CN106873604A - 基于无线通讯的智能多机器人控制系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于无线通讯的智能多机器人控制系统，包括中控系统、工业机器人工作站系统和移动机器人运送系统，中控系统，包括工业PC和工业机器人控制系统，工业机器人控制系统包括PLC处理器模块，PLC处理器模块通过EtherCAT与工业PC相连；工业机器人工作站系统，包括工业机器人，工业机器人均为6DOF的串联机器人，工业机器人的控制系统包括嵌入式运动控制器、伺服驱动器、传感器和控制开关；嵌入式运动控制器通过EtherCAT连接工业PC，通过数字输入输出接口分别连接伺服驱动器、传感器和控制开关；移动机器人运送系统包括机载计算机、嵌入式ARM控制器、电机驱动、编码器、惯性测量单元、激光雷达和无线WIFI通讯模块。本发明具有开发效率高，算法实现容易的特点。

Description

基于无线通讯的智能多机器人控制系统
技术领域
本发明属于自动化领域，具体涉及一种基于机器人操作系统ROS和无线通讯的智能多机器人控制系统，主要用于对机械零部件加工装配等的全自动化生产线领域。
背景技术
目前工业机器人技术已经趋于成熟，并应用到了各工业自动化生产线中，但是工业机器人仍旧采取示教再现的工作模式，对于一款新的加工产品编程任务异常繁重。在对生产线的柔性制造能力要求不断提高的背景下，对工业机器人软件开发的高效性、可移植性等方面也提出了更高的要求。同时，随着物联网技术的不断推进和工业4.0智慧工厂的提出，要求生产线的全自动化程度进一步提高，要求协调工作站工业机器人系统与工业机器人运送系统，最终形成无人全智能型的自动化生产线。随着近年出现的机器人操作系统ROS为这一工作提供了良好平台，ROS系统基于一种点对点的软件通讯机制，同时包括了串联式工业机器人控制算法组件，工业机器人定位导航功能组件及各种通讯组件，而且可以集成OpenCV、OROCOS等开源软件，大大提高了多机器人协作的智能型控制系统的开发效率。
基于无线通讯的多机器人控制系统，需要进行工业机器人的运动学及轨迹规划求解、移动机器人的运动学及路径规划与定位导航计算，以及各机器人之间的通讯和协同作业调度，对于控制系统硬件和控制算法实现有着较高要求，现有技术在工业机器人及移动机器人的实时协同作业方面还存在不足。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是提供基于无线通讯的智能多机器人控制系统，可以实现全自动化无人生产线。
本发明的目的是通过这样的技术方案实现的，一种基于无线通讯的智能多机器人控制系统，包括中控系统、工业机器人工作站系统和工业机器人运送系统，中控系统，包括工业PC和工业机器人控制系统，工业机器人控制系统包括PLC处理器模块，PLC处理器模块通过EtherCAT与工业PC相连；工业机器人工作站系统，包括工业机器人，工业机器人均为6DOF的串联机器人，工业机器人的控制系统包括嵌入式运动控制器、伺服驱动器、传感器和控制开关；嵌入式运动控制器通过EtherCAT连接工业PC，通过数字输入输出接口分别连接伺服驱动器、传感器和控制开关；工业机器人运送系统包括机载计算机、嵌入式ARM控制器、电机驱动、编码器、惯性测量单元、激光雷达和无线WIFI通讯模块。
进一步，所述工业PC中安装UBUNTU操作系统与机器人操作系统ROS及Moveit！组件，并安装OROCOS开源机器人控制软件包；工业PC与PLC处理器模块及嵌入式运动控制器之间采用socket通讯，工业PC与工业机器人采用无线WIFI通讯；工业PC发送指令至嵌入式运动控制器，并接收嵌入式运动控制器反馈的编码器数据；所述工业机器人的机载计算机与嵌入式运动控制器均安装UBUNTU操作系统与机器人操作系统ROS及Moveit！组件。
进一步，所述工业PC使用机器人操作系统ROS中的话题实现工业PC上节点与工业机器人嵌入式运动控制器上节点、工业机器人机载计算机上节点的通讯；工业PC获取工业机器人传递过来的所处的空间位置信息，将运动指令传递给工业机器人嵌入式运动控制器。
进一步，所述的工业PC调用ROS的Moveit！并结合OROCOS软件包的KDL组件进行工业机器人运动学计算和轨迹规划，通过socket向工业机器人嵌入式运动控制器发送目标位置指令，并实时获取工业机器人当前位置，同时利用机器人操作系统ROS中Rviz工具实时显示工业机器人的运动。
进一步，所述工业机器人运送系统包括底层运动控制模块(该模块的作用是什么)、信号采集与处理模块(该模块的作用是什么)、路径规划和定位导航算法模块(该模块的作用是什么)；
进一步，路径规划和定位导航模块通过A*最优路径算法以costmap的最小代价路径作为工业机器人运动的全局路径，使用动态窗口法进行局部路径规划，并利用AMCL算法对工业机器人的位姿进行跟踪；所述的A*最优路径算法是基于深度优先的启发式搜索算法；所述动态窗口法在速度空间(v，w)中进行多组数据的采样得到多组轨迹的估计，对这些轨迹进行评价，选取出最优局部轨迹对应的速度发布给机器人；所述AMCL算法是自主工业机器人在二维环境下的一种基于概率的定位系统，它采用自适应或者KLD采样蒙特卡洛方法进行定位，并且使用粒子滤波对工业机器人在地图中进行位姿跟踪。
由于采用了上述技术方案，本发明具有如下的优点：
本发明采用ROS软件和OROCOS开源软件包进行工业机器人控制系统软件开发，具有开发效率高，算法实现容易的特点，并利用A*最优路径算法和AMCL算法进行移动机器人定位导航和路径规划完成了移动机器人的控制软件开发，最终通过无线通讯网络实现了智能多机器人控制系统的开发。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述，其中：
图1为本发明工业机器人工作站系统示意图；
图2为本发明基于无线通讯的多机器人控制系统示意图；
图3为本发明工业PC与工业机器人及工业机器人的节点与话题示意图。
具体实施方式
以下将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述；应当理解，优选实施例仅为了说明本发明，而不是为了限制本发明的保护范围。
附图1为本发明的工业机器人工作站系统，包括装配机器人1、焊接机器人3、打磨机器人4、测量机器人2及逆装配机器人5，各机器人均为包括嵌入式运动控制器的6DOF，各工位配备工装夹具；工业机器人嵌入式运动控制器与所述的中控系统之间利用socket通讯，接收中控系统下发的控制指令并反馈编码器信号；工业机器人嵌入式运动控制器与PLC处理器、PLC I/O之间通过Modbus总线通信；
附图2为本发明的基于无线通讯的多机器人控制系统，包括工业PC、工业机器人控制系统与通讯系统、工业机器人运送系统；其中，工业机器人控制系统包括：变压器、空气开关、滤波器、接触器、继电器、开关电源、PLC处理器模块，用于控制各工业机器人的启动和停止，其中，PLC处理器模块通过EtherCAT与工业PC相连；工业机器人工作站系统，包括装配机器人、焊接机器人、打磨机器人、测量机器人及逆装配机器人，各机器人均为6DOF的串联机器人，其控制系统包括嵌入式运动控制器、伺服驱动器、传感器和控制开关；嵌入式运动控制器通过EtherCAT连接工业PC，通过数字输入输出接口分别连接伺服驱动器、传感器和控制开关；工业机器人运送系统，包括机载计算机、嵌入式ARM控制器、电机驱动、编码器、惯性测量单元、激光雷达和无线WIFI通讯模块。
附图3为工业PC与工业机器人及工业机器人的节点与话题。Robot_Interface、Robot_Receptor为工业机器人节点，Center_Receptor、StationRobot、Center_Interface为运行在工业PC上的节点,StationRobot_Motion为运行在工业机器人嵌入式运动控制器上的节点。
Robot_Receptor将工业机器人的位置速度等状态信息以话题/msg_to传递给工业PC节点Center_Receptor；Center_Receptor接收到来自工业机器人节点Robot_Receptor的话题/msg_to，分析该话题中包含的工业机器人位置速度信息，如果信息显示工业机器人已到达指定位置，则将信号以话题/cmd_center发送给Moveit！内部的节点StationRobot，经过运动学及轨迹规划运算后，得到各个关节的目标位置，以话题/cmd_station发送给工业机器人嵌入式控制器的StationRobot_Motion节点；StationRobot_Motion将各关节的目标运动位置发送给各关节伺服电机，使工业机器人实现期望轨迹，同时将实时获得的各关节的位置以话题/Jntsts_station发送给节点StationRobot节点；StationRobot节点经过运动学求解，得到工业机器人末端的当前位姿，并将此信息发送至Center_Receptor；Center_Receptor节点从StationRobot节点获得各关节位置后，通过话题/feedback_center将工业机器人当前位姿返回工业PC上的节点Center_Interface进行显示，同时通过话题/Jntsts_center将工业机器人当前位姿发送至Robot_Receptor；Robot_Receptor节点判断工业机器人是否运动到位，如果到位则通过话题/cmd_robot通知工业机器人节点Robot_Motion进行工业机器人的定位导航规划，Robot_Motion通过话题/Jntsts_robot反馈实时运动状态给Robot_Receptor节点；Robot_Receptor节点通过话题/feedback_robot将工业机器人运动状态发送给Robot_Interface进行显示，同时通过话题/msg_to反馈信息给Center_Receptor。
基于无线通讯的多机器人系统的软件实现，主要包括两个部分：工业PC端对工业机器人的运动控制算法、通讯系统及显示界面的编写；工业机器人端的运动控制算法、通讯系统及显示界面的编写。
(1)工业PC端工业机器人控制软件编写
在工业PC中安装UBUNTU操作系统与机器人操作系统ROS及Moveit！组件，并安装OROCOS开源机器人控制软件包；工业PC与PLC处理器及工业机器人嵌入式运动控制器之间采用socket通讯，工业PC与工业机器人采用无线WIFI通讯；工业PC发送指令至工业机器人的嵌入式运动控制器，并接收嵌入式运动控制器反馈的编码器数据。工业PC使用ROS中的话题(Topic)实现工业PC上节点(Node)与工业机器人嵌入式运动控制器上节点(Node)和工业机器人机载计算机上节点(Node)的通讯。工业PC调用ROS的Moveit！并结合OROCOS软件包的KDL组件进行工业机器人运动学计算和轨迹规划，通过socket向工业机器人嵌入式运动控制器发送目标位置指令，并实时获取工业机器人当前位置，同时利用ROS中Rviz工具实时显示工业机器人的运动。
利用Qt开发工业PC端的控制界面，将OROCOS包含进工程，将运动学及轨迹规划算法封装为算法模块，利用OROCOS的Chain组件建立6DOF的串联机器人链结构，根据工业机器人的机械结构的DH参数并调用OROCOS中Frame组件的DH函数及Chain组件的addSegment函数将连杆结构逐一添加至机器人链结构中，由此得到工业机器人关节与末端位姿的齐次变换矩阵；通过调用ChainFkSolverPos_recursive的JntToCart函数求得从关节到末端的位置正运动学解，通过调用ChainIkSolverVel_NR的CartToJnt函数求得从末端到关节的位置逆运动学解；通过调用path_line、path_circle和path_composite分别实现笛卡尔坐标直线轨迹、圆弧轨迹和复合轨迹规划。
(2)工业机器人系统控制软件编写
在工业机器人机载计算机中安装UBUNTU操作系统与机器人操作系统ROS及Moveit！组件，控制系统包括底层运动控制模块、信号采集与处理模块、路径规划和定位导航算法模块及显示界面模块。嵌入式ARM控制器采集惯性测量单元、编码器和激光雷达等信号进行处理并反馈至机载计算机，机载计算机对工业机器人进行路径规划和定位导航计算，控制驱动电机运行至工业机器人工作站，通过ROS的话题(Topic)机制上工业PC发布位置信息。使用A*最优路径算法以costmap的最小代价路径作为工业机器人运动的全局路径，使用动态窗口法(DWA)进行局部路径规划，并利用AMCL算法对工业机器人的位姿进行跟踪。所述的A*最优路径算法是基于深度优先的启发式搜索算法；所述DWA算法在速度空间(v，w)中进行多组数据的采样得到多组轨迹的估计，对这些轨迹进行评价，选取出最优局部轨迹对应的速度发布给机器人；所述AMCL算法是自主工业机器人在二维环境下的一种基于概率的定位系统，它采用自适应(或者KLD采样)蒙特卡洛方法进行定位，并且它使用粒子滤波对机器人在已知的地图中进行位姿跟踪。
本发明提出了一种基于无线通讯的智能多机器人控制系统，并按照所述流程编写控制程序实现了多机器人协作的智能控制系统的运行控制。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (6)

1.一种基于无线通讯的智能多机器人控制系统，其特征在于：包括中控系统、工业机器人工作站系统和移动机器人运送系统，
中控系统，包括工业PC和工业机器人控制系统，工业机器人控制系统包括PLC处理器模块，PLC处理器模块通过EtherCAT与工业PC相连；
工业机器人工作站系统，用于完成工业机器人控制算法实现、与及人机交互功能；
移动机器人运送系统，用于完成各工业机器人工作站之间的物料传递功能。
2.根据权利要求1所述的一种基于无线通讯的智能多机器人控制系统，其特征在于：所述工业PC中安装UBUNTU操作系统与机器人操作系统ROS及Moveit！组件，并安装OROCOS开源机器人控制软件包；工业PC与PLC处理器模块及嵌入式运动控制器之间采用socket通讯，工业PC与工业机器人采用无线WIFI通讯；工业PC发送指令至嵌入式运动控制器，并接收嵌入式运动控制器反馈的编码器数据；所述工业机器人的机载计算机与嵌入式运动控制器均安装UBUNTU操作系统与机器人操作系统ROS及Moveit！组件。
3.根据权利要求1所述的一种基于无线通讯的智能多机器人控制系统，其特征在于：所述工业PC使用机器人操作系统ROS中的话题实现工业PC上节点与工业机器人嵌入式运动控制器上节点、工业机器人机载计算机上节点的通讯；工业PC获取工业机器人传递过来的所处的空间位置信息，将运动指令传递给工业机器人嵌入式运动控制器。
4.根据权利要求2所述的一种基于无线通讯的智能多机器人控制系统，其特征在于：所述的工业PC调用ROS的Moveit！并结合OROCOS软件包的KDL组件进行工业机器人运动学计算和轨迹规划，通过socket向工业机器人嵌入式运动控制器发送目标位置指令，并实时获取工业机器人当前位置，同时利用机器人操作系统ROS中Rviz工具实时显示工业机器人的运动。
5.根据权利要求1所述的一种基于无线通讯的智能多机器人控制系统，其特征在于：所述移动机器人运送系统包括底层运动控制模块、信号采集与处理模块、路径规划和定位导航算法模块；所述的底层运动控制模块完成移动机器人的电机控制，实现移动机器人的运动功能，所述信号采集与处理模块完成移动机器人各传感器信号的采集及处理功能，所述路径规划和定位导航算法模块完成移动机器人实时定位与目标运动路径规划的功能。
6.根据权利要求5所述的一种基于无线通讯的智能多机器人控制系统，其特征在于：路径规划和定位导航模块通过A*最优路径算法以costmap的最小代价路径作为工业机器人运动的全局路径，使用动态窗口法进行局部路径规划，并利用AMCL算法对工业机器人的位姿进行跟踪；所述的A*最优路径算法是基于深度优先的启发式搜索算法；所述动态窗口法在速度空间(v，w)中进行多组数据的采样得到多组轨迹的估计，对这些轨迹进行评价，选取出最优局部轨迹对应的速度发布给机器人；所述AMCL算法是自主工业机器人在二维环境下的一种基于概率的定位系统，它采用自适应或者KLD采样蒙特卡洛方法进行定位，并且使用粒子滤波对工业机器人在地图中进行位姿跟踪。
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