CN109648544A - 一种多关节智能工业机器人 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种多关节智能工业机器人，包括具有多个执行关节的机械主体，包括伺服驱动器、主控制系统、伺服电机和同步模块，每个执行关节内至少设置一个伺服电机，每个伺服电机由一个伺服驱动器控制，伺服驱动器包括FPGA控制器；同步模块用于同步多个伺服驱动器之间的运动指令。本发明通过一个伺服驱动器控制一个伺服电机，减少了伺服驱动器的工作量，该申请的机器人能控制精确。

Description

一种多关节智能工业机器人

技术领域

本发明涉及智能制造领域，尤其涉及一种多关节智能工业机器人。

背景技术

智能工业机器人是面向工业领域的多关节机械手或多自由度的机器装置，它能自动执行工作，是靠自身动力和控制能力来实现各种功能的一种机器。它可以接受人类指挥，也可以按照预先编排的程序运行，现代的工业机器人还可以根据人工智能技术制定的原则纲领行动。

随着社会发展的需要和机器人应用领域的扩大,人们对智能机器人的要求也越来越高。智能机器人所处的环境往往是未知的、难以预测的，在研究这类机器人的过程中，主要涉及到以下关键技术 :

多传感器信息融合技术是近年来十分热门的研究课题，它与控制理论、信号处理、人工智能、概率和统计相结合, 为机器人在各种复杂、动态、不确定和未知的环境中执行任务提供了1种技术解决途径。机器人所用的传感器有很多种，根据不同用途分为内部测量传感器和外部测量传感器两大类。内部测量传感器用来检测机器人组成部件的内部状态，包括:特定位置、角度传感器 ；任意位置、角度传感器；速度、角度传感器 ；加速度传感器；倾斜角传感器；方位角传感器等。外部传感器包括: 视觉(测量、认识传感器)、触觉(接触、压觉、滑动觉传感器)、力觉(力、力矩传感器)、接近觉(接近觉、距离传感器)以及角度传感器(倾斜、方向、姿式传感器)。多传感器信息融合就是指综合来自多个传感器的感知数据, 以产生更可靠、更准确或更全面的信息。经过融合的多传感器系统能够更加完善、精确地反映检测对象的特性, 消除信息的不确定性，提高信息的可靠性。融合后的多传感器信息具有以下特性：冗余性、互补性、实时性和低成本性。目前多传感器信息融合方法主要有贝叶斯估计、Dempster-Shafer 理论、卡尔曼滤波、神经网络、小波变换等。

路径规划技术是机器人研究领域的1个重要分支。最优路径规划就是依据某个或某些优化准则(如工作代价最小、行走路线最短、行走时间最短等),在机器人工作空间中找到1条从起始状态到目标状态、可以避开障碍物的最优路径。

随着工业化进程不断的发展，智能工业机器人被广泛应用于制造业，以多轴智能工业机器人更为常见，多轴智能工业机器人关节多，运动灵活。目前国内外的伺服系统大多数是一个伺服驱动器控制多个伺服电机，这种机器人的结构简便，系统简单，但是一个伺服驱动器的功能有限，无法达到精确操作目的。

发明内容

有鉴于此，为了解决现有技术中一个伺服驱动器的功能有限，无法达到精确控制多个伺服电机的问题，本发明提供一种多关节智能工业机器人。

为了实现上述目的，本发明的技术方案为：

一种多关节智能工业机器人，包括具有多个执行关节的机械主体，包括伺服驱动器、主控制系统、伺服电机和同步模块，每个所述执行关节内至少设置一个所述伺服电机，每个所述伺服电机由一个所述伺服驱动器控制，所述伺服驱动器包括FPGA控制器；

所述主控制系统接收用户指令，通过内部的程序对所述用户指令进行数据化的计算和转换，转换为所述机械主体的运行轨迹路径，并且发出运动指令；

所述伺服驱动器接收所述运动指令，驱动所述伺服电机完成规定的轨迹任务，驱动所述机械主体到达目标位置；

所述伺服电机用于驱动所述执行关节；

所述同步模块用于同步多个所述伺服驱动器之间的所述运动指令。

优选地，还包传感器系统，所述传感器系统至少包括摄像头、红外光电限位开关和位置传感器；所述位置传感器将所述伺服电机的实时位置反馈给所述伺服驱动器。

优选地，所述伺服驱动器还包括PID控制器，经过所述PID控制器调节使得所述机械主体到达的实际位置和所述主控制系统发出的目标位置差值变小。

优选地，所述位置传感器采用绝对值位置编码器或增量式位置编码器。

优选地，还包括通信总线，所述通信总线为所述主控制系统与所述伺服驱动器之间的通信纽带，所述通信总线采用型号为差分总线RS485。

优选地，还包括主寄存器和分寄存器，多个所述伺服驱动器直接与一个所述主寄存器连接，一个所述主寄存器与多个所述分寄存器连接，一个所述分寄存器连接一个所述伺服电机。

优选地，所述伺服驱动器包括FPGA控制器、逆变电路板、接口电路板、连接用的母板以及用于供电的电源，所述接口电路板和所述FPGA控制器与所述母板之间通过PCI插槽垂直连接，所述逆变电路板与所述母板之间通过插拔式接插件垂直连接。

优选地，所述电源包括控制电源和功率电源，所述控制电源和功率电源采用同一个三相电源输入空气开关后分两个部分，第一部分经过两相 EMI 滤波器后控制电源，第二部分经过两级三相EMI滤波器后进入交流接触器作为功率电源，两部分电源相对独立，互不干扰。

优选地，所述伺服电机采用永磁同步电机。

有益效果：

本发明通过一个伺服驱动器控制一个伺服电机，减少了伺服驱动器的工作量，该申请的机器人能控制精确，并且在每个伺服驱动器内上设置同步模块，同步模块均连接到主控制系统，保证了精确控制的情况下不影响各部件的协作效果。

附图说明

图1为本发明一种多关节智能工业机器人的结构框图；

图2为本发明中主寄存器与分寄存器连接的通信原理图；

图3为本发明中伺服驱动器的结构框图

图4为本发明中电源的原理图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1-4所示，本发明实施例提出了一种多关节智能工业机器人，包括具有多个执行关节的机械主体，包括伺服驱动器、主控制系统、伺服电机和同步模块，每个执行关节内至少设置一个伺服电机，每个伺服电机由一个伺服驱动器控制，其中主控制系统主控制系统计算和完成工业机器人的轨迹规划路径，执行用户指令，相当于工业机器人的大脑，可以存储视教指令，包括工业机器人的运动轨迹和转动角度，主控制系统一般由工控机 PC、可编程的PLC或具有强大运算能力的DSP 实现。

伺服驱动器包括FPGA控制器，FPGA（Field－Programmable Gate Array），即现场可编程门阵列，它是在PAL、GAL、CPLD等可编程器件的基础上进一步发展的产物。它是作为专用集成电路（ASIC）领域中的一种半定制电路而出现的，既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点；本发明中，FPGA控制器的并行优势在多轴伺服驱动器的应用中更加明显。

主控制系统接收用户指令，通过内部的程序对用户指令进行数据化的计算和转换，转换为机械主体的运行轨迹路径，并且发出运动指令；

伺服驱动器接收运动指令，驱动伺服电机完成规定的轨迹任务，驱动机械主体到达目标位置；

伺服电机驱动驱动执行关节；采用交流或者直流伺服电机的电气驱动方式，具有控制精度高、机械结构简单和响应速度快的特点。

同步模块用于同步多个伺服驱动器之间的运动指令。

还包传感器系统，传感器系统至少包括摄像头、红外光电限位开关和位置传感器；位置传感器将伺服电机的实时位置反馈给伺服驱动器。

伺服驱动器还包括PID控制器，又叫比例-积分-微分控制器，是一个在工业控制应用中常见的反馈回路部件，由比例单元P、积分单元I和微分单元D组成。经过PID控制器调节使得机械主体到达的实际位置和主控制系统发出的目标位置差值变小。

位置传感器采用绝对值位置编码器或增量式位置编码器，本申请为了提高多轴伺服系统的兼容性，硬件上均使用了两种类型的位置传感器接口。

还包括通信总线，通信总线为主控制系统与伺服驱动器之间的通信纽带，通信总线采用型号为差分总线RS485。

如图2还包括主寄存器和分寄存器，多个伺服驱动器直接与一个主寄存器连接，一个主寄存器与多个分寄存器连接，一个分寄存器连接一个伺服电机。FPGA控制器内部的基本运算执行单元均是MAC；FPGA一次性并行处理多个轴的数据，然后主寄存器再进行数据融合操作。

如图3伺服驱动器包括FPGA控制器、逆变电路板、接口电路板、连接用的母板以及用于供电的电源，接口电路板和FPGA控制器与母板之间通过PCI插槽垂直连接，逆变电路板与母板之间通过插拔式接插件垂直连接。

如图4电源包括控制电源和功率电源，控制电源和功率电源采用同一个三相电源输入空气开关后分两个部分，第一部分经过两相 EMI 滤波器后控制电源，第二部分经过两级三相EMI滤波器后进入交流接触器作为功率电源，两部分电源相对独立，互不干扰。

伺服电机采用永磁同步电机。因为此类电机绕组两两导通，相差120°电角度，每转动60°换相，所以只需要在转子换相时检测位置信息即可。

最后需要说明的是：以上仅为本发明的较佳实施例，仅用于说明本发明的技术方案，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所做的任何修改、等同替换和改进等，均包含在本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种多关节智能工业机器人，包括具有多个执行关节的机械主体，其特征在于，包括伺服驱动器、主控制系统、伺服电机和同步模块，每个所述执行关节内至少设置一个所述伺服电机，每个所述伺服电机由一个所述伺服驱动器控制，所述伺服驱动器包括FPGA控制器；

所述主控制系统接收用户指令，通过内部的程序对所述用户指令进行数据化的计算和转换，转换为所述机械主体的运行轨迹路径，并且发出运动指令；

所述伺服驱动器接收所述运动指令，驱动所述伺服电机完成规定的轨迹任务，驱动所述机械主体到达目标位置；

所述伺服电机用于驱动所述执行关节；

所述同步模块用于同步多个所述伺服驱动器之间的所述运动指令。

2.根据权利要求1所述的多关节智能工业机器人，其特征在于，还包括传感器系统，所述传感器系统至少包括摄像头、红外光电限位开关和位置传感器；所述位置传感器将所述伺服电机的实时位置反馈给所述伺服驱动器。

3.根据权利要求2所述的多关节智能工业机器人，其特征在于，所述伺服驱动器还包括PID控制器，经过所述PID控制器调节使得所述机械主体到达的实际位置和所述主控制系统发出的目标位置差值变小。

4.根据权利要求2所述的多关节智能工业机器人，其特征在于，所述位置传感器采用绝对值位置编码器或增量式位置编码器。

5.根据权利要求1所述的多关节智能工业机器人，其特征在于，还包括通信总线，所述通信总线为所述主控制系统与所述伺服驱动器之间的通信纽带，所述通信总线的型号为差分总线RS485。

6.根据权利要求1所述的多关节智能工业机器人，其特征在于，还包括主寄存器和分寄存器，多个所述伺服驱动器直接与一个所述主寄存器连接，一个所述主寄存器与多个所述分寄存器连接，一个所述分寄存器连接一个所述伺服电机。

7.根据权利要求1所述的多关节智能工业机器人，其特征在于，所述伺服驱动器包括FPGA控制器、逆变电路板、接口电路板、连接用的母板以及用于供电的电源，所述接口电路板和所述FPGA控制器与所述母板之间通过PCI插槽垂直连接，所述逆变电路板与所述母板之间通过插拔式接插件垂直连接。

8.根据权利要求7所述的多关节智能工业机器人，其特征在于，所述电源包括控制电源和功率电源，所述控制电源和功率电源采用同一个三相电源输入空气开关后分两个部分，第一部分经过两相 EMI 滤波器后控制电源，第二部分经过两级三相EMI滤波器后进入交流接触器作为功率电源，两部分电源相对独立，互不干扰。

9.根据权利要求1-8所述的多关节智能工业机器人，其特征在于，所述伺服电机采用永磁同步电机。