、控制系统和通信系统；

所述模块化机器人通过通信系统与控制系统交换信息并受控于控制系统，工作目标通过变位机安装在工作台上，变位机一侧设有监控工作目标的视觉装置，所述视觉装置通过通信系统与控制系统连接并受控于控制系统，所述变位机通过通信系统与控制系统连接并受控于控制系统；

所述模块化机器人为串联式模块化机器人、即构成模块化机器人的N块模块通过关节串联连接，模块的关节与关节之间的机械安装接口相同，从而实现模块与模块之间的相互替换和自由组合；所述模块包括圆周回转模块和前后摆动模块，圆周回转模块即I型模块用于实现回转运动，前后摆动模块即T 型模块用于实现前后摆运动；I型模块与T 型模块交叉安装：即第一I型模块与第一T 型模块连接，第一T 型模块与第二I型模块连接，第二I型模块与第二T 型模块连接，如此类推，模块化机器人末端模块为末端执行机构；所述模块化机器人设有伺服驱动单元，所述伺服驱动单元通过通信系统与控制系统交换信息，并根据控制系统的指令，驱动模块化机器人和末端执行机构执行设定的动作；上述N为3～6之间的任意整数；

所述通信系统包括主通信和辅通信，主通信采用modbus通信，辅通信采用现场总线通信；

所述控制系统包括人机交互控制单元、视觉控制单元、变位机控制单元和运动控制单元，所述人机交互控制单元通过modbus通信与视觉控制单元、变位机控制单元和运动控制单元交换信息，所述运动控制单元通过现场总线通信与模块化机器人伺服驱动单元交换信息，所述视觉控制单元通过现场总线通信与视觉装置交换信息，变位机控制单元通过现场总线通信与变位机交换信息；

所述视觉控制单元用于：

（1）通过视觉装置对模块化机器人的运行状况进行实时监控，并将获得的信息反馈给运动控制单元，供运动控制单元判断模块化机器人运行的平稳性和变位机的协调性；

（2）基于视觉装置，增强模块化机器人的柔性操作性能，使其末端执行机构得以实现自动蔽障、识别颜色和抓取物体的功能；

（3）进行离线示教或自动引导作业；

所述变位机控制单元用于：接收人机交互控制单元通过通信系统发来的指令，控制变位机与模块化机器人的协调运动；

所述运动控制单元是模块化机器人的核心，用于根据人机交互控制单元的指令，通过伺服驱动单元驱动模块化机器人的运行，包括：

（1）优化模块化机器人的运动路径；

（2）规划模块化机器人各个模块的运动类型，包括：点到点即PTP运动、直线运动和圆弧运动；

（3）使末端执行机构按照规划的轨迹以一定的速度执行规定的动作；

所述人机交互控制单元用于：

（1）根据视觉控制单元反馈的信息，向运动控制单元发出指令，通过伺服驱动单元控制模块化机器人或模块化机器人某个模块的运动；

（2）根据视觉控制单元反馈的信息，向变位机控制单元发出指令，从而控制变位机与模块化机器人的协调运动；

（3）根据模块化机器人发回的运行状态信息，通过伺服驱动单元调整模块化机器人的运动。

其进一步的技术方案是：所述人机交互控制单元包括上位机PC机、触摸屏、PLC主站和N个PLC从站，PLC主站分别与PC机和触摸屏连接，N个PLC从站分别与PLC主站连接并受PLC主站控制，PC机作为上位机通过PLC主站实现与N个PLC从站的人机交互控制，N个PLC从站分别控制模块化机器人的N个模块，控制末端执行机构的PLC从站为独立模块。

更进一步：所述模块化机器人、控制系统和通信系统的配电布线系统全部设置在上置式电气装置面板上，所述PLC主站、PC机和触摸屏设在上置式电气装置面板上；所述电气装置面板上设有为整个模块化机器人教学系统提供工作电源的电源模块。

所述伺服驱动单元包括与机器人各关节一一对应的关节控制器，所述关节控制器包括电机、编码器和驱动器，所述关节控制器用于根据人机交互控制单元发出的指令，通过改变电机转角、转速和转矩，驱动模块化机器人的模块执行设定的动作，驱动末端执行机构按照规划的轨迹以一定的速度运行并跟踪目标并产生相应的信息，反馈给人机交互系统。

所述变位机设有回转机构和前后摆动机构；所述工作台上设置有运动限位装置，包括软限位装置和硬限位装置；所述软限位装置包括安装在模块化机器人相应位置的传感器和安装在工作台设定位置的磁钢体，所述传感器包括霍尔传感器或光电传感器，所述工作台设定位置包括零点和限位点；当模块化机器人运动到设定位置时，模块化机器人的传感器检测到磁钢体，从而获取零点或限位点的位置信息；所述硬限位采用金属挡块或挡销，设置在软限位装置的磁钢体后面，在软限位出现失效的情况下，通过硬限位来强行阻止模块化机器人运行。

所述视觉装置包括摄像头、处理器和升降架，所述末端执行机构或为气动气爪、或为真空吸盘或喷枪。

所述模块化机器人教学系统或通过上位机PC机利用VB程序语言编写相应程序，开发出控制模块化机器人的操作界面，实现人机交互控制，或利用组态技术以触摸屏为载体开发出控制模块化机器人的交互系统，从而形成双控制系统，每一个控制系统可以独立操作。

由于采取上述技术方案，本发明之模块化机器人教学系统具有如下有益效果：

1．模块与模块之间可以互相替换、方便拆卸和自由组装，通用性强

所述模块化机器人为串联式模块化机器人，模块化机器人关节与关节之间的机械安装接口相同，模块与模块之间可以互相替换，可随意拆卸，便于进行二次开发；而控制末端执行机构的PLC从站为独立模块，末端执行机构或为气动气爪、或为真空吸盘或喷枪，可根据作业要求不同进行互换，硬件的互换对于系统控制没有任何影响这样更加能够增强模块化机器人的通用性；

2. 可操作性强

所述模块化机器人、控制系统和通信系统的配电布线系统全部设置在上置式电气装置面板上，所述PLC主站、PC机和触摸屏设在上置式电气装置面板上，所述电气装置面板上设有为整个模块化机器人教学系统提供工作电源的电源模块，这样的结构设计使得对PLC控制系统的操作非常方便，在教学过程中，使学生对机器人电气控制的了解更为深刻；增强了实训课程中的可操作性；由于增加了触摸屏设备，可进行个性化的程序编写，增强人机互动以便更好的应用于教学；

3．贴近工业生产，实用性强

本发明将工作目标设在变位机上，使模块化机器人与变位机协调运动，并配备跟踪工作目标的视觉系统，既可通过视觉系统进行离线示教或自动引导作业，又可增强机器人的柔性操作性能，基于视觉系统，模块化机器人末端执行机构能够实现自动蔽障，抓取物体，颜色识别等功能，从而增强实训教学设备的实用性，使实训设备更加贴近现实生产中的工业机器人；

4．通信系统采用现场总线系统来实现，现场总线 PROFIBUS开放性比较高，通用性强，能提供了多种数据传输类型：如用于DP和FMS的RS485传输、用于PA的IEC1158- 2传输及光纤、红外传输等；

5．PC本身作为上位机可以通过VB等程序语言编写相应程序，开发出控制模块化机器人的操作界面，实现人机交互控制；另一方面利用组态技术也可以开发出控制模块化机器人的交互系统，实现双系统控制系统设计，可在教学中拓宽学生的知识面；

6．由于工作台上设置有运动限位装置，包括软限位装置和硬限位装置；使模块化机器人能准确检测到初始位置和限位点，在软限位出现失效的情况下，利用挡块或挡销可强制限制伺服驱动机构停止运动。

下面结合附图和实施例对本发明之模块化机器人教学系统的技术特征作进一步的说明。

附图说明

图1：本发明之模块化机器人教学系统总体结构示意图；

图2：本发明之模块化机器人教学系统原理框图；

图3：本发明之模块化机器人教学系统模块之间通信关系示意图；

图4：模块化机器人与变位机协调运动示意图；

图5：通过上位机操作流程图；

图6：通过触摸屏操作流程图；

图中：

1—控制系统，101—人机交互单元，1011—PC机， 1012—触摸屏，1013—S7-200主站1014—S7-200从站，102—视觉控制单元，103—变位机控制单元，104—运动控制单元，2—模块化机器人，201—伺服驱动单元，202—关节模块，203—末端执行机构，3—视觉装置，301—相机， 302—处理器，303—升降架，4—限位装置，5—变位机，6—工作台， 7—电气装置面板，8—工作目标，9—电源模块。

具体实施方式

一种模块化机器人教学系统，包括工作台、以及安装在工作台上的工作目标、模块化机器人、控制系统和通信系统；

所述模块化机器人通过通信系统与控制系统交换信息并受控于控制系统，工作目标通过变位机安装在工作台上，变位机一侧设有监控工作目标的视觉装置，所述视觉装置通过通信系统与控制系统连接并受控于控制系统，所述变位机通过通信系统与控制系统连接并受控于控制系统；

所述模块化机器人为串联式模块化机器人、即构成模块化机器人的N块模块通过关节串联连接，模块的关节与关节之间的机械安装接口相同，从而实现模块与模块之间的相互替换和自由组合；所述模块包括圆周回转模块和前后摆动模块，圆周回转模块即I型模块用于实现回转运动，前后摆动模块即T 型模块用于实现前后摆运动；I型模块与T 型模块交叉安装：即第一I型模块与第一T 型模块连接，第一T 型模块与第二I型模块连接，第二I型模块与第二T 型模块连接，如此类推，模块化机器人末端模块为末端执行机构；所述模块化机器人设有伺服驱动单元，所述伺服驱动单元通过通信系统与控制系统交换信息，并根据控制系统的指令，驱动模块化机器人和末端执行机构执行设定的动作；上述N为3～6之间的任意整数；

所述通信系统包括主通信和辅通信，主通信采用modbus通信，辅通信采用现场总线通信；

所述控制系统包括人机交互控制单元、视觉控制单元、变位机控制单元和运动控制单元，所述人机交互控制单元通过modbus通信与视觉控制单元、变位机控制单元和运动控制单元交换信息，所述运动控制单元通过现场总线通信与模块化机器人伺服驱动单元交换信息，所述视觉控制单元通过现场总线通信与视觉装置交换信息，变位机控制单元通过现场总线通信与变位机交换信息；

所述视觉控制单元用于：

（1）通过视觉装置对模块化机器人的运行状况进行实时监控，并将获得的信息反馈给运动控制单元，供运动控制单元判断模块化机器人运行的平稳性和变位机的协调性；

（2）基于视觉装置，增强模块化机器人的柔性操作性能，使其末端执行机构得以实现自动蔽障、识别颜色和抓取物体的功能；

（3）进行离线示教或自动引导作业；

所述变位机控制单元用于：接收人机交互控制单元通过通信系统发来的指令，控制变位机与模块化机器人的协调运动；

所述运动控制单元是模块化机器人的核心，用于根据人机交互控制单元的指令，通过伺服驱动单元驱动模块化机器人的运行，包括：

（1）优化模块化机器人的运动路径；

（2）规划模块化机器人各个模块的运动类型，包括：点到点即PTP运动、直线运动和圆弧运动；

（3）使末端执行机构按照规划的轨迹以一定的速度执行规定的动作；

所述人机交互控制单元用于：

（1）根据视觉控制单元反馈的信息，向运动控制单元发出指令，通过伺服驱动单元控制模块化机器人或模块化机器人某个模块的运动；

（2）根据视觉控制单元反馈的信息，向变位机控制单元发出指令，从而控制变位机与模块化机器人的协调运动；

（3）根据模块化机器人发回的运行状态信息，通过伺服驱动单元调整模块化机器人的运动。

所述人机交互控制单元包括上位机PC机、触摸屏、PLC主站和N个PLC从站，PLC主站分别与PC机和触摸屏连接，N个PLC从站分别与PLC主站连接并受PLC主站控制，PC机作为上位机通过PLC主站实现与N个PLC从站的人机交互控制，N个PLC从站分别控制模块化机器人的N个模块，控制末端执行机构的PLC从站为独立模块。

所述模块化机器人、控制系统和通信系统的配电布线系统全部设置在上置式电气装置面板上，所述PLC主站、PC机和触摸屏设在上置式电气装置面板上；所述电气装置面板上设有为整个模块化机器人教学系统提供工作电源的电源模块。

所述伺服驱动单元包括与机器人各关节一一对应的关节控制器，所述关节控制器包括电机、编码器和驱动器，所述关节控制器用于根据人机交互控制单元发出的指令，通过改变电机转角、转速和转矩，驱动模块化机器人的模块执行设定的动作，驱动末端执行机构按照规划的轨迹以一定的速度运行并跟踪目标并产生相应的信息，反馈给人机交互系统。

所述变位机设有回转机构和前后摆动机构；所述工作台上设置有运动限位装置，包括软限位装置和硬限位装置；所述软限位装置包括安装在模块化机器人相应位置的传感器和安装在工作台设定位置的磁钢体，所述传感器包括霍尔传感器或光电传感器，所述工作台设定位置包括零点和限位点；当模块化机器人运动到设定位置时，模块化机器人的传感器检测到磁钢体，从而获取零点或限位点的位置信息；所述硬限位采用金属挡块或挡销，设置在软限位装置的磁钢体后面，在软限位出现失效的情况下，通过硬限位来强行阻止模块化机器人运行。

所述视觉装置包括摄像头、处理器和升降架，所述末端执行机构或为气动气爪、或为真空吸盘或喷枪。

所述模块化机器人教学系统或通过上位机PC机利用VB程序语言编写相应程序，开发出控制模块化机器人的操作界面，实现人机交互控制，或利用组态技术以触摸屏为载体开发出控制模块化机器人的交互系统，从而形成双控制系统，每一个控制系统可以独立操作。

Claims (7)

1.一种模块化机器人教学系统，包括工作台、以及安装在工作台上的工作目标、模块化机器人、控制系统和通信系统；其特征在于：

所述模块化机器人通过通信系统与控制系统交换信息并受控于控制系统，工作目标通过变位机安装在工作台上，变位机一侧设有监控工作目标的视觉装置，所述视觉装置通过通信系统与控制系统连接并受控于控制系统，所述变位机通过通信系统与控制系统连接并受控于控制系统；

所述模块化机器人为串联式模块化机器人、即构成模块化机器人的N块模块通过关节串联连接，模块的关节与关节之间的机械安装接口相同，从而实现模块与模块之间的相互替换和自由组合；

所述模块包括圆周回转模块和前后摆动模块，圆周回转模块即I型模块用于实现回转运动，前后摆动模块即T 型模块用于实现前后摆运动；I型模块与T 型模块交叉安装：即第一I型模块与第一T 型模块连接，第一T 型模块与第二I型模块连接，第二I型模块与第二T型模块连接，如此类推，模块化机器人末端模块为末端执行机构；

所述模块化机器人设有伺服驱动单元，所述伺服驱动单元通过通信系统与控制系统交换信息，并根据控制系统的指令，驱动模块化机器人和末端执行机构执行设定的动作；

上述N为3～6之间的任意整数；

所述通信系统包括主通信和辅通信，主通信采用modbus通信，辅通信采用现场总线通信；

所述控制系统包括人机交互控制单元、视觉控制单元、变位机控制单元和运动控制单元；

所述人机交互控制单元通过modbus通信与视觉控制单元、变位机控制单元和运动控制单元交换信息，所述运动控制单元通过现场总线通信与模块化机器人伺服驱动单元交换信息，所述视觉控制单元通过现场总线通信与视觉装置交换信息，变位机控制单元通过现场总线通信与变位机交换信息；

所述视觉控制单元用于：

（1）通过视觉装置对模块化机器人的运行状况进行实时监控，并将获得的信息反馈给运动控制单元，供运动控制单元判断模块化机器人运行的平稳性和变位机的协调性；

（2）基于视觉装置，增强模块化机器人的柔性操作性能，使其末端执行机构得以实现自动蔽障、识别颜色和抓取物体的功能；

（3）进行离线示教或自动引导作业；

所述变位机控制单元用于：接收人机交互控制单元通过通信系统发来的指令，控制变位机与模块化机器人的协调运动；

所述运动控制单元是模块化机器人的核心，用于根据人机交互控制单元的指令，通过伺服驱动单元驱动模块化机器人的运行，包括：

（1）优化模块化机器人的运动路径；

（2）规划模块化机器人各个模块的运动类型，包括：点到点即PTP运动、直线运动和圆弧运动；

（3）使末端执行机构按照规划的轨迹以一定的速度执行规定的动作；

所述人机交互控制单元用于：

（1）根据视觉控制单元反馈的信息，向运动控制单元发出指令，通过伺服驱动单元控制模块化机器人或模块化机器人某个模块的运动；

（2）根据视觉控制单元反馈的信息，向变位机控制单元发出指令，从而控制变位机与模块化机器人的协调运动；

（3）根据模块化机器人发回的运行状态信息，通过伺服驱动单元调整模块化机器人的运动。

2.如权利要求1所述的模块化机器人教学系统，其特征在于：所述人机交互控制单元包括上位机PC机、触摸屏、PLC主站和N个PLC从站，PLC主站分别与PC机和触摸屏连接，N个PLC从站分别与PLC主站连接并受PLC主站控制，PC机作为上位机通过PLC主站实现与N个PLC从站的人机交互控制，N个PLC从站分别控制模块化机器人的N个模块，控制末端执行机构的PLC从站为独立模块。

3.如权利要求2所述的模块化机器人教学系统，其特征在于：所述模块化机器人、控制系统和通信系统的配电布线系统全部设置在上置式电气装置面板上，所述PLC主站、PC机和触摸屏设在上置式电气装置面板上；所述电气装置面板上设有为整个模块化机器人教学系统提供工作电源的电源模块。

4.如权利要求3所述的模块化机器人教学系统，其特征在于：所述伺服驱动单元包括与机器人各关节一一对应的关节控制器，所述关节控制器包括电机、编码器和驱动器，所述关节控制器用于根据人机交互控制单元发出的指令，通过改变电机转角、转速和转矩，驱动模块化机器人模块执行设定的动作，驱动末端执行机构按照规划的轨迹以一定的速度运行并跟踪目标并产生相应的信息，反馈给人机交互系统。

5.如权利要求4所述的模块化机器人教学系统，其特征在于：所述变位机设有回转机构和前后摆动机构；所述工作台上设置有运动限位装置，包括软限位装置和硬限位装置；

所述软限位装置包括安装在模块化机器人相应位置的传感器和安装在工作台设定位置的磁钢体，所述传感器包括霍尔传感器或光电传感器，所述工作台设定位置包括零点和限位点；当模块化机器人运动到设定位置时，模块化机器人的传感器检测到磁钢体，从而获取零点或限位点的位置信息；

所述硬限位采用金属挡块或挡销，设置在软限位装置的磁钢体后面，在软限位出现失效的情况下，通过硬限位来强行阻止模块化机器人运行。

6.如权利要求5所述的模块化机器人教学系统，其特征在于：所述视觉装置包括摄像头、处理器和升降架，所述末端执行机构或为气动气爪、或为真空吸盘或喷枪。

7.如权利要求6所述的模块化机器人教学系统，其特征在于：所述模块化机器人教学系统或通过上位机PC机利用VB程序语言编写相应程序，开发出控制模块化机器人的操作界面，实现人机交互控制，或利用组态技术以触摸屏为载体开发出控制模块化机器人的交互系统，从而形成双控制系统，每一个控制系统可以独立操作。