CN108500967A - 控制方法、模块式关节机器人和存储介质 - Google Patents

Abstract

本发明涉及机器人的技术领域，公开了模块式关节机器人、控制方法和存储介质，其中模块式关节机器人，包括多个关节臂、多个关节模组以及控制系统；所述关节模组包括固定座、安装于所述固定座内的电机以及输出轴，所述输出轴连接至所述关节臂末端或另一所述关节模组的所述固定座；所述控制系统包括控制板和用于直接驱动各所述关节模组的驱动板；所述控制板包括用于运行软件平台的处理芯片；所述驱动板与所述控制板相互电连接。模块式关节机器人和控制方法能够直接集成难度较高的控制部分，降低机器人开发门槛，使机器人从专业应用领域能够进入普通生活之中，继而开拓机器人的蓝海市场。

Description

控制方法、模块式关节机器人和存储介质

技术领域

本发明涉及机器人的技术领域，尤其涉及能驱控一体化和模块式机器人的技术领域。

背景技术

机器人主要包括以下部分：结构部分和控制部分。其中，结构部分包括电机和相关的大臂、小臂、底座、执行结构等，电机一般安装在关节处，其转动后带动相应的结构摆动或转动，例如小臂摆动、大臂摆动、手指开合等。，控制部分包括控制器、驱动器以及示教器，控制器负责上层的轨迹规划和控制部分，输出控制信号，驱动器接受控制信号后，转换为相应的脉冲信号，输入电机中，电机按照脉冲信号输出，最终使机器人运行。在运行的过程中，电机反馈运动信息至驱动器，驱动器根据回馈信息获知运动的程度。示教器则相当于输入设备，用户通过示教器向控制器输入信息，进行动作编程、数据设置等操作，示教器上一般具有显示屏和按键，能够帮助用户输入程序、获得运行反馈数据。

对于机器人的开发，一般来说结构部分较为容易，选购电机并设计相关结构即可，而控制部分则具有相当的技术门槛，用户往往需要采购控制器、驱动器和示教器，并且需要与结构部分组合调试，用户需要熟知相关的驱动、控制等知识，具有较高的学习成本，使得机器人的开发具有较高的学习门槛，难以从实验室、生产线上走入普通生活中。因此，如何降低机器人开发门槛，开拓机器人的蓝海市场成为本领域热门研发方向。

发明内容

本发明的目的在于提供控制方法、模块式关节机器人和存储介质，旨在解决现有技术中的机器人设计学习门槛高、编程学习难度大等问题。

本发明是这样实现的，提供模块式关节机器人，包括多个关节臂、多个关节模组以及控制系统；所述关节模组包括固定座、安装于所述固定座内的电机以及输出轴，所述输出轴连接至所述关节臂末端或另一所述关节模组的所述固定座；所述控制系统包括控制板和用于直接驱动各所述关节模组的驱动板；所述控制板包括用于运行软件平台的处理芯片；所述驱动板与所述控制板相互电连接。

本发明中的模块式关节机器人将机器人的设计转变为积木式，选择部件组装，然后统一控制即可，大大降低了机器人的设计、制造难度。由于关节模组和控制系统均为成品，用户无需对其内部的结构进行调试，也无需学习其运行的知识，直接借助其功能即可，因此有着学习门槛低、设计成本低等优点。

本发明还提供了控制方法，用于控制上述的模块式关节机器人，包括：

提供预设的功能模块；每个所述功能模块用于驱动单个所述电机；

显示逻辑配置树；逻辑配置树具有多个可供所述功能模块置入的节点以及与各所述节点对应的参数设置选项；

接受用户对于逻辑配置树和配置参数设置选项的设置数据；

将所述设置数据转换为机器人控制指令；

将所述控制指令传输至所述模块式关节机器人。。

本发明中的控制方法同样采模块化思想，用户的编程过程与组建模块式关节机器人结构部分的过程相似，无需学习深层的编程原理，能够快速容易的实现机器人控制的编程，降低了编程学习难度。

模块式关节机器人和控制方法均能有效降低机器人开发门槛，使机器人从专业应用领域能够进入普通生活之中，继而开拓机器人的蓝海市场。

附图说明

图1为本发明实施例提供的关节模组和关节臂的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的模块式关节机器人结构示意图；

图3为本发明实施例提供的控制系统示意图；

图4为本发明实施例提供的软件平台示意图；

具体实施方式

为了使本发明的目的、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详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

以下结合具体附图对本实施例的实现进行详细的描述。

实施例一：

如图1至图4所示，本实施例中提供模块式关节机器人，包括多个关节臂2、多个关节模组1以及控制系统3；其中，关节模组1安装在关节臂2的端部，用于驱动两相邻的关节臂2相对摆动。

关节模组1包括固定座12、安装于固定座12内的电机以及输出轴11。关节模组1的安装方式可以为多种，例如固定座12安装于一关节臂2的末端，输出轴11连接至另一关节臂2的末端；或者固定座12安装于一关节臂2的末端，输出轴11连接至另一关节模组1的固定座12上。在电机的带动下，输出轴11发生转动，输出转矩，固定座12相当于定子，输出转矩后驱动关节模组1所连接的关节臂2相对摆动，其输出轴11转动的角度即关节臂2摆动的角度。换言之，每一个关节模组1能够提供一个轴向的自由度。

控制系统3包括控制板31和用于直接驱动各关节模组1的驱动板32；控制板31包括用于运行软件平台的处理芯片313；驱动板32与控制板31相互电连接。在软件平台内运行相关的指令，进行规划动作、设置轨迹等上层控制设置，然后与驱动板32通信，驱动板32通过脉冲驱动关节模组1，使其电机转动相应的角度或输出指定转矩，完成规划的动作，也即实现模块式关节机器人的控制。

用户在使用模块式关节机器人时，可以选择需要的关节数量，然后将关节臂2和关节模组1组装完成模块式关节机器人，如图1和图2所示，本实施例中的模块式关节机器人包括基座5，在基座5安装有第一个关节模组1a，其输出轴11连接至基座5；第二个关节模组1b的固定座12上安装有第一个关节臂2a，其输出轴11连接至第一个关节模组1a的固定座12；第二个关节臂2b与第一个关节臂2a之间安装有第三个关节模组1c；第二个关节臂2b末端安装有第四个关节模组1d；第四个关节模组1d上连接装有第五个关节模组1e、第六个关节模组1f，其中第六个关节模组1f作为最终的输出端，可以安装执行结构或者扩展结构23，为其提供转矩。组装完成后，通过控制系统3规划动作和轨迹，驱动板32驱动各个关节模组1运动相应的转角即可实现对于模块式关节机器人的控制。

通过上述的实现过程可以看出，本实施例中的模块式关节机器人将机器人的设计转变为积木式，选择部件组装，然后统一控制即可，大大降低了机器人的设计、制造难度。由于关节模组1和控制系统3均为成品，用户无需对其内部的结构进行调试，也无需学习其运行的知识，直接借助其功能即可，

优选的，在基座5内安装有供电模块和驱动板32。无论如何设计结构部分，都需要基座5，因此本实施例中将供电模块和驱动板32安装于基座5内部，用户选择其他关节臂2和电机安装于基座5上，并且将电机与供电模块、驱动板32电连接即可。

优选的，如图3和图4所示，本实施例中的控制系统3采用驱控一体化的技术，其中在控制板31上的处理芯片313内运行的软件平台包括伺服控制、轴控、Cia402标准、机器人控制算法 、PLC。也即，在处理芯片313内完成驱动位置环、轴控等，在驱动板32上辅助完成速度环和电流环。基于驱动一体技术，能够更为深度的定制软件平台，在出厂前将控制系统3完全调试完毕，简化用户对于控制系统3的调试和设计过程。

优选的，本实施中的驱动板32为单体FPGA（现场可编程门阵列）结构。FPGA擅长于并行计算，能够同时并行计算为多个电机提供速度环和电流环的控制，由于驱动位置环、轴控、用户交互等大部分的计算处理过程已经在控制板31内完成，因此可以将适合并行计算的多轴驱动相关计算放在单个FPGA内完成，替代现有技术每个电机都需要适配一部驱动器，也即无论用户选择多少个关节模组1，都能通过一块驱动板32进行驱动，而无需为每个关节模组1配备专门的驱动板32，降低了结构成本和设计难度。

优选的，在控制板31上安装有显示结构312和输入结构311，软件平台还包括界面交互。在显示结构312上显示用户界面，输入结构311用于输入信息，二者结合处理芯片313内运行的界面交互，能够提供示教器的全部功能，用户无需另外购买示教器，将全部的控制操作都由控制板31完成，通过输入结构311和显示结构312进行编程，即可驱动各个电机转动，也即驱动模块式关节机器人进行特定的动作。

容易理解的是，由于本实施例中的控制系统3基于驱控一体化技术，由处理芯片313运行整个软件平台，因此能够在研发的过程中更深入的定制整个控制系统3的软硬件结合，使得具有更佳的扩展性和稳定性，最终降低机器人的设计、学习成本。

采用本实施中的模块式关节机器人，在设计安装的过程中，由于用户无需耗费心力在控制部分，因此其只需要按照自己的意愿选择关节模组1并组装结构部分，然后通过控制系统3进行控制即可，交互处于人和控制系统3的层面，而不涉及机器人深层的控制技术，因此大大降低了机器人开发的难度，使得更多人能够参与或自行开发设计机器人，换言之，除了生产和科研等专业的领域外，大大扩展了机器人的蓝海市场。

实施例二：

如图1至图4所示，本实施例中提供了控制方法，用于控制关节机器人， 包括：

提供预设的功能模块和逻辑配置树，各功能模块用于驱动单个电机，逻辑 配置树具有多个可供功能模块置入的节点以及与各节点对应的参数设置选项；

接受用户对于逻辑配置树的设置数据，并转换为机器人控制指令；

将控制指令传输至关节机器人。

由于机器人的编程需要一定的学习门槛，本实施中提供的控制方法使用模块化的编程思路，直接提供已经调试编写完成的功能模块，用户根据设计的关节机器人所具有的关节模组1数量，选择功能模块置入逻辑配置树的节点内。逻辑配置树自身具有先后逻辑顺序，通过调整对应的配置参数设置选项，对于功能模块调整运动参数，实现用户需要的动作规划。

当逻辑配置树和配置参数设置选项都设置完成后，接受设置数据并自动转换为机器人控制指令，将机器人控制指令传输至关节机器人后，控制其按照设置的动作开始运行。

本实施中的控制方法采模块化思想，用户的编程过程与实施例一中组建模块式关节机器人结构部分的过程相似，无需学习深层的编程原理，能够快速容易的实现机器人控制的编程。

优选的，控制方法还提供多个能够提供不同动作的动作模块，各动作模块包括已经配置完成的多个功能模块，各动作模块可置入节点。动作模块可以是常见动作的组合，例如关节臂2先摆动一定角度，再摆动一定角度；也可以是特定使用场景的配置方案，例如拿取物品：关节臂2移动至物品上方，下降指定距离停机，拿取后移动至指定地点。动作模块也可以为执行结构的对应动作方案，例如执行结构为夹爪或吸头，控制其拿取或放下物品；执行结构为铣头、3D打印头、钻头或光雕刻激光头，按照轨迹操作；执行结构为夹笔器，按照内置字库书写文字等。控制板31可以操作执行结构实现其对应的动作，例如拿取、铣、钻、光雕刻、3D打印、书写等功能。动作模块还可以为其他扩展结构23，例如摄像头、传感器、麦克风、移动底盘等，用户选择扩展结构23后，选择对应的动作模块置入逻辑配置树的节点内即可完成相应的编程工作。

优选的，控制方法还包括：识别电机数量、关节机器人类型和扩展结构23类型，自动适配完成逻辑配置树。用户设计组装完成如图2所示的模块式关节机器人后，自动识别具有五个关节模组1，直接生成在五个节点上置入动作模块的逻辑配置树。

优选的，控制方法还包括：提供组装模板和与组装模板适配的机器人控制指令，组装模板显示电机和关节臂2的数量、安装方式和参数配置方法。用户可根据组装模板直接组装预设的几种方案的模块式关节机器人，然后直接加载对应的机器人控制指令即可。也即先学习组装方法，熟练后再自行设置。更进一步地，组装模板包括组装教程，组装教程提示需要选择的关节模组1、关节臂2、相应的安装方式和参数配置方法，作为教程辅助学习。组装教程其能够视频、动画、交互程序等各种方式存在。

优选的，控制方法还包括仿真，用户设置完成逻辑配置树和配置参数设置选项后，自动生成对应的模块式关节机器人数字模型，根据生成的机器人控制指令，模块式关节机器人数字模型演示相应的动作动画，用户能够直观的看到编程效果是否满足要求，进一步提升用户使用体验。

本实施中还提供了一种计算机可读存储介质，其存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现上述的控制方法。

以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.控制方法，用于控制关节机器人，所述关节机器人包括设置在各关节处的电机，其特征在于，包括：

提供预设的功能模块和逻辑配置树，各所述功能模块用于驱动单个所述电机，所述逻辑配置树具有多个可供所述功能模块置入的节点以及与各所述节点对应的参数设置选项；

接受用户对于所述逻辑配置树的设置数据，并转换为机器人控制指令；

将所述控制指令传输至所述关节机器人。

2.如权利要求1所述的控制方法，其特征在于，提供多个能够提供不同动作的动作模块，各所述动作模块包括已经配置完成的多个功能模块，各所述动作模块可置入所述节点。

3.如权利要求1所述的控制方法，其特征在于，还包括：识别所述电机数量和所述关节机器人类型，自动适配完成所述逻辑配置树。

4.如权利要求1所述的控制方法，其特征在于，还包括：提供组装模板和与所述组装模板适配的所述机器人控制指令。

5.如权利要求4所述的控制方法，其特征在于，所述组装模板包括组装教程，所述组装教程提示所述电机和关节臂的数量、安装方式和参数配置方法。

6.模块式关节机器人，其特征在于，包括多个关节臂、多个关节模组以及控制系统；

所述关节模组包括固定座、安装于所述固定座内的电机以及输出轴，所述输出轴连接至所述关节臂末端或另一所述关节模组的所述固定座；

所述控制系统包括控制板和用于直接驱动各所述关节模组的驱动板；所述控制板包括用于运行软件平台的处理芯片；所述驱动板与所述控制板相互电连 接。

7.如权利要求6所述的模块式关节机器人，其特征在于，各所述关节模组均包括所述控制系统。

8. 如权利要求6所述的模块式关节机器人，其特征在于，所述软件平台包括伺服控制、轴控、Cia402标准、机器人控制算法 、PLC。

9.如权利要求6所述的模块式关节机器人，其特征在于，所述软件平台还包括界面交互，所述控制板上安装有用于提供示教功能的输入结构和显示结构。

10.一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至5任一项所述的控制方法。