CN109262614A - 一种机器人关节模组运动控制系统及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种机器人关节模组运动控制系统，包括电源模块、通讯模块、主控模块、制动模块、快换模块和电机模块，其中所述电源模块分别连接并供电给所述通讯模块、所述主控模块、所述制动模块、所述快换模块和所述电机模块，所述通讯模块连接所述主控模块以用于发送控制信号给所述主控模块，所述主控模块分别连接并用于控制所述制动模块、所述快换模块和所述电机模块，所述制动模块用于控制所述关节模组启动或关闭，所述快换模块用于控制所述关节模组进行重构，所述电机模块用于驱动所述关节模组进行运动。本发明还公开了一种采用上述机器人关节模组运动控制系统对机器人关节模组进行控制的方法。本发明能够实现各个关节模组之间的可重构型。

Description

一种机器人关节模组运动控制系统及其方法

技术领域

本发明涉及机器人关节的控制领域，尤其涉及一种机器人关节模组运动控制系统及其方法。

背景技术

传统的工业机器人具有控制模式单一、负载自重比低、结构繁琐、能耗高、不易安装等缺点。针对这些问题，近年来，国内外的科研机构在相应的应用领域致力于开发重量轻、负载自重比大、功率小、功耗低的模块化关节模组，关节模组具有大负载/重量比，但是却不能实现快速连接，当需要进行维护或构型变化时需要通过手动拧螺丝等方式来更换构型；鉴于此，急需开发一种机器人关节模组运动控制系统，以能够实现各个关节模组之间的可重构型。

以上背景技术内容的公开仅用于辅助理解本发明的构思及技术方案，其并不必然属于本专利申请的现有技术，在没有明确的证据表明上述内容在本专利申请的申请日已经公开的情况下，上述背景技术不应当用于评价本申请的新颖性和创造性。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提出一种机器人关节模组运动控制系统及其方法，能够实现各个关节模组之间的可重构型。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

本发明公开了一种机器人关节模组运动控制系统，包括电源模块、通讯模块、主控模块、制动模块、快换模块和电机模块，其中所述电源模块分别连接并供电给所述通讯模块、所述主控模块、所述制动模块、所述快换模块和所述电机模块，所述通讯模块连接所述主控模块以用于发送控制信号给所述主控模块，所述主控模块分别连接并用于控制所述制动模块、所述快换模块和所述电机模块，所述制动模块用于控制所述关节模组启动或关闭，所述快换模块用于控制所述关节模组进行重构，所述电机模块用于驱动所述关节模组进行运动。

优选地，所述电机模块包括传感器组件、驱动组件和关节电机，所述传感器组件连接在所述关节电机和所述主控模块之间以用于采集所述关节电机的传感信息并传输给所述主控模块，所述驱动组件连接在所述主控模块和所述关节电机之间以用于接收所述主控模块的控制信号并根据该控制信号驱动所述关节电机运动。

优选地，所述传感器组件包括增量式编码器、绝对式编码器和电流采样器，其中所述增量式编码器用于采集所述关节电机的速度和电角度信息，所述绝对式编码器用于采集所述关节电机的绝对位置信息，所述电流采样器用于采集所述关节电机的相电流信息。

优选地，所述驱动组件包括相互连接的门功率驱动器和MOSFET单元，所述门功率驱动器连接所述主控模块，所述MOSFET单元连接所述关节电机。

优选地，所述电源模块包括电源单元、第一降压单元、第二降压单元和第三降压单元，所述电源单元用于供电给所述MOSFET单元，所述第一降压单元连接所述电源单元以用于将所述电源单元的初始电压降至第一电压并供电给所述制动模块、所述快换模块和所述门功率驱动器，所述第二降压单元连接所述电源单元以用于将所述电源单元的初始电压降至第二电压并供电给所述通讯模块和所述传感器组件，所述第三降压单元连接所述第二降压单元以用于将所述第二降压单元的第二电压降压至第三电压并供电给所述主控模块。

优选地，所述机器人关节模组运动控制系统还包括母线电压反馈模块，所述母线电压反馈模块连接在所述电源模块和所述主控模块之间，以用于将所述电源模块的母线电压反馈给所述主控模块。

优选地，所述机器人关节模组运动控制系统还包括连接所述主控模块的温度反馈模块，所述温度反馈模块用于检测系统中的实时工作温度并将该实时工作温度反馈给所述主控模块。

本发明还公开了一种采用上述的机器人关节模组运动控制系统对机器人关节模组进行控制的方法，包括以下步骤：

S1：所述通讯模块接收上位机的控制信号，并将所述控制信号发送给所述主控模块；

S2：所述主控模块判断所述控制信号为何种任务信号，如果是制动任务信号，则执行步骤S3；如果是快换任务信号，则执行步骤S4；如果是运动信号，则执行步骤S5；

S3：所述主控模块驱动所述制动模块进行工作以控制所述关节模组启动或关闭；

S4：所述主控模块驱动所述快换模块进行工作以控制所述关节模组进行重构；

S5：所述主控模块驱动所述电机模块进行工作以驱动所述关节模组进行运动。

优选地，步骤S5具体包括：

S51：所述电机模块中的传感器组件采集所述电机模块中的关节电机的传感信息并传输给所述主控模块；

S52：所述主控模块根据所述关节电机的传感信息以及所述控制信号计算出空间矢量脉宽调制波，并传输给所述电机模块中的驱动组件；

S53：所述驱动组件根据所述空间矢量脉宽调制波对所述关节电机进行驱动以驱动所述关节模组进行运动。

优选地，步骤S52具体包括：

S521：所述主控模块根据所述传感器组件中的绝对式编码器采集的所述关节电机的绝对位置信息对接收到的所述控制信号中的预定位置进行位置环PID运算，得到期望速度值；

S522：所述主控模块根据所述传感器组件中的增量式编码器采集的所述关节电机的速度信息对步骤S521得到的期望速度值进行速度环PID运算，得到期望电流值；

S523：所述主控模块将所述传感器组件中的电流采样器采集的所述关节电机的相电流信息进行Clark变换得到两相电流；

S524：所述主控模块根据所述增量式编码器采集的所述关节电机的电角度信息对步骤S523得到的两相电流进行Park变换得到dq轴电流值；

S525：所述主控模块根据步骤S524得到的dq轴电流值对步骤S522得到的期望电流值进行电流环PID运算，得到dq轴电压值；

S526：所述主控模块根据所述增量式编码器采集的所述关节电机的电角度信息对步骤S525得到的dq轴电压值进行Park反变换得到两相电压；

S527：所述主控模块对步骤S526得到的两相电压进行空间矢量变换，得到所述空间矢量脉宽调制波。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：本发明提出的机器人关节模组运动控制系统及其方法，能够实现各个关节模组之间的可重构型功能，从而在需要进行维护或构型变化时能够更加方便地进行控制，同时还大大提高了机器人关节模组的控制效率。

在进一步的方案中，本发明提出的机器人关节模组运动控制系统中的电机模组中采用主控模块、门功率驱动器、MOSFET单元和关节电机结合的方式，再结合增量式编码器、绝对式编码器和电流采样器，从而能够实现关节模组的三闭环位置驱动和双闭环速度驱动功能，进一步还实现了对关节模组的高效控制。

附图说明

图1是本发明优选实施例的机器人关节模组运动控制系统的框图；

图2是本发明优选实施例的机器人关节模组运动控制方法的流程图；

图3是本发明优选实施例的主控模块驱动电机模块的工作流程图。

具体实施方式

下面对照附图并结合优选的实施方式对本发明作进一步说明。

如图1所示，本发明的实施例公开了一种机器人关节模组运动控制系统，包括电源模块10、通讯模块20、主控模块30、制动模块40、快换模块50和电机模块60，其中电源模块10分别连接并供电给通讯模块20、主控模块30、制动模块40、快换模块50和电机模块60，通讯模块20连接主控模块30以用于发送控制信号给主控模块30，主控模块30分别连接并用于控制制动模块40、快换模块50和电机模块60，制动模块40用于控制关节模组启动或关闭，快换模块50用于控制关节模组进行重构，电机模块60用于驱动关节模块进行运动。

电源模块10包括电源单元11、第一降压单元12(例如可采用MPS MP2365主控芯片来实现)、第二降压单元13(例如可采用MPS MP2359主控芯片来实现)和第三降压单元14(例如可采用AMS1117-3.3型号的主控芯片来实现)，通讯模块20包括CAN通讯电路21(例如可采用NXP型号为TJA1050的CAN收发控制器芯片来实现)，主控模块30包括主控器31(例如可采用具有ARM Cotex-M3内核的STM32F103C8t6型号主控芯片来实现)，制动模块40包括制动电磁阀41(在本实施例中，默认状态为制动模式，只有控制使能才会变换为非制动模式，而该制动电磁阀需要持续的12V/0.12A供给才可使能处于非制动模式)，快换模块50包括快换机构51(在本实施例中，默认状态下为非使能模式，只有控制使能才会变换获得能量使得磁铁处于打开状态，而此时快换机构需要持续的12V/1.7A供给才可一直处于打开状态，如果关断电压快换机构又会重新吸合无法打开)，电机模块60包括传感器组件61、驱动组件62和关节电机63，传感器组件61包括增量式编码器611、绝对式编码器612和电流采样器613，驱动组件62包括门功率驱动器621和MOSFET单元622。

其中，电源单元11采用24V直流电源作为供电电源，并给MOSFET单元622进行母线供电，第一降压单元12连接电源单元11以用于将24V直流电源降压至12V并供电给制动电磁阀41、快换机构51和门功率驱动器621，第二降压单元13连接电源单元11以用于将24V直流电源降压至5V并供电给CAN通讯电路21、增量式编码器611、绝对式编码器612和电流采样器613，第三降压单元14连接第二降压单元13以用于将5V电压再降至3.3V并供电给主控器31。

传感器组件61连接在关节电机63和主控器31之间以用于采集关节电机63的传感信息并传输给主控器31，传感器组件61包括增量式编码器611、绝对式编码器612和电流采样器613，增量式编码器611可采用增量式磁编码器，用于采集关节电机63的速度和电角度信息，绝对式编码器612可采用绝对式磁编码器，用于采集关节电机63的绝对位置信息，电流采样器63可采用运算放大器，用于采集关节电机63的相电流信息。驱动组件62连接在主控器31和关节电机63之间以用于接收主控器31的控制信号并根据该控制信号驱动关节电机63运动；驱动组件62包括相互连接的门功率驱动器621和MOSFET单元622，门功率驱动器621连接主控器31，MOSFET单元622连接关节电机63。

在进一步的实施例中，本发明的机器人关节模组运动控制系统还包括母线电压反馈模块70和温度反馈模块80，母线电压反馈模块70包括母线电压反馈器71，母线电压反馈器71连接在电源单元11和主控器31之间，以用于将电源单元11的母线电压反馈给主控器31；温度反馈模块80包括板级温度传感器81，板级温度传感器81设置在该运动控制系统集成的电路板上并连接主控器31，用于采集电路板的实时工作温度并将该实时工作温度反馈给主控器31，其中板级温度传感器81通过第二降压单元13来供电。在部分实施例中，通讯模块20也可采用串口通讯电路，或者同时包含CAN通讯电路和串口通讯电路，其中通过CAN通讯电路，使得在关节模组的控制中的数据传输速率可达1Mbps，大大提高控制效率。

如图2所示，本发明的另一实施例公开了采用上述的机器人关节模组运动控制系统对机器人关节模组进行控制的方法，具体如下。

整个系统上电之后完成初始化操作，正常情况下完全受控于上位机，只有接受上位机的指令后，才能执行操作命令。系统初始化完成后，执行以下步骤：

S1：CAN通讯电路21接收上位机的控制信号，并将该控制信号发送给主控器31；

S2：主控器31判断该控制信号具体为何种任务信号，从而使相应的功能模块进行工作；如果是制动任务信号，则执行步骤S3；如果是快换任务信号，则执行步骤S4；如果是运动信号，则执行步骤S5；

S3：主控器31驱动制动电磁阀41进行工作以控制关节模组启动或关闭(也即使能制动电磁阀41)；

S4：主控器31驱动快换机构51进行工作以控制关节模组进行重构(也即使能快换机构51)；

S5：主控器31驱动电机模块60进行工作以驱动关节模组进行运动(也即使能电机模块60)。

此外，当出现异常状况时，主控器31将强制使制动电磁阀41进行工作以停止关节电机63的工作；例如当板级温度传感器81反馈给主控器31的温度值高于某一设定阈值时，主控器31将驱动制动电磁阀41进行工作以强制停止关节电机63的工作；或者当母线电压反馈模块70反馈给主控器31的电压为欠压状态或高压状态时，主控器31也将驱动制动电磁阀41进行工作以强制停止关节电机63的工作。

进一步地，如图3所示，步骤S5具体包括：

S51：电机模块60中的传感器组件61采集关节电机63的传感信息并传输给主控器31；

具体包括：

S511：绝对式编码器612采集关节电机63的绝对位置信息(也即当前位置Position)；

S512：增量式编码器611采集关节电机63的速度和电角度信息(也即当前速度w和电角度θ)；

S513：电流采样器63采集关节电机63的相电流信息(也即三相电流I_U,V,W)。

S52：主控器31根据关节电机63的传感信息以及控制信号计算出空间矢量脉宽调制波，并传输给驱动组件62；

具体包括：

S521：进行位置环PID运算：主控器31根据绝对式编码器612采集的关节电机63的当前位置Position对接收到的控制信号中的预定位置进行位置环PID运算，得到期望速度值w^*；

S522：进行速度环PID运算：主控器31根据增量式编码器611采集的关节电机63的当前速度w对步骤S521得到的期望速度值w^*进行速度环PID运算，得到期望电流值

S523：Clark变换：主控器31将电流采样器613采集的关节电机63的三相电流I_U,V,W进行Clark变换得到两相电流I_α,β；

S524：Park变换：主控器31根据增量式编码器611采集的关节电机63的电角度θ对步骤S523得到的两相电流I_α,β进行Park变换得到dq轴电流值I_qs&I_ds；

S525：进行电流环PID运算：主控器31根据步骤S524得到的dq轴电流值I_qs&I_ds对步骤S522得到的期望电流值进行电流环PID运算，得到dq轴电压值V_qs&V_ds；

S526：Park反变换：主控器31根据增量式编码器611采集的关节电机63的电角度θ对步骤S525得到的dq轴电压值V_qs&V_ds进行Park反变换得到两相电压V_α,β；

S527：SVPWM计算：主控器31对步骤S526得到的两相电压V_α,β进行空间矢量变换(SVPWM计算)，得到三相电压V_U,V,W，也即得到空间矢量脉宽调制波。

S53：驱动组件62根据空间矢量脉宽调制波对关节电机63进行驱动以驱动关节模组进行运动。

具体地，首先通过门功率驱动器621将空间矢量脉宽调制波进行电平转换，再通过MOSFET单元622实现对关节电机63的运行控制，从而进一步驱动关节模组进行运动。

通过本发明实施例提出的机器人关节模组运动控制系统及其方法，能够实现各个关节模组之间的可重构型功能，并且能够实现关节模组的三闭环位置驱动和双闭环速度驱动功能，从而在需要进行维护或构型变化时能够更加方便地进行控制，同时还大大提高了机器人关节模组的控制效率。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干等同替代或明显变型，而且性能或用途相同，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种机器人关节模组运动控制系统，其特征在于，包括电源模块、通讯模块、主控模块、制动模块、快换模块和电机模块，其中所述电源模块分别连接并供电给所述通讯模块、所述主控模块、所述制动模块、所述快换模块和所述电机模块，所述通讯模块连接所述主控模块以用于发送控制信号给所述主控模块，所述主控模块分别连接并用于控制所述制动模块、所述快换模块和所述电机模块，所述制动模块用于控制所述关节模组启动或关闭，所述快换模块用于控制所述关节模组进行重构，所述电机模块用于驱动所述关节模组进行运动。

2.根据权利要求1所述的机器人关节模组运动控制系统，其特征在于，所述电机模块包括传感器组件、驱动组件和关节电机，所述传感器组件连接在所述关节电机和所述主控模块之间以用于采集所述关节电机的传感信息并传输给所述主控模块，所述驱动组件连接在所述主控模块和所述关节电机之间以用于接收所述主控模块的控制信号并根据该控制信号驱动所述关节电机运动。

3.根据权利要求2所述的机器人关节模组运动控制系统，其特征在于，所述传感器组件包括增量式编码器、绝对式编码器和电流采样器，其中所述增量式编码器用于采集所述关节电机的速度和电角度信息，所述绝对式编码器用于采集所述关节电机的绝对位置信息，所述电流采样器用于采集所述关节电机的相电流信息。

4.根据权利要求2所述的机器人关节模组运动控制系统，其特征在于，所述驱动组件包括相互连接的门功率驱动器和MOSFET单元，所述门功率驱动器连接所述主控模块，所述MOSFET单元连接所述关节电机。

5.根据权利要求4所述的机器人关节模组运动控制系统，其特征在于，所述电源模块包括电源单元、第一降压单元、第二降压单元和第三降压单元，所述电源单元用于供电给所述MOSFET单元，所述第一降压单元连接所述电源单元以用于将所述电源单元的初始电压降至第一电压并供电给所述制动模块、所述快换模块和所述门功率驱动器，所述第二降压单元连接所述电源单元以用于将所述电源单元的初始电压降至第二电压并供电给所述通讯模块和所述传感器组件，所述第三降压单元连接所述第二降压单元以用于将所述第二降压单元的第二电压降压至第三电压并供电给所述主控模块。

6.根据权利要求1所述的机器人关节模组运动控制系统，其特征在于，还包括母线电压反馈模块，所述母线电压反馈模块连接在所述电源模块和所述主控模块之间，以用于将所述电源模块的母线电压反馈给所述主控模块。

7.根据权利要求1所述的机器人关节模组运动控制系统，其特征在于，还包括连接所述主控模块的温度反馈模块，所述温度反馈模块用于检测系统中的实时工作温度并将该实时工作温度反馈给所述主控模块。

8.一种采用权利要求1至7任一项所述的机器人关节模组运动控制系统对机器人关节模组进行控制的方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：所述通讯模块接收上位机的控制信号，并将所述控制信号发送给所述主控模块；

S2：所述主控模块判断所述控制信号为何种任务信号，如果是制动任务信号，则执行步骤S3；如果是快换任务信号，则执行步骤S4；如果是运动信号，则执行步骤S5；

S3：所述主控模块驱动所述制动模块进行工作以控制所述关节模组启动或关闭；

S4：所述主控模块驱动所述快换模块进行工作以控制所述关节模组进行重构；

S5：所述主控模块驱动所述电机模块进行工作以驱动所述关节模组进行运动。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，步骤S5具体包括：

S51：所述电机模块中的传感器组件采集所述电机模块中的关节电机的传感信息并传输给所述主控模块；

S52：所述主控模块根据所述关节电机的传感信息以及所述控制信号计算出空间矢量脉宽调制波，并传输给所述电机模块中的驱动组件；

S53：所述驱动组件根据所述空间矢量脉宽调制波对所述关节电机进行驱动以驱动所述关节模组进行运动。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，步骤S52具体包括：

S521：所述主控模块根据所述传感器组件中的绝对式编码器采集的所述关节电机的绝对位置信息对接收到的所述控制信号中的预定位置进行位置环PID运算，得到期望速度值；

S522：所述主控模块根据所述传感器组件中的增量式编码器采集的所述关节电机的速度信息对步骤S521得到的期望速度值进行速度环PID运算，得到期望电流值；

S523：所述主控模块将所述传感器组件中的电流采样器采集的所述关节电机的相电流信息进行Clark变换得到两相电流；

S524：所述主控模块根据所述增量式编码器采集的所述关节电机的电角度信息对步骤S523得到的两相电流进行Park变换得到dq轴电流值；

S525：所述主控模块根据步骤S524得到的dq轴电流值对步骤S522得到的期望电流值进行电流环PID运算，得到dq轴电压值；

S526：所述主控模块根据所述增量式编码器采集的所述关节电机的电角度信息对步骤S525得到的dq轴电压值进行Park反变换得到两相电压；

S527：所述主控模块对步骤S526得到的两相电压进行空间矢量变换，得到所述空间矢量脉宽调制波。