CN1095420C - 开放式工业机器人控制平台 - Google Patents
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Abstract
开放式工业机器人控制平台属于通用的工业机器人控制系统。其突出特点是将通用的工业计算机引入传统的机器人控制系统中，并采用独特的开放式及模块化结构，将原来结构封闭的控制器扩展为结构开放的控制平台。作为机器人的一种控制系统，控制多种类型伺服包，更加灵活地控制工业机器人，更加方便地增加其功能，可使现有的机器人生产进一步适应现代化工业生产小批量多品种的要求。
Description
本发明属于通用的工业机器人控制系统。其突出特点是将通用的工业计算机引入传统的机器人控制系统中，并采用独特的开放式及模块化结构，将原来结构封闭的控制器扩展为结构开放的控制平台。
传统工业机器人控制器(CONTROLLER)缺乏独立性，机器人的控制器与操作机(MANIPULATOR)是一体的，图1所示为传统的机器人控制系统的典型配置，R1为工业机器人，A1为控制器，里面集成有伺服包、结构封闭的专用计算机和其他一些电器设备，其中的控制器一般只能适用某一种型号固定的一种伺服包，拖动某一种特定的伺服电机，这种控制器一般也只能适用于一种特定的机器人。控制器的功能取决于机器人所需要完成的任务，而控制器的伺服以及规划算法所用参数都直接来自本体：低层位置伺服算法要根据操作机的伺服电机和伺服放大器的特性来定制，上层规划程序要根据操作机的机构、尺寸等参数来编制。
如果作业任务和作业对象都是固定的，那么这种封闭式机器人控制器具有简单、可靠和高效的优点。但是随着经济的发展，人们对产品的多样化的要求越来越高。制造业已由原来的任务和对象相对固定的大规模流水线式作业，向任务和对象经常改变的中小规模的柔性制造(FM)和计算机集成制造(CIM)模式发展。这就要求在先进制造系统中担当生力军的工业机器人能够胜任不断变化的任务，即功能柔性化。在机器人的购买阶段，机器人的使用者不可能对将来生产任务的变化考虑全面。这样一旦新的任务不包括在现有机器人的控制功能中，那么具有封闭结构的控制器机器人就毫无用途。另外，原有的机器人控制系统的配置如图1所示，其中机器人R1的型号是固定的。
本发明的目的如下：如果机器人的功能是可以扩展的，经过控制器的功能扩充，原有的机器人就可投入到新的生产任务中去。而控制器的功能如果具有可扩充性，就需要控制器的软件和硬件都是开放的。软件开放是因为新的功能需要新的控制策略和新的控制方法；硬件开放是因为新的任务需要新的装置，新的装置需要同控制器进行通信，因此控制器硬件必须是开放的。要使机器人具有柔性，控制器必须是结构开放的。本发明可以作为机器人的一种控制系统，控制多种类型的伺服包，更加灵活地控制工业机器人，更加方便地增加其功能，使现有的机器人生产进一步适应现代工业生产小批量多品种的要求；也可以作为一种实验平台，通过在其上层开发基于不同操作系统的控制软件，实验各种控制策略，为未来工业机器人的研究及开发提供一种实验平台。
本发明的技术要点如图2所示：I1为通用的工业计算机，A2为控制柜，伺服包和计算机主机均安装在其中，R2为工业机器人。与图1在配置上的不同在于：增加了外接的工业计算机，使用户可以根据自己的实际需要编制和修改控制程序，图2中的机器人R2的型号可以灵活选用。
本发明的技术核心在于通过工业计算机及若干接口板，实现一种控制器对多种伺服包的控制。图3为具体的连接示意图，图中C1为多轴运动控制器PMAC2-PCR(简称PMAC)，它可以插在工业计算机上的ISA总线的插槽上，C2和C3为YASKAWA绝对码盘转换器ACC-8D-OPTION9，C4为信号匹配转换器ACC-8E，C5也为信号匹配转换器ACC-8F；S1和S2分别是两类不同的伺服包，S1是电压信号输入型伺服包，输入电压为0-6V，S2是PWM输入型伺服包，输入为PWM波；M1和M2为伺服电机，E1和E2分别为M1和M2的码盘信号输出单元(ENCODER)。
图3的工作原理如下：
通过运行在工业计算机上编制的控制程序发出电压控制信号，通过C1上的JMAC2接口传送给C4，再由C4经过放大传送给伺服包S1，进而形成伺服电机M1的驱动脉冲，另外计算机还控制PMAC产生另一路PWM信号，并通过JMAC4传给接口板C5，再由C5的P5端口输出给需要PWM输入信号的伺服包S2，伺服电机M2的驱动信号就来自S2。
另外机器人控制系统还需要确定机器人各个关节的位置的变化，该信号是通过安装在伺服电机上的码盘产生的，由于伺服包不相同，所以码盘信号的传递途径也是不同的。由E1产生的M1的码盘信号先送给S1，再通过S1的EO(ENCODE OUTPUT)端口传递给绝对码盘转换器C2，C2将绝对码盘信号转换为增量码盘信号，绝对码盘信号和增量码盘信号都传回PMAC；而M2的码盘信号是由E2产生后直接传递给C3，C3的信号又经C2和C5分别产生绝对信号和增量信号，并最终通过PMAC上的JMAC1和JMAC4汇总到PMAC。这样计算机就得到了两种伺服电机的码盘信号，通过计算机程序就可以解读这些码盘信号，以确定机器人各关节的位置和运动状态。
通过以上电路的连接，就可以很方便地实现向两种不同的伺服包提供控制信号，并能够解读两种不同伺服电机的码盘信号，能够非常灵活地控制这两类伺服电机。同理也可以扩展为多台伺服电机的控制。
本发明提出的机器人控制平台的主要优点如下：一套控制系统可以同时控制多台伺服包；由于采用了完全开放式的结构，用户可以根据工艺要求在本控制系统的基础上进行二次开发，完成一些原有系统所不具备的任务；由于将工业计算机引入了机器人的控制系统中，用户可以更加灵活地操作机器人，进行示教再现，并具有非常友好的人机界面；本套控制系统可实现最多对8轴运动的控制，与目前工业机器人普遍使用的6轴控制器相比，具有更高的控制精度和更广泛的应用领域；由于本发明中的机器人本体、伺服包、运动控制器和工业计算机均采用模块化设计，因此可根据实际需要自由进行组合，拓宽了机器人控制系统的应用领域。
附图说明：
图1为传统的工业机器人控制系统的配置连接图；
图2为本机器人控制平台的配置连接图；
图3为通过工业计算机控制两种类型伺服包的连接图；
图4为实施例中机器人六个轴伺服电机控制系统的结构框图；
实施例：
本控制平台通过如图3所示的电路实现了对两种伺服包的控制，运用此方法组成的工业机器人控制系统的结构框图如图4所示，图中工业计算机可采用ADVANTECH-610，还可采用YASKAWA MOTOMANSK10机器人本体作为控制对象，两种伺服包分别采用四台YASKAWACACR-SR15SZ1SD-Y214型单轴驱动伺服包和一台DELTA TAU四轴驱动伺服包，Y214型是电压控制型的伺服包，用于驱动机器人的S、L、U和R四个关节，DELTA TAU是PWM波控制型的伺服包，用于驱动机器人腕部的B和T两个关节。
工业计算机通过PMAC产生控制信号，再经过两块接口板ACC-8ED的放大后传给四个CACR-SR15SZ1SD-Y214单轴驱动伺服包，控制S、L、U和R四个关节的伺服电机。而另外两个轴B和T的伺服电机的驱动信号是由PMAC产生后通过ACC-8F传递给四轴驱动伺服包DELTA TAU的。
S、L、U和R四个关节的伺服电机的码盘信号都是先通过伺服包传递到ACC-8D，把绝对码盘信号转换为增量码盘信号，再通过ACC-8E传回PMAC；而B和T的伺服电机的码盘信号是直接传送到另一块ACC-8D，再分两路通过ACC-8E和ACC-8F传回PMAC的，通过在工业计算机上运行的程序可以很准确地确定SK10机器人6个关节的关节角和运动状态。
软件可以在目前通用的WINTEL平台上利用可视化程序(如VC)编制，基本算法采用运动学坐标变换和Pieper提出的基于D-H参数的逆运动学算法，其结构参数可以根据不同机器人本体进行调整，通过示教再现和直接编程两种方法对机器人的运动进行规划。软件也可以构筑在其他操作系统(如UNIX、Linux等)下，这种完全开放的硬件和软件结构对于提高机器人作业的灵活性具有十分重要的作用。
通过控制程序，可以控制SK10机器人在关节坐标、笛卡儿坐标、工具坐标和用户自定义坐标下的运动，可以完成直线、圆弧以及各种样条曲线的运动。本套机器人控制平台不仅可以控制机器人完成目前通用的工业机器人所具备的各种工作，而且还可以在其基础上进一步开发相应的软件，实现新的功能。
本发明用通用的开放式工业计算机取代了传统机器人控制器中专用的计算机，使用户不但可以按照传统的方法控制机器人，而且可以通过计算机灵活地调整和改变机器人的作业任务，甚至可以在开放的计算机平台上构筑新的适应各自不同生产要求的上层控制软件。因此可以便捷地为机器人增添一些出厂时不具备的功能，提高了用户对机器人的控制能力。该创作对于增加工业机器人的功能，提高其控制精度，拓展机器人在工业生产中的应用具有重要的作用。
Claims (2)
1.一种由通用的工业计算机、控制器、转换器、伺服包、伺服电机构成的开放式工业机器人控制平台，其特征在于：多轴控制器C1可以插在工业计算机上的ISA总线的插槽上，多轴控制器C1接口与信号匹配转换器C4连接，信号匹配转换器C4经过放大与伺服包S1连接，伺服包S1又与伺服电机M1连接形成驱动脉冲；伺服电机M1又通过码盘信号转换单元E1与伺服包S1连接；伺服包S1通过EO端口与绝对码盘转换器C2连接；绝对码盘转换器C2还分别与多轴控制器C1，另一绝对码盘转换器C3，信号匹配转换器C4连接；绝对码盘转换器C3连接接口板C5，接口板C5连接伺服包S2，伺服包S2连接伺服电机M2，伺服电机M2通过码盘信号输出单元E2与绝对码盘转换器C3连接；接口板C5亦与多轴控制器C1连接。
2.根据权利要求所述的开放式工业机器人控制平台，其特征在于：工业计算机通过ISA总线用插槽与多轴控制器连接，多轴控制器又与多个接口板连接，接口板又分别与绝对码盘转换器对应连接；每个接口板可以连接一对伺服包，实现一种控制器对多种伺服包的控制；伺服包亦与绝对码盘转换器连接，伺服包与伺服电机连接，伺服电机还可与绝对码盘转换器连接后与多轴控制器连接。
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