CN108890634A - 一种用于模块化机器人关节的控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种模块化机器人系统及方法，具体是公开一种模块化可拼接的机器人的关节模块控制系统；包括：机械结构模块、主控制器模块、电气接口模块、驱动模块、CAN总线通信模块；机械结构模块，采用统一的关节机械结构，将机器人不同部件拼接起来；控制模块，通过电气接口模块与CAN总线通信模块将不同关节部件与控制模块相连接；电气接口模块，关节处采用三线结构，包含一根电源线、一根数据线及一根地线，插头采用圆形三芯公母插头，为机器人关节提供统一的电气特性；驱动模块与控制模块由CAN总线通信模块相连，接收控制模块信号，驱动机器人关节运动；CAN总线通信模块，将关节两侧的模块采用CAN总线相连接，实现不同模块之间的通信。

Description

一种用于模块化机器人关节的控制系统及方法

技术领域

本发明涉及一种人型机器人关节及其控制，属于智能机械设备领域。

背景技术

目前，随着机器人在研究和应用上的不断发展，人们希望在优化机器人设计、减少机械结构部件和降低机器人成本的同时，增加机器人系统总体性能，增强机器人功能和结构的多样性，所以在机器人学研究领域出现了模块化机器人；模块化机器人，是由各种独立的具有相同或不同结构以及性能特征的可互换的关节模块和连接模块组成，能够根据作业的需要重组成不同的机器人构型。这种组合并非简单的机械重组，还包括控制系统的重组，因为模块本身就是一种集传动、控制、通讯为一体的单元。模块化机器人系统的突出优点是：可重构性好、组装方便、灵活性强、功能多样、适应性强和维护方便。然而，在模块化机器人不断发展的过程中，却很少有一个能够适用的可重构、模块化的控制系统。

中国专利ZL200810040146.3公开一种模块化机器人，其包括：传感模块、控制模块、驱动模块以及标准接口模块，传感模块与控制模块由第二标准接口模块相连，控制模块与驱动模块由第一标准接口模块相连。传感模块固定在第二标准接口模块上，控制模块的一端固定在第二标准模块上，另一端固定在第一标准接口模块上，驱动模块固定在第一标准接口模块的另一端，驱动模块运动带动整个机器人运动。本发明采用模块化结构组成个人机器人，但其通过总控制模块控制其他各模块，需要信号线电力线较多，这样给接线造成困难，若功能模块增加，将会为线路安排带来麻烦，而且再增加模块时需要技术人员设计安装，一般人员难以操作。

因此，需要一种模块化、线路少的机器人关节控制系统及方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种通用的、灵活性好的、维护性强的模块化机器人关节控制系统及方法，旨在解决现有的模块化机器人部件重组不便的问题，有效地解决制造商机器人各模块关节部位标准不统一的问题。

本发明是这样实现的，一种用于模块化机器人关节的控制系统，所述用于模块化机器人关节的控制系统包括：

主控制器模块，将从数据信号端口获取的输入信息，经过识别、运算判断，将运算结果传送给输出模块；

驱动模块，与所述主控制器模块连接，接收来自主控模块传来的数据信号，控制电机作业；

CAN总线通信模块，与所述主控制器模块连接，与所述驱动模块连接，保证所述主控制器模块与所述驱动模块正常通信；

电气接口模块，与主控制模块、驱动模块、CAN总线通信模块连接，给各模块提供工作电源；

机械结构模块，在所述主控制器模块、驱动模块、CAN总线通信模块和电气接口模块外部，保证各模块无缝连接。

进一步，所述主控制器模块进一步设置有：

控制器、驱动器、垂直伺服电机、水平伺服电机、滑环齿轮、串口通信接口、电源接口；串口通信接口与控制器相连接，驱动器与控制器相连接，驱动器与垂直伺服电机与水平伺服电机相连接；电机控制滑环齿轮转动；

进一步，所述驱动模块进一步设置有：

伺服驱动器、伺服电机、减速器；伺服驱动器与伺服电机连接，通过连接线控制伺服电机转动，减速器与伺服电机相连接，起减速作用；

进一步，所述机械结构模块进一步设置有：

舵机、关节内侧相关连接处、关节外侧；关节外侧与关节内侧相通，通过舵机接线与控制板接线；

进一步，所述发明的用于模块化机器人关节的控制系统设置有同步带、链轮、锥齿轮、外关节机械接口、内关节机械接口；所述模块化关节的一侧设置有内关节接口，关节的另一侧设置有内关节接口，主控电子模块安装在两侧关节中间，主控电子模块和关节之间设置有CAN总线；关节内侧设置有舵机；

进一步，所述驱动模块的电机数量是2个。

本发明的另一目的在于提供一种用于模块化机器人关节的控制方法，所述用于模块化机器人关节的控制方法包括：

通过CAN总线传输数据信号；

通过通信协议控制电机转动角度、速度、停顿时间；

通过驱动器反馈电机转动角度、速度、停顿时间给主控模块，形成闭环控制；

通过本发明的标准机械接口，使机械臂与关节在机械结构上无缝连接；

通过本发明的标准通信接口，使与之相连接的机械臂可以正常通信。

本发明提供的用于模块化机器人关节的控制系统及方法，当人们使用本发明所述的模块化机器人关节标准时，不同厂商所制造的机械臂，只要遵循本发明的模块化机器人关节标准，都可以无缝连接，正常通信。厂商无需考虑关节的内部细节，便可以达到不同厂商生产的机械臂，都可以在同一个机器人上使用，进而形成机器人关节的标准化。当第三方需要因机械臂的损坏时，不需要在同一个厂商购买同样的机械臂，在其他厂商也可以购买到符合本发明标准的机械臂。

附图说明

图1是本发明实施例提供的机械臂的结构示意图。

图2是本发明实施例提供的模块化机器人关节的正视图。

图3是本发明实施例提供的模块化机器人关节的侧视图。

图4是本发明实施例提供的模块化机器人体的示意图。

图5是本发明实施例提供的模块化机器人关节的模块结构示意图。

图6是本发明实施例提供的模块化机器人关节的控制结构示意图。

图中：1、机械臂水平旋转舵机；2、机械臂垂直旋转舵机；3、关节外侧相关接线处；4、关节外侧机械臂机械接口；5、外侧关节固定处；6、关节内侧相关接线处；7、关节体固定处；8、关节内侧舵机；9、CAN总线；10、主控制器； 11、机器人体；12、接收信号线；13、发送信号线；14、地线；15、电源线； 16、主控制器；17、电机驱动器；18、水平舵机；19、水平电机信号线；20、垂直电机转动轴；21、水平电机转动轴；22、减速器；23、减速器转动轴；24、垂直电机信号线；25、滑环。

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。

以下结合图1-图6对本发明的结构做详细的说明：

本发明所述的模块化机器人关节设置有机械臂水平旋转舵机1、机械臂垂直旋转舵机2、关节外侧相关接线处3、关节外侧机械臂机械接口4、外侧关节固定处5、关节内侧相关接线处6、关节体固定处7、关节内侧舵机8、CAN总线 9、主控制器10、机器人体11、接收信号线12、发送信号线13、地线14、电源线15、主控制器16、电机驱动器17、水平舵机18、水平电机信号线19、垂直电机转动轴20、水平电机转动轴21、减速器22、减速器转动轴23、垂直电机信号线24、滑环25。

关节处设置有关节外侧相关接线处3，关节外侧机械臂机械接口4，外侧关节固定处5，关节内侧相关接线处6，关节体固定处7，关节内侧舵机8，CAN 总线9；

所述主控模块设置有CAN总线9，主控制器10，接收信号线12，发送信号线13，地线14，电源线15；

所述驱动模块设置有机械臂水平旋转舵机1，机械臂垂直旋转舵机2，关节内侧舵机8，CAN总线9，主控制器16，电机驱动器17，水平舵机18，水平电机信号线19，垂直电机转动轴20，水平电机转动轴21，减速器22，减速器转动轴23，垂直电机信号线24；

所述机械结构模块设置有关节外侧相关接线处3，关节外侧机械臂机械接口 4，外侧关节固定处5，关节内侧相关接线处6，关节体固定处7，垂直电机转动轴20，水平电机转动轴21，减速器22，减速器转动轴23，滑环25。

进一步，本发明所述的关节外侧有关节外侧机械臂机械接口4，机械臂可连接到所述关节的关节外侧机械臂机械接口4处，如图1所示，保障机械臂与关节无缝连接。

进一步，本发明所述的关节外侧相关接线处3，可与机械臂中的通信线路连接，保证数据的有效传输。

进一步，本发明所述的模块化机器人关节设置有关节外侧相关接线处3，关节外侧机械臂机械接口4，外侧关节固定处5，关节内侧相关接线处6，关节体固定处7，关节内侧舵机8，如图2、图3所示。

模块化机器人关节放入机器人体。关节外侧相关接线处3、关节外侧机械臂机械接口4、外侧关节固定处5置于机器人体外侧。关节内侧相关接线处6、关节内侧舵机8置于机器人体内侧。关节体固定处7固定在机器人体，起固定关节的作用，如图4所示。

进一步，关节内侧舵机8通过CAN总线9与主控模块连接，主控模块置于机器人体11前侧，位于左右关节的中间，如图4所示。

机械臂水平旋转舵机1、机械臂垂直旋转舵机2、关节外侧相关接线处3、关节内侧相关接线处6、关节内侧舵机8、接收信号线12、发送信号线13、主控制器16、电机驱动器17、水平舵机18、水平电机信号线19、减速器22、垂直电机信号线24；均通过CAN总线9与主控制器10连接。

进一步，本发明所述的电气接口模块与主控制模块、驱动模块、机械结构模块连接，给各模块提供工作电源。

以下结合图1-图6对本发明的工作原理做详细的说明：

本发明实现模块化机器人关节控制系统的工作原理如下：

第一步：某机器人关节智造厂商A，以本发明为标准进行生产机器人关节，生产出的机器人关节的机械结构，如图2、图3所示，其他厂商B以本发明专利的标准生产机械臂，另有一个专门对机器人的组装出售的厂商C，当厂商C需要机械臂的时候，可以在厂商B中的任何一家购买到。

当厂商C购买到关节与机械臂，通过关节外侧机械臂机械接口4，便可将关节与机械臂连接，通过外侧关节固定处5将关节固定在机器人体11上。这样就保障了关节与机械臂在机械结构上的统一，如图1、图4。

第二步：在完成第一步以后，只是实现了机械结构的连接，还需要保证有效的工作电压。使用本发明所述的电气接口标准，机器人体中提供电源，通过关节外侧相关接线处3、关节内侧相关接线处6将电源线穿过，保证机械臂的电源供应。同时通过关节的滑环25结构，保障机械臂在转动的时候，不至于损坏线路。

当厂商C将机器人关节与机械臂连接后，通过关节的节外侧相关接线处3、关节内侧相关接线处6，便可以将电源提供给机械臂。

第三步：通过第二步，关节与机械臂能够连接在一起，并可为机械臂提供电源。还需要提供信号控制，才能完成机器人关节的模块化设计。关节连接到机器人体11后，将电机驱动器通过CAN总线9与主控制器10连接，同时通过关节外侧相关接线处3、关节内侧相关接线处6将CAN总线穿过，连接到机械臂上，此处同样采用滑环25结构，保障机械臂在转动的时候，不至于损坏线路。如图4所示。

这样厂商C所组装的机器人关节与机械臂，便可以通过控制器对机械臂进行控制。

以下结合图1-图6对本发明的工作过程做详细的说明：

本发明所述用于模块化机器人关节控制的方法包括以下步骤：

第一步：主控制器10发送一定帧格式的控制信号，通过CAN总线9，传到电机驱动器17。

第二步：分析帧格式中的指定位的数据，分析出电机转动的角度、速度、停顿时间间隔，进而电机驱动器可直接控制水平舵机18的转动。

第三步：在减速器的作用下，将转速降到机械臂部位需要的速度，提高机械体刚性的同时输出更大的力矩。

第四步：同时实时地将电机的旋转角度、旋转速度、停顿时间通过CAN总线9以相同的帧格式传送给主控制器10，形成闭环控制，进而精确地控制机械臂的转动。如图6所示。

以上所述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 (4)

1.一种用于模块化机器人关节的控制系统，其特征在于，所述用于模块化机器人关节的控制系统包括：

机械结构模块，将机器人关节两侧的部位，按照设计结构无缝拼接，拼接后的两部位按统一标准运作，所述机械结构模块包含一个平移和一个旋转自由度，水平旋转自由度角度范围为±90°，垂直旋转自由度角度范围为±90°；

电气接口模块，经所述主控制器模块连接，将关节两侧的电气接口按三线结构连接，包括一根地线，一根数据信号线及一根电源线连接，给CAN总线通信模块建立电气物理基础；

CAN总线通信模块，按所述电气接口模块连接，建立关节两侧的数据通信链路，按照CAN总线协议进行双工通信；

主控制器模块，将从关节一侧获取的输入信息，经过识别、运算判断，通过所述的CAN总线通信模块，将运算结果传送给所述驱动模块；

驱动模块，将从所述主控模块，经由所述CAN总线通信模块，传送的数据信号，送达所述驱动模块，驱动模块驱动相关运动部件运动。

2.如权利要求1所述的用于模块化机器人关节的控制系统，其特征在于，所述机械结构模块进一步设置有：

平移舵机、旋转舵机、关节卡槽、关节卡扣、三芯电气插槽、三芯电气插座、轴承；平移舵机在旋转舵机的上部，关节卡槽、三芯电气插槽在关节靠近平移舵机一侧，关节卡扣、三芯电气插座在关节远离水平舵机一侧。所属轴承，采用了滑动摩擦轴承。

3.如权利要求1所述的用于模块化机器人关节的控制系统，其特征在于，所述发明的用于模块化机器人关节的控制系统设置有控制电路、编码器、电机、减速器、制动器；编码器安装在电机上，机器人的每个关节都设置单独的控制器，电机与控制电路构成控制器，在控制器上设置通讯模块和电源接口；

所属通信模块采用了CAN总线协议。工控机和关节控制器模块均与CAN总线模块连接；

所述工控机对关节控制器进行监控，同时完成机械臂运动学、轨迹规划方面算法的实现；

所述减速器采用谐波减速器；

所述制动器，避免关节掉电后发生危险，在停止关节电机供电，机械臂将保持原有的位姿；

所述编码器采用绝对值编码器，测量电机的转速和旋转角，转换成可在CAN总线传输的信号输出。

4.一种用于模块化机器人关节的控制方法，其特征在于，所述用于模块化机器人关节的控制方法包括：

通过主控制器，向CAN总线发送控制N号关节的数据帧，所有关节收到数据帧；

进一步，非N号关节收到该数据帧，判断不是发送给自己的数据帧，并丢弃；N号关节收到，并进行解析；

进一步，N号关节解析数据帧中的数据，包括关节转角、转速、加速度等信息，控制关节的转动；

进一步，当N号关节转动到预定位置时，将当前转动信息以指定数据帧格式通过CAN总线发送给主控模块；

再进一步，主控模块对收到的N号关节反馈信息进行解析，根据解析的数据，对N号再关节进一步控制。