CN108789408A - 基于力矩传感器的协作机器人驱控一体化控制系统 - Google Patents

Abstract

一种基于力矩传感器的协作机器人驱控一体化控制系统，包括：中央控制单元以及分别与之相连的驱动模块、传感模块、通讯模块、电源模块和外部设备模块，其中：驱动模块与电机相连并传输电流信息，传感模块与中央控制单元相连并传输模拟量信息，通讯模块与服务器和中央控制单元相连并传输控制指令信息，电源模块与驱动模块、传感模块、相连并传输电压信息，中央控制单元与驱动器模块相连并传输PWM占空比信息，中央控制单元与外部设备模块相连并传输控制流信息。本发明集驱动、感知、控制于一体，可以基于力矩传感器实现机器人的碰撞检测，柔顺控制，拖动示教等功能。

Description

基于力矩传感器的协作机器人驱控一体化控制系统

技术领域

本发明涉及的是一种自动化控制领域的技术，具体是一种基于力矩传感器的协作机器人驱控一体化控制系统。

背景技术

协作机器人指被设计成可以在协作区域内与人直接进行交互的机器人，可以和人类同时工作在特定的区域从而完成特定的任务。针对协作机器人合作性，安全性，共存性以及实时性的要求，研究设计一款集驱动，传感，控制于一体，下位机应用实时操作系统，服务器使用Ubantu16.04系统多线程控制，然后人可以通过可视化ROS界面仿真和控制协作机械人的驱控一体化控制器具有重大意义。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种基于力矩传感器的协作机器人驱控一体化控制系统，集驱动、感知、控制于一体，可以基于力矩传感器实现机器人的碰撞检测，柔顺控制，拖动示教等功能。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明涉及一种基于力矩传感器的协作机器人驱控一体化控制系统，包括：中央控制单元以及分别与之相连的驱动模块、传感模块、通讯模块、电源模块和外部设备模块，其中：驱动模块与电机相连并传输电流信息，传感模块与中央控制单元相连并传输模拟量信息，通讯模块与服务器和中央控制单元相连并传输控制指令信息，电源模块与驱动模块、传感模块、相连并传输电压信息，中央控制单元与驱动器模块相连并传输PWM占空比信息，中央控制单元与外部设备模块相连并传输控制流信息。

所述的传感模块包括：设置于谐波和外壳之间的力矩传感器、设置于一体化控制单元上的温度传感器、设置于一体化关节里的陀螺仪加速度计以及设置于一体化关节里的零位传感器，各个传感器分别与中央控制单元相连并分别输出模拟电压信号和数字信号。

所述的力矩传感器、温度传感器、陀螺仪加速度计优选封装于同一模块中。

所述的驱动模块包括：直流无刷电机和磁编码器，其中：直流无刷驱动器与电机相连并传输PWM占空比信息，磁编码器设置于电机高速端并输出位置信息至一体化控制器，直流无刷驱动器输出PWM指令至直流无刷电机。

所述的通讯模块包括：与中央控制单元相连的CAN收发器以及EtherCAT从站，其中：CAN收发器通过CAN总线与服务器相连并传输控制指令信息，EtherCAT从站通过EtherCAT总线与服务器上搭建地主站相连并传输控制指令信息，中央控制单元与外部设备模块相连并传输控制流信息。

所述的外部设备模块包括：时钟单元、显示报警单元、存储单元、JTAG仿真单元和程序指示灯，其中：时钟单元分别与通讯模块和中央控制单元相连并输出时钟信号，显示报警单元接收来自中央控制单元的报警指令，存储单元与通讯模块相连并输出设备相关信息。JTAG仿真单元与中央控制单元相连并输出代码编译信息，程序指示灯与中央控制单元相连并输出程序运行情况信息

所述的中央控制单元包括：STM32核心板，该STM32核心板与驱动模块和通信模块相连并传输PWM空比和控制指令信息。

所述的一体化控制系统中优选进一步设有包含人机交互界面的交互模块，该交互模块与中央控制单元相连并输出界面交互控制信息，从而实现人对机器人的控制。

技术效果

与现有技术相比，本发明使用STM32作为下位机，以装有Ubantu16.04的服务器，服务器和下位机之间设有CAN或EtherCAT总线实现信号的传输。整个控制系统以力矩传感器采集的关节扭矩信息为依据，再经过复杂的模型计算，得出控制电机运动的指令，从而实现机械臂包括碰撞检测，柔顺控制，拖动示教为主的协作控制。下位机中有实时的嵌入式操作系统，能保证各种传感器信号的实时采集和处理，服务器中采用多线程控制，能保证多任务之间相互不受干扰。本发明与现有技术相比在控制实时性和协作控制的灵敏性方面均有较大提高。

附图说明

图1为本发明结构示意图；

图2为实施例架构示意图；

图3和图4为实施例控制流程图。

具体实施方式

如图1和图2所示，为本实施例涉及的一种基于力矩传感器的协作机器人驱控一体化控制系统，包括：中央控制单元以及分别与之相连的驱动模块、传感模块、通讯模块、电源模块和外部设备模块，其中：驱动模块与中央控制单元相连并传输PWM占空比信息，传感模块与中央控制单元相连并传输关节传感信息，通讯模块与中央控制单元和服务器相连并传输传感信号和控制指令信息，电源模块与中央控制单元、驱动模块、传感模块、通讯模块相连并传输电压信息，中央控制单元与驱动模块、传感模块、通讯模块、电源模块和外部设备模块相连并传输控制和传感信息。

所述的传感模块包括：设置于谐波和外壳之间的力矩传感器、设置于一体化控制单元上的温度传感器、设置于一体化控制单元上的陀螺仪加速度计以及设置于一体化关节中的零位传感器，各个传感器分别与中央控制单元相连并分别输出模拟信号和数字信号。

所述的力矩传感器用来采集关节转动时或者有转动的趋势时产生的扭矩值，之后通过信号放大器把采集到的电压信号放大后传输给AD模块，AD模块经过SPI总线将转换得到的数字量传送给中央控制单元，中央控制单元中首先利用滤波算法对传感器的数据进行滤波，之后将滤波得到的数据进行分析和处理，将最后的结果通过CAN/EtherCAT总线上传给服务器。温度传感器主要用来采集关节的温度值，以此来检测关节是否运行正常。零位传感器用来确定关节的零位，陀螺仪加速度计主要用来采集关节的加速度值。

所述的力矩传感器、温度传感器、陀螺仪加速度计优选封装于同一模块中。

所述的驱动模块包括：直流无刷驱动器以及与之相连的霍尔编码器、直流无刷电机和磁编码器，其中：直流无刷驱动器与电机相连并传输电流信息，磁编码器设置于电机高速端并输出速度、电流信息至中央控制单元，中央控制单元输出PWM指令至直流无刷驱动器。

所述的直流无刷驱动器通过RS232转串口实现和中央控制单元的通信，磁编码器直接采集电机的转动过程中的电流，速度，位置信息，然后将这些信息通过中央控制单元的IO传输到中央控制单元当中，霍尔编码器为绝对编码器，其采集的数据被用来实现关节实时位置的确定。

所述的通讯模块包括：与中央控制单元相连的CAN收发器以及EtherCAT从站，其中：CAN收发器通过CAN总线与服务器相连并传输经中央控制单元处理后的传感器和服务器的控制指令信息，EtherCAT从站通过EtherCAT总线与服务器相连并传输经中央控制单元处理后的传感器和服务器的控制指令信息。

所述的CAN总线用于机器人关节较少的情况，相比于CAN总线，EtherCAT总线有着传输速率高，传输量大的优点，所以在机器人关节较多的，或者机器人拥有多条机械臂的情况下使用EtherCAT总线有很大的优势。

所述的外部设备模块包括：时钟单元、显示报警单元和存储单元，其中：时钟单元分别与通讯模块和中央控制单元相连并输出时钟信号，显示报警单元接收来自中央控制单元的报警指令，存储单元与通讯模块相连并输出设备相关信息。

所述的中央控制单元包括：用于集中分析和处理传感器的数据的STM32核心板，该STM32核心板与驱动模块和通信模块相连并传输PWM空比和控制指令信息

所述的STM32核心板在机器人刚开机时利用霍尔绝对编码器实现零位的确定，利用滤波算法实现力矩传感器采集的关节扭矩值的滤波。

所述的一体化控制系统中优选进一步设有包含人机交互界面的交互模块，该交互模块与中央控制单元相连并输出界面交互控制信息，从而实现人对机器人的控制。

所述的电源模块包括24V直流电源输入电路和5V降压电路和3.3降压电路。

如图3和图4所示，本实施例涉及上述系统的控制方法，包括以下步骤：

①利用由8个霍尔传感器组成的一个环形板实现关节零位的确定，之后静态扭矩传感器实时采集关节的扭矩值并通过SPI总线传输给中央控制单元，中央控制单元对其进行滤波处理后进行数据运算处理，具体步骤包括：

1.1开机时关节处于任意位置，在关节的固定端固定有一个板子上放置有8个霍尔传感器，相当于霍尔绝对编码器，然后程序先控制关节朝一个方向转动，每个霍尔传感器在程序中有一个ID号，关节转动的一端有小磁铁，在遇到不同的霍尔传感器时会执行不同的转动指令，当转动到零位的时候则停止转动。

1.2之后静态扭矩传感器定时采集关节的扭矩信息并输出模拟电压信号，之后经过AD7606模块转换为数字量之后经过SPI总线传输到中央控制单元。

1.3STM32将接收到的电压值经过卡尔曼软件滤波后根据相应比例关系将电压值转换为扭矩值，并将计算的扭矩值通过CAN/EtherCAT总线上传给服务器。

数据运算后最终得到结果。

②中央控制单元将关节扭矩值结果经过CAN/EtherCAT总线上传给服务器，然后服务器对数据经过理论计算和逻辑判断后得出相应的控制指令，具体步骤包括：

2.1关节测得扭矩传感器值为关节扭矩实际值，在服务器中有一套复杂的由机械臂动力学推算来的计算理论力矩的程序，服务器根据关节电机实时的状态计算关节的理论力矩。

2.2之后将由力矩传感器测得的实际力矩跟理论力矩做比较，得出力矩的差值

2.3将力矩的差值经过比例系数放大后转换为关节的控制指令下发给关节电机，从而实现机械臂的协作控制。

③经过CAN/EtherCAT总线将指令实时的下发给中央控制单元，中央控制单元经过PID环的控制将数字量转换成模拟量给直流无刷驱动器，之后直流无刷驱动器控制直流无刷电机进行相应幅度的转动。

以上就是协作功能的实现过程，这个过程可以实现机器人的碰撞检测，柔顺控制以及拖动示教。

在协作控制之外，本实施例中在服务器中设有ROS次级操作系统，ROS系统经过编程可以生成机器人的完整精确的模型，然后可以利用ROS的Gezebo仿真环境对机器人进行功能的全面仿真，然后将仿真的数据应用于实际的控制当中，之后可以通过ROS的MOVEIT！插件和可视化RVIZ插件实现对机器人可视化的交互控制。

上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。

Claims (9)

1.一种基于力矩传感器的协作机器人驱控一体化控制系统，其特征在于，包括：中央控制单元以及分别与之相连的驱动模块、传感模块、通讯模块、电源模块和外部设备模块，其中：驱动模块与电机相连并传输电流信息，传感模块与中央控制单元相连并传输模拟量信息，通讯模块与服务器和中央控制单元相连并传输控制指令信息，电源模块与驱动模块、传感模块、相连并传输电压信息，中央控制单元与驱动器模块相连并传输PWM占空比信息，中央控制单元与外部设备模块相连并传输控制流信息。

2.根据权利要求1所述的协作机器人驱控一体化控制系统，其特征是，所述的传感模块包括：设置于谐波和外壳之间的力矩传感器、设置于一体化控制单元上的温度传感器、设置于一体化关节里的陀螺仪加速度计以及设置于一体化关节里的零位传感器，各个传感器分别与中央控制单元相连并分别输出模拟电压信号和数字信号。

3.根据权利要求2所述的协作机器人驱控一体化控制系统，其特征是，所述的力矩传感器、温度传感器、陀螺仪加速度计优选封装于同一模块中。

4.根据权利要求1所述的协作机器人驱控一体化控制系统，其特征是，所述的驱动模块包括：直流无刷电机和磁编码器，其中：直流无刷驱动器与电机相连并传输PWM占空比信息，磁编码器设置于电机高速端并输出位置信息至一体化控制器，直流无刷驱动器输出PWM指令至直流无刷电机。

5.根据权利要求1所述的协作机器人驱控一体化控制系统，其特征是，所述的通讯模块包括：与中央控制单元相连的CAN收发器以及EtherCAT从站，其中：CAN收发器通过CAN总线与服务器相连并传输控制指令信息，EtherCAT从站通过EtherCAT总线与服务器上搭建地主站相连并传输控制指令信息。

6.根据权利要求1所述的协作机器人驱控一体化控制系统，其特征是，所述的外部设备模块包括：时钟单元、显示报警单元、存储单元、JTAG仿真单元和程序指示灯，其中：时钟单元分别与通讯模块和中央控制单元相连并输出时钟信号，显示报警单元接收来自中央控制单元的报警指令，存储单元与通讯模块相连并输出设备相关信息，JTAG仿真单元与中央控制单元相连并输出代码编译信息，程序指示灯与中央控制单元相连并输出程序运行情况信息。

7.根据权利要求1所述的协作机器人驱控一体化控制系统，其特征是，所述的中央控制单元包括：STM32核心板，该STM32核心板与驱动模块和通信模块相连并传输PWM空比和控制指令信息。

8.根据权利要求1所述的协作机器人驱控一体化控制系统，其特征是，所述的一体化控制系统中进一步设有包含人机交互界面的交互模块，该交互模块与中央控制单元相连并输出界面交互控制信息，从而实现人对机器人的控制。

9.一种根据上述任一权利要求所述的协作机器人驱控一体化控制系统的控制方法，其特征在于，首先利用由8个霍尔传感器组成的一个环形板实现关节零位的确定，之后静态扭矩传感器实时采集关节的扭矩值并通过SPI总线传输给中央控制单元，中央控制单元对其进行滤波处理后进行数据运算处理；然后中央控制单元将关节扭矩值结果经过CAN/EtherCAT总线上传给服务器，然后服务器对数据经过理论计算和逻辑判断后得出相应的控制指令；最后经过CAN/EtherCAT总线将指令实时的下发给中央控制单元，中央控制单元经过PID环的控制将数字量转换成模拟量给直流无刷驱动器，之后直流无刷驱动器控制直流无刷电机进行相应幅度的转动。