CN108381532B - 一种中空走线的多关节机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种中空走线的多关节机器人，包括底座、关节本体、控制板、电机驱动板、增量式编码器、绝对式编码器和力矩传感器等。该多关节机器人采用中空走线的方式，将动力线和信号线穿过关节本体中心通孔后连接到下一个关节。每个关节之间使用EtherCAT总线通信，采取后级读写前级信号的方式进行实时数据传输。每个关节本体的电机端和输出轴端分别安装了增量式编码器和绝对位置编码器，用以提升关节模块的运动控制精度。输出轴端的力矩传感器动态检测外部载荷(或输出力矩)，能够快速实现柔顺力控制。本发明的多关节机器人能够减少内部走线，提升布线稳定性，实现高速高精度运动控制，并提高与人共融操作的安全性。

Description

一种中空走线的多关节机器人

技术领域

本发明涉及机器人技术领域，尤其涉及一种中空走线的多关节机器人。

背景技术

近年来智能机器人的发展逐渐成熟，轻量化机械手臂的研究也越来越受到重视。在许多电子装配、医疗与民生应用中，轻量化机械臂因为其安全性、灵活性与易于安装等特性，许多研究单位与厂商陆续推出相应的机械臂以满足协作机器人需求。而智能协作机器人与传统工业机器人相比，增加了柔顺力控制、阻抗控制功能以及其他传感器检测功能，因此机器人内部的走线更复杂。

申请公布号为CN 105522563 A的专利申请公开了多关节机器人。该多关节机器人包括线缆、基座、第一旋转曲轴、第一臂、第二旋转曲轴和第二臂，第一旋转曲轴转动连接在基座和第一臂之间，第二旋转曲轴转动连接在第二臂和第一臂之间，基座、第一旋转曲轴、第一臂和第二旋转曲轴均包括中空结构，线缆经基座穿入并经第一旋转曲轴、第一臂后经第二旋转曲轴穿出。根据本发明的多关节机器人，可以解决现有技术中机器人的布线方式不够平稳，影响机器人的使用性能的问题。但是造成多关节机器人内部走线的复杂。

传统工业机器人的中空内部走线方式是把所有的电源线和信号线都穿过中心孔，并且有些传感器信号线还需绕线回拉到前端，由于内部通孔尺寸的限制，导致走线臃肿，拆装困难。在机器人快速运行时，内部的走线可能会产生挤压摩擦与信号抖动，这种布线方式不够平稳。如果采用外部走线的方式则会影响机器人的整体美观，同时增大了机器人的整体尺寸。如何设计机械手臂的关节结构，对简化整体设计和提高控制性能有着相当重要的影响。

发明内容

针对现有工业机器人的不足，本发明提出了一种中空走线的多关节机器人，将高性能电机、减速器、制动器、多功能伺服驱动控制器、位置传感器与力矩传感器以及高速实时通信模块等部件进行一体化集成的关节设计，使其具有走线简洁、重量轻、响应速度快、柔顺力控制、实时总线通信等特点。这样避免了机器人的大型化和复杂化，易于拆装和后期维护。

为实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

底座，所述底座上设有动力线接口和信号线接口；

多个纵向关节，每个纵向关节内部设有用于排布所述动力线和信号线的中心通孔，前端安装有增量式编码器，输出轴端安装有力矩传感器和绝对式编码器；

多个横向关节，每个横向关节连接于相邻两个纵向关节之间，每个横向关节内部设有用于排布所述动力线和信号线的中心通孔，前端安装有增量式编码器、第一控制板以及第一电机驱动板，所述第一控制板采集前一纵向关节输出轴端的力矩传感器和绝对式编码器的数据，并对当前横向关节的运动数据进行处理，所述第一电机驱动板采集当前横向关节前端增量式编码器的数据以实现控制当前横向关节电机的运转；每个横向关节的输出轴端安装有力矩传感器、绝对式编码器、第二控制板以及第二电机驱动板，所述第二控制板采集当前横向关节输出轴端的力矩传感器和绝对式编码器的数据，并对后一纵向关节的运动数据进行处理，所述第二电机驱动板采集后一纵向关节前端增量式编码器的数据以实现控制后一纵向关节电机的运转；

动力线，所述动力线经所述动力线接口引入到每个横向关节或纵向关节后分成两路，一路穿过横向关节或纵向关节的中心通孔后，连接到下一横向关节或纵向关节，另一路为连接到横向关节或纵向关节的电源接口，负责给该横向关节或纵向关节上的用电部件供电；

信号线，所述信号线经所述信号线接口引入到横向关节，连接横向关节前端的第一控制板后穿过横向关节的中心通孔，连接横向关节输出轴端的第二控制板后穿过下一纵向关节的中心通孔，引入到下一横向关节。

横向关节的关节轴是横向设置的，纵向关节的关节轴是纵向设置的。

本发明中，每个关节(横向关节和纵向关节)的前端(也就是电机端)和输出轴端分别安装有增量式编码器和绝对编码器，可同时对电机端位置与输出端位置进行测量，极大地提升了关节机器人的定位精度。每个关节之间单独控制，与每个关节对应的驱动控制模块采用双MCU主从协同控制方式，电机驱动板用于驱动电机运转和电机端增量式编码器的采集，控制板负责EtherCAT总线通信、电机控制算法和绝对式编码器以及力矩传感器信号的处理，双MCU的协同控制提升力关节运动的灵活性。关节输出轴端的力矩传感器动态检测外部载荷(或输出力矩)，能够快速实现柔顺力控制，因此，本发明提供的多关节机器人，能够减少内部走线，提升布线稳定性，实现高速高精度运动控制，并提高与人共融操作的安全性。

本发明中，采用后级采集前级信号的方式，将第N个关节的绝对式编码器和力矩传感器输出线缆接到第N+1块控制板进行数据采集处理，将输出线缆接到后一级控制板进行处理，使走线更简洁，平稳性更好。同时，线缆按顺序往后连接，无需拉回关节前端控制板，消除了电机长期运转可能造成的回走线缆外被摩擦损伤的隐患。

其中，电机驱动板和控制板之间采用SPI总线通信，并通过DMA方式传输数据。

优选地，若与底座连接的关节为纵向关节，则该纵向关节的前端安装有控制板以及电机驱动板，该控制板用于对该对纵向关节的运送数据的处理以实现对该纵向关节运动状态的控制，还用于接收和处理信号线传输的数据；

所述信号线经所述信号线接口引入到该纵向关节，连接该纵向关节前端的控制板后穿过该纵向关节的中心通孔，引入到一个横向关节。

优选地，所述多关节机器人还包括末端执行器，当所述多关节机器人的末端关节为横向关节时，所述末端执行器与末端横向关节输出轴端的第二控制板通信连接。

工业机器人的手部也称末端执行器,它是装在工业机器人手腕上直接抓握工件或执行作业的部件。对于整个工业机器人来说手部是完成作业好坏、作业柔性优劣的关键部件之一。

末端执行器可以像人手那样具有手指,也可以是不具备手指的手；可以是类人的手爪,也可以是进行专业作业的工具,例如装在机器人手腕上的喷漆枪、焊接工具等。

优选地，若所述多关节机器人的末端关节为纵向关节，则该纵向关节的输出轴端设有控制板，该控制板用于采集该纵向关节的输出轴端的力矩传感器和绝对式编码器的数据，并控制末端执行器的运行状态，通过EtherCAT总线进行数据的实时收发。

无论所述多关节机器人的末端关节是横向关节还是纵向关节，与末端执行器连接的控制板是一块虚拟控制板(虚拟轴)，主要用于EtherCAT总线的数据通信、信号采集处理以及操控末端执行器，而无需控制关节电机的运行，故此处没有电机驱动板。在整个多关节机器人的架构中，控制板始终要比电机驱动板多一块。

穿过该纵向关节的中心通孔的信号线连接该纵向关节的输出轴端的控制板后与末端执行器连接。

优选地，所述信号线为EtherCAT通信线，EtherCAT主站与每个关节EtherCAT从站之间采用分布时钟模式，这样可以消除了每个控制板EtherCAT从站之间的传输延时，可确保每个关节的绝对编码器信号、力矩传感器采样信号和其他控制信号都在同一个控制周期内，从而保证了机器人控制的实时性。

优选地，所述控制板、第一控制板以及第二控制板采用DSP芯片，进一步地，所述控制板、第一控制板以及第二控制板采用TMS320F28335。

优选地，所述电机驱动板、第一电机驱动板以及第二电机驱动板采用ARM主控芯片，进一步地，所述电机驱动板、第一电机驱动板以及第二电机驱动板采用STM32系列MCU。

在上述多关节机器人中，关节之间的信号线、动力线、控制板与的接线端力矩传感器和绝对式编码器之间的数据传输线、控制板与电机驱动板之间的数据传输线以及电机驱动板与增量式编码器之间的数据传输线的接线端均采用卡扣式设计，这样易于拆装并可单独测试，简化了整机装配流程。

上述多关节机器人的信号线的另一端与上位机连接，上位机采用作为EtherCAT主站通过网线与多关节机器人底座的信号线端口连接。多关节机器人每个关节的控制算法，既可以写在控制板MCU中，也可以写在上位机的程序中通过EtherCAT总线快速传送到控制板。这两种方式可以配合使用，即可分时处理算法流程，提升关节控制板的实时性能。

附图说明

图1是本发明提供的中空走线的多关节机器人的结构示意图；

图2是本发明提供的中空走线的多关节机器人的整体架构图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例对本发明进行进一步的详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅仅用以解释本发明，并不限定本发明的保护范围。

在本实施例中，本发明提供了一种中空走线的七轴关节机器人，参见附图1，包括：

一个底座9，第一关节本体1、第二关节本体2、第三关节本体3、第四关节本体4、第五关节本体5、第六关节本体6、第七关节本体7，其中，第一关节本体1、第三关节本体3、第五关节本体5、第七关节本体7为纵向关节本体，第二关节本体2、第四关节本体4、第六关节本体6为横向关节本体，每个关节本体包括机械本体、电机、减速器和制动器等部件，相邻两个关节本体之间铰接；

第一力矩传感器105、第二力矩传感器106、第三力矩传感器107、第四力矩传感器108、第五力矩传感器109、第六力矩传感器110、第七力矩传感器111；

第一增量式编码器90、第二增量式编码器91、第三增量式编码器92、第四增量式编码器93、第五增量式编码器94、第六增量式编码器95、第七增量式编码器96；

第一绝对式编码器82、第二绝对式编码器83、第三绝对式编码器84、第四绝对式编码器85、第五绝对式编码器86、第六绝对式编码器87、第七绝对式编码器88；

第一电机驱动板71、第二电机驱动板72、第三电机驱动板73、第四电机驱动板74、第五电机驱动板75、第六电机驱动板76、第七电机驱动板77；

第一控制板51、第二控制板52、第三控制板53、第四控制板54、第五控制板55、第六控制板56、第七控制板57、第八控制板58和一个末端执行器42；

其中，每个关节本体的输出轴端均设有力矩传感器、绝对式编码器，前端设有增量式编码器。第二关节本体2、第四关节本体4、第六关节本体6的前端和输出轴端均设有电机驱动板、控制板，且控制板上均设有信号线输入接口，输出接口。

其中，整个机器人的电路板布局如下：

整个关节机器人包括七块电机驱动板和八块控制板，其中，第八控制板58单独运行，用于采集第七个关节的力矩传感器111信号和绝对编码器88信号，以及控制末端执行器42的运行。其他电机控制板、驱动板、和关节本体的对应关系为：第一电机驱动板71和第一控制板51匹配使用，用于驱动控制第一关节1；第二电机驱动板72和第二控制板52用于驱动控制第二关节2，以此类推，第七电机驱动板77和第七控制板57用于驱动控制第七关节7。

电机驱动板和控制板之间采用SPI总线通信，并使用DMA方式进行数据交互。第一块电机驱动板71和第一控制板51安装在第一关节的前端；第二关节2的前端装有第二电机驱动板72和第二控制板52，输出轴端装有第三电机驱动板73和第三控制板53；第三关节没有电路板(电机驱动板和控制板)；第四关节的前端装了第四电机驱动板74和第四控制板54，输出轴端安装有第五电机驱动板75和第五控制板55；第五关节没有电路板；第六关节的前端装了第六电机驱动板76和第六控制板56，输出轴端安装有第七电机驱动板77和第七控制板57；第七关节(7)输出轴端安装有第八控制板58。

每个关节的整体布线方式如下：

整个七轴关节机器人的输入线缆包括动力线(电源线)和信号线，所有关节内部走线用虚线表示，外部走线用实线表示。

动力线183由外部电源供应器提供，经由底座9的动力线端口10进入，然后分成两路，一路接到第一关节1的电源接口，负责给第一关节的电机驱动板、控制板和制动器等供电，第二路穿过第一关节1的中心通孔(附图1虚线部分表示)，连接到第二关节2，同样也是分成两路，一路给第二关节2供电，另一路穿过第二关节2的中心通孔连接到第三关节，以此类推，穿过第七关节7中心通孔的动力线183，最后接到第八控制板58上的电源和I/O接口40，负责给第八控制板58和末端执行器42提供工作电源。

本实施例中信号线为EtherCAT通信线，经由底座9的信号线端口11接入，EtherCAT线158接到第一控制板51的EtherCAT输入端12，然后EtherCAT线159从第一控制板51的EtherCAT输出端13引出，穿过第一关节1的中心通孔(虚线部分表示关节内部穿线)，接到第二控制板52的EtherCAT输入端15；接下来，EtherCAT线160从第二控制板52的EtherCAT输出端14引出，穿过第二关节2的中心通孔接到第二关节2输出轴端的第三控制板53的EtherCAT输入端20；接下来，EtherCAT线161从第三控制板53的EtherCAT输出端21引出，穿过第三关节3的中心通孔接到第四关节4前端第四控制板54的EtherCAT输入端23；接下来，EtherCAT线162从第四控制板54的EtherCAT输出端22引出，穿过第四关节4的中心通孔后接到第四关节输出轴端的第五控制板55的EtherCAT输入端28；接下来，EtherCAT线163从第五控制板55的EtherCAT输出端29引出，穿过第五关节5的中心通孔后接到第六关节6前端的第六控制板56的EtherCAT输入端31；接下来，EtherCAT线164从第六控制板56的EtherCAT输出端30引出，穿过第六关节6的中心通孔后接到第六关节6输出轴端的第七控制板57的EtherCAT输入端36；接下来，EtherCAT线165从第七控制板57的EtherCAT输出端37引出，穿过第七关节7的中心通孔后接到第八控制板58的EtherCAT输入端(41)，第八控制板58没有EtherCAT输出端。

绝对式编码器的输出线缆接线方式为：

第一关节1输出轴端的绝对式编码器82的输出线缆204接到第二关节2前端第二控制板52的编码器接口16；第二关节2输出轴端的绝对式编码器83输出线缆206接到第二关节2输出轴端的第三控制板53的编码器接口19；第三关节3输出轴端的绝对式编码器84的输出线缆208接到第四关节4前端的第四控制板54的编码器接口24；第四关节4输出轴端的绝对式编码器85的输出线缆210接到第四关节4输出轴端第五控制板55的编码器接口27；第五关节5输出轴端的绝对式编码器86的输出线缆212接到第六关节6前端的第六控制板56的编码器接口32；第六关节6输出轴端的绝对式编码器87的输出线缆214接到第六关节6输出轴端的第七控制板57的编码器接口35；第七关节7输出轴端的绝对式编码器88的输出线缆216接到第八控制板58的编码器接口38。

力矩传感器的输出线缆接线方式为：

第一关节1输出轴端的力矩传感器105的输出线缆203接到第二关节2前端第二控制板52的力矩采集接口17；第二关节2输出轴端的力矩传感器106的输出线缆205接到第二关节2输出轴端第三控制板53的力矩采集接口18；第三关节3输出轴端的力矩传感器107的输出线缆207接到第四关节4前端第四控制板54的力矩采集接口25；第四关节4输出轴端的力矩传感器108的输出线缆209接到第四关节4输出轴端第五控制板55的力矩采集接口26；第五关节5输出轴端的力矩传感器109的输出线缆211接到第六关节6前端第六控制板56的力矩采集接口33；第六关节6输出轴端的力矩传感器110的输出线缆213接到第六关节6输出轴端第七控制板57的力矩采集接口34；第七关节7输出轴端的力矩传感器111的输出线缆215接到第八控制板58的力矩采集接口39。

上述关节机器人采用双级位置反馈控制，每个关节都安装了一个增量式编码器和一个绝对式编码器，可同时对电机端位置与输出端位置进行测量，极大地提升了关节机器人的定位精度。整个一体化多关节机器人的驱动控制模块采用双MCU主从协同控制方式，电机驱动板采用ARM主控芯片，具体为STM32系列MCU，用于驱动电机运转和电机端增量式编码器的采集等。控制板采用DSP芯片，具体为TMS320F28335，主要负责EtherCAT通信、电机控制算法和绝对式编码器以及力矩传感器信号的处理。控制板和驱动板之间采用SPI总线通信，并通过DMA方式高速传输数据。

绝对式编码器和力矩传感器的信号由控制板采集，并采用后级采集前级信号的方式，将第N个关节(N从一到七)的绝对式编码器和力矩传感器输出线缆接到第N+1(N从一到七)块控制板进行数据采集处理，并通过EtherCAT总线传输到上位机EtherCAT主站。

上位机EtherCAT主站和每个关节EtherCAT从站之间采用分布时钟(DC,Distributed Clock)模式，消除了每个控制板EtherCAT从站之间的传输延时，可确保每个关节的绝对编码器信号、力矩传感器采样信号和其他控制信号都在同一个控制周期内，从而保证了机器人控制的实时性。

本实施方式的多关节机器人接线非常简洁，每个关节内部中心通孔只需穿过两条线缆：电源线和EtherCAT信号线。跟传统多关节机器人的走线相比，数量减少，极大地提升了布线的平稳性。

绝对式编码器和力矩传感器信号传统上需要穿过本关节本体后拉回本关节控制板的接口端，然后由控制板的主控芯片进行处理。现在采用后级采集前级信号的方式，线缆顺序往后连接，无需拉回关节前端控制板，减少了关节中心通孔的走线数量，消除了电机长期运转可能造成的回走线缆外被摩擦损伤的隐患。

本实施例的整体架构图如附图2所示，上位机PC作为EtherCAT主站，采用Linux实时操作系统，通过网线与多关节机器人底座的信号线端口连接，电源供应器的电源输出端与底座的动力线端口连接。多关节机器人每个关节的控制算法，既可以写在控制板MCU中，也可以写在上位机的程序中通过EtherCAT总线高速传送到关节控制板。这两种方式可以配合使用，即可分时处理算法流程，提升关节控制板的实时性能。

以上所述的具体实施方式对本发明的技术方案和有益效果进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的最优选实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充和等同替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (11)

1.一种中空走线的多关节机器人，其特征在于，包括：

底座，所述底座上设有动力线接口和信号线接口；

多个纵向关节，每个纵向关节内部设有用于排布动力线和信号线的中心通孔，前端安装有增量式编码器，输出轴端安装有力矩传感器和绝对式编码器；

多个横向关节，每个横向关节连接于相邻两个纵向关节之间，每个横向关节内部设有用于排布动力线和信号线的中心通孔，前端安装有增量式编码器、第一控制板以及第一电机驱动板，所述第一控制板采集前一纵向关节输出轴端的力矩传感器和绝对式编码器的数据，并对当前横向关节的运动数据进行处理，所述第一电机驱动板采集当前横向关节前端增量式编码器的数据以实现控制当前横向关节电机的运转；每个横向关节的输出轴端安装有力矩传感器、绝对式编码器、第二控制板以及第二电机驱动板，所述第二控制板采集当前横向关节输出轴端的力矩传感器和绝对式编码器的数据，并对后一纵向关节的运动数据进行处理，所述第二电机驱动板采集后一纵向关节前端增量式编码器的数据以实现控制后一纵向关节电机的运转；

动力线，所述动力线经所述动力线接口引入到每个横向关节或纵向关节后分成两路，一路穿过横向关节或纵向关节的中心通孔后，连接到下一横向关节或纵向关节，另一路为连接到横向关节或纵向关节的电源接口，负责给该横向关节或纵向关节上的用电部件供电；

信号线，所述信号线经所述信号线接口引入到横向关节，连接横向关节前端的第一控制板后穿过横向关节的中心通孔，连接横向关节输出轴端的第二控制板后穿过下一纵向关节的中心通孔，引入到下一横向关节。

2.如权利要求1所述的中空走线的多关节机器人，其特征在于，若与底座连接的关节为纵向关节，则该纵向关节的前端安装有控制板以及电机驱动板，该控制板用于对该纵向关节的运动数据的处理以实现对该纵向关节运动状态的控制，还用于接收和处理信号线传输的数据；

所述信号线经所述信号线接口引入到该纵向关节，连接该纵向关节前端的控制板后穿过该纵向关节的中心通孔，引入到下一个横向关节。

3.如权利要求1所述的中空走线的多关节机器人，其特征在于，所述多关节机器人还包括末端执行器，当所述多关节机器人的末端关节为横向关节时，所述末端执行器与末端横向关节输出轴端的第二控制板通信连接。

4.如权利要求3所述的中空走线的多关节机器人，其特征在于，若所述多关节机器人的末端关节为纵向关节，则该纵向关节的输出轴端设有控制板，该控制板用于采集该纵向关节的输出轴端的力矩传感器和绝对式编码器的数据，并控制末端执行器的运行状态，通过EtherCAT总线进行数据的实时收发；

穿过该纵向关节的中心通孔的信号线连接该纵向关节的输出轴端的控制板后与末端执行器连接。

5.如权利要求1～4任一项所述的中空走线的多关节机器人，其特征在于，所述信号线为EtherCAT通信线，EtherCAT主站与每个关节EtherCAT从站之间采用分布时钟模式级联。

6.如权利要求1～4任一项所述的中空走线的多关节机器人，其特征在于，所述第一控制板和第二控制板、所述第一电机驱动板和第二电机驱动板都带有MCU芯片。

7.如权利要求2或4项所述的中空走线的多关节机器人，其特征在于，所述控制板带有MCU芯片，其中，控制板主控MCU选DSP芯片。

8.如权利要求2所述的中空走线的多关节机器人，其特征在于，所述电机驱动板带有MCU芯片，电机驱动器主控MCU选ARM系列芯片。

9.如权利要求6所述的中空走线的多关节机器人，其特征在于，所述第一控制板以及第二控制板采用TMS320F28335芯片，所述第一电机驱动板以及第二电机驱动板采用STM32系列MCU。

10.如权利要求7所述的中空走线的多关节机器人，其特征在于，所述控制板采用TMS320F28335芯片。

11.如权利要求8所述的中空走线的多关节机器人，其特征在于，所述电机驱动板采用STM32系列MCU。