CN109940641A - 开放式驱控一体化工业机器人的控制及实验系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了开放式驱控一体化工业机器人的控制及实验系统，包括伺服电机测试平台、控制机箱、便携式上位机。伺服电机测试平台，包括并行安装的六部电、联轴器、编码器，每部电机的输出轴通过联轴器连接有主回转轴，主回转轴上设有摩擦轮，摩擦轮后部有可调节的摩擦盘，主回转轴通过延伸后连接编码器；每部电机的输出轴通过主回转轴带动摩擦轮以提供摩擦负载，用于模拟机器人关节负载力矩；控制机箱内设有DSP运动控制器，DSP运动控制器连接伺服电机测试平台和便携式上位机，DSP运动控制器控制电机的转矩、转速和转角。本测试系统可以为六轴串联机器人的研发过程提供相关性能测试。
Description
技术领域
本发明涉及开放式驱控一体化工业机器人的测试系统，尤其是一种开放式驱控一体化工业机器人的控制及实验系统。
背景技术
六轴串联机器人研发中的一个技术关键是开发伺服电机控制算法并测试电机控制性能。机器人的运动轨迹及末端精度取决于关节伺服电机的位置控制、速度控制、加速度控制、负载补偿控制等方面的性能。在控制算法开发和控制参数标定之前将伺服电机装入机器人本体进行测试具有安全性差、过程复杂、可控性难以把握等问题。
随着工业机器人的应用在我国迅速普及，越来越多的厂家开始涉及工业机器人的研发生产。机器人关节伺服电机的控制及测试是整个系统的核心任务，然而市场上并没有适合六轴串联机器人电机测试的通用实验平台及其控制系统。
发明内容
为了解决现有技术的不足，本发明提出了一种开放式驱控一体化工业机器人的控制及实验系统。
本发明采用如下技术方案：
开放式驱控一体化工业机器人的控制及实验系统，包括伺服电机测试平台、控制机箱、便携式上位机；所述伺服电机测试平台，包括并行安装的六部电、联轴器、编码器，每部电机的输出轴通过联轴器连接有主回转轴，主回转轴上设有摩擦轮，摩擦轮后部有可调节的摩擦盘，主回转轴通过延伸后连接编码器；每部电机的输出轴通过主回转轴带动摩擦轮以提供摩擦负载，用于模拟机器人关节负载力矩；控制机箱内设有DSP运动控制器，DSP运动控制器连接伺服电机测试平台和便携式上位机，DSP运动控制器控制电机的转矩、转速和转角。
摩擦盘外部设有摩擦盘外罩，摩擦盘不可旋转的置于摩擦盘外罩中，摩擦盘前部和摩擦盘外罩之间安装有复位弹簧来提供回程力；摩擦盘后部设有摩擦盘调节螺母用于推动摩擦盘前后移动，摩擦盘调节螺母调整摩擦轮和摩擦盘之间的接触力，用以模拟机器人关节的负载力矩。
进一步地，伺服电机测试平台包括实验台底架，实验台底架上安装有电机安装底座，电机通过电机安装法兰固定在电机安装底座上，电机与电机安装底座之间加装有电机底部垫块。
进一步地，摩擦轮前部设有摩擦轮夹块，摩擦轮与摩擦盘之间加装有滑动轴承。
进一步地，摩擦轮夹块前部加装有外紧固螺母，摩擦盘后部加装有内紧固螺母。
更进一步地，摩擦盘外罩内设有调节螺母安装座，摩擦盘调节螺母通过调节螺母安装座与摩擦盘外罩相连。
控制机箱，包括机箱，所述机箱内设有后面板，所述后面板上垂直布置有六路电机驱动器，每个电机驱动器均连接有接触器，接触器下方装有滤波器；所述电机驱动器上方装有起到电磁隔离作用的金属板，金属板上方装有DSP运动控制器；所述机箱上设有电气断路器、电源开关和急停按钮，所述机箱侧部设有电源口，电源口用于接入外部供电，外部供电先接入机箱上的电源按钮和急停开关，外部供电的火线和零线分别接入电气断路器，其输出线接入滤波器，再接入接触器，之后接入电机驱动器为之供电。
进一步地，所述控制器自带金属外罩，金属外罩起到电磁隔离作用。
进一步地，所述DSP运动控制器包括基于TMS320F28335的DSP控制卡。
进一步地，所述电机驱动器包括松下A6系列电机驱动器。
进一步地，所述接触器为施耐德LC1-N0610M5N型接触器。
进一步地，所述断路器为施耐德GV3P40型断路器。
进一步地，所述滤波器为AOTUKER的PNF221-G-5A型电源滤波器。
进一步地，所述控制箱后背板开有六个电机动力线输出口，将电机动力线、编码器线和制动线分别连接每个电机驱动器和伺服电机。
进一步地，所述控制箱右侧开有风扇口，用于安装散热风扇。
更进一步地，所述DSP运动控制器通过上位机通讯口用SPI通讯电缆连接有控制箱外部的上位机。
便携式上位机，包括由上位机前面板、上位机后壳组成的上位机壳体，上位机前面板上设有电容式触摸屏，机壳内设有主控制器，所述上位机后壳的后部为弧形曲面结构，弧形曲面结构上设有弧形把手，弧形把手上方配有示教按钮，电容式触摸屏、示教按钮均连接主控制器。
进一步地，所述上位机前面板上设有急停按钮、电源控制按钮。
进一步地，所述上位机后壳侧部设有上位机电源口、上位机LAN孔、第一USB孔、第二USB孔、控制信号输出孔，控制信号输出孔内设有DB9母头插座。
进一步地，所述主控制器为树莓派3b+控制器，树莓派3b+控制器为具有1.2GHz主频的Cortex-A53四核CPU。
进一步地，所述示教按钮连接树莓派3b+控制器的GPIO引脚。
进一步地，所述上位机LAN孔、第一USB孔、第二USB孔连接树莓派3b+控制器的SPI通讯引脚。
DSP运动控制器包括DSP控制卡、SPI通讯端口、电源模块、数模转换模块、数字脉冲输出处理模块、通讯端口；所述DSP控制卡通过SPI通讯端口连接有上位机，DSP控制卡通过串行RS232接口/RS485接口、通讯端口连接伺服电机，DSP控制卡通过数模转换模块、数字脉冲输出处理模块连接电机驱动器；DSP控制卡通过RS232接口/RS485接口接收伺服电机的绝对值编码器发送的转角信号，DSP控制卡通过数模转换模块控制伺服电机的转矩和转速，通过数字脉冲输出处理模块控制伺服电机的转角。
进一步地，所述DSP控制卡为基于TMS320F28335的DSP控制卡。
进一步地，所述数模转换模块采用基于DAC8218芯片的8路14位DA转换器。
进一步地，所述电源模块包TPS65131芯片，将5V输入电源转换为+15V和-15V电源，为DAC8218芯片供电。
进一步地，所述数模转换模块连接有电压校正模块，电压校正模块包括TL750L08芯片、REF5050芯片；TL750L08芯片将DAC8218芯片的+15V电源转换为+8V,随后使用REF5050芯片将+8V转换为DAC8218芯片所需的+5V参考电压。
进一步地，所述TMS320F28335的DSP控制卡自身EPWM引脚提供脉冲信号，EPWM引脚连接有HCPL2630芯片，HCPL2630芯片用于调整脉冲信号。
进一步地，所述TMS320F28335的DSP控制卡的EPWM引脚、ECAP引脚均连接HCPL2630芯片的输入端，TMS320F28335的DSP控制卡的ECAP信号与EPWM信号相交，用来统计发送脉冲的个数。
进一步地，所述电源模块包括TPS767D301芯片，TPS767D301芯片将输入的5V直流电源转换为3.3V和1.9V电源，为TMS320F28335的DSP控制卡供电。
进一步地，所述RS232接口包括芯片MAX3232，RS485接口包括芯片MAX485。
采用如上技术方案取得的有益技术效果为：
DSP控制卡使用SPI通讯接收由上位机规划出的轨迹数据包，计算出驱动6个电机所需的驱动信号，发给电机驱动器。DSP控制卡通过RS232接口/RS485接口接收伺服电机的绝对值编码器发送的转角信号，DSP控制卡通过数模转换模块控制伺服电机的转矩和转速，通过数字脉冲输出处理模块控制伺服电机的转角，完成闭环控制。
电机用联轴器连接由羊毛轮制成的摩擦轮，摩擦轮后部有可调节的摩擦盘，通过调节螺母和复位弹簧调节摩擦轮和摩擦盘之间的摩擦力，用以提供模仿机器人关节的负载力矩。主回转轴通过延伸后连接后部的光电编码盘，测量电机轴的实际输出转角。光电编码盘数值通过显示模块输出供测试人员读取，从而可以对控制结果进行校核。
控制机箱，由DSP运动控制器接收上位机计算发出的控制指令，转换为电机控制信号后，输出至电机驱动器，之后接入伺服电机控制其按规划运动。配电系统配有可靠的滤波和保护装置。整个控制箱结构紧凑，体积较小，移动方便等特点，可以灵活适应工业现场的不同工况。
便携式上位机，具有触摸屏人机界面和内置CPU，配套设计多路控制按钮、把持机构和符合人机工程学设计的机壳，实现编程、示教、在线控制等功能。
由上位机编写控制程序、解算运动轨迹、产生运动指令，由通用DSP运动控制器产生机器人实际控制信号，控制伺服电机测试平台。测试各电机在不同负载下的控制精度，本测试系统可以为六轴串联机器人的研发过程提供相关性能测试。
附图说明
图1为开放式驱控一体化工业机器人的控制及实验系统框图。
图2为伺服电机测试平台整体结构图。
图3为图2的顶视图。
图4为摩擦盘安装零件图。
图5为摩擦盘整体结构图。
图6为控制机箱结构图。
图7为控制机箱的外观图。
图8为控制机箱的后视图。
图9为控制机箱的内部模块结构图。
图10为控制机箱的框架结构图。
图11为DSP运动控制器连接示意图。
图12为便携式上位机结构爆炸图。
图13为便携式上位机前视图。
图14为便携式上位机后视图。
图15为上位机后壳示意图。
图16为上位机后壳带主控制器示意图。
图17为上位机前盖后视图。
图18为直流5V转3.3V和1.9V供电模块电路图。
图19为直流电源滤波模块电路图。
图20为直流5V转正负15V升压模块电路图。
图21为数模转换5V参考电压校正模块电路图。
图22为低功耗8路14位数模转换模块电路图。
图23为基于TMS320F28335的DSP最小系统模块电路图。
图24为电机驱动5V脉冲信号输出模块电路图。
图25为串行RS485通讯模块电路图。
图26为串行RS232通讯模块电路图。
图中，1、电机，2、电机底部垫块，3、电机安装底座，4、电机安装法兰，5、联轴器，6、摩擦盘外罩，7、摩擦轮夹块，8、摩擦轮，9、复位弹簧，10、摩擦盘，11、摩擦盘调节螺母，12、编码器，13、实验台底架，14、外紧固螺母，15、滑动轴承，16、内紧固螺母，17、调节螺母安装座，18、主回转轴；
21、前盖，22、电源按钮，23、急停开关，24、电气断路器，25、机箱，26、上位机通讯口，27、电源口，28、前盖锁，29、电机动力线输出口，30、风扇口，31、布线孔，32、DSP运动控制器，34、电机驱动器，35、接触器，36、滤波器，38、第一进线孔，39、第二进线孔，40、立柱，41、底板；
51、急停按钮，52、电源控制按钮，53、上位机前面板，54、电容式触摸屏，55、主控制器，56、示教按钮，57、上位机后壳，58、上位机电源口，59、上位机LAN孔，60、第一USB孔，61、第二USB孔，62、控制信号输出孔，63、DB9母头插座。
具体实施方式
结合附图1至23对本发明的具体实施方式做进一步说明：
开放式驱控一体化工业机器人的控制及实验系统，包括伺服电机测试平台、控制机箱、便携式上位机。由通用上位机编写控制程序、解算运动轨迹、产生运动指令，由通用DSP运动控制器产生机器人实际控制信号，由不同伺服电机厂商提供的电机驱动器完成适配电机驱动任务。
伺服电机测试平台，包括并行安装的六部电机1、联轴器5、编码器12，每部电机输出轴通过联轴器连接有主回转轴18，主回转轴上设有摩擦轮8，摩擦轮后部有可调节的摩擦盘10，主回转轴通过延伸后连接编码器；每部电机的输出轴通过主回转轴带动摩擦轮以提供摩擦负载，用于模拟机器人关节负载力矩。摩擦轮为工业抛光用羊毛轮。
摩擦盘外部设有摩擦盘外罩6，摩擦盘不可旋转的置于摩擦盘外罩中，摩擦盘前部和摩擦盘外罩之间安装有复位弹簧9来提供回程力；摩擦盘后部设有摩擦盘调节螺母11用于推动摩擦盘前后移动，摩擦盘调节螺母调整摩擦轮和摩擦盘之间的接触力，用以模拟机器人关节的负载力矩。
电机安装使用可调式底部垫块和X型安装法兰，以安装松下A6系列不同功率型号的电机。伺服电机测试平台，包括实验台底架13，实验台底架上安装有电机安装底座3，电机通过电机安装法兰4固定在电机安装底座上，电机1与电机安装底座之间加装有电机底部垫块2。
摩擦轮前部设有摩擦轮夹块7，摩擦轮与摩擦盘之间加装有滑动轴承15。
摩擦轮夹块前部加装有外紧固螺母14，摩擦盘后部加装有内紧固螺母16。
摩擦盘外罩内设有调节螺母安装座17，摩擦盘调节螺母通过调节螺母安装座与摩擦盘外罩相连。在主回转轴上用滑动轴承安装可前后移动的铝制摩擦盘，摩擦盘置于摩擦盘外罩中不可旋转，但可以在后部调节摩擦盘调节螺母，在其推动下前后移动。通过旋转摩擦盘后部的，摩擦盘调节螺母，可以调整摩擦轮和摩擦盘之间的接触力，用以模拟机器人关节的负载力矩。
伺服电机测试平台末端连接编码器和显示模块以读取电机轴实际转角，供测试人员校核控制结果。编码器选用欧姆龙E6B2-CWZ1X线性驱动输出编码器，可以输出电机轴的实际转角。编码器输出使用GIM22-3型编码器显示模块显示输出转角数值，供测试人员校核控制结果。
控制机箱，包括机箱25，所述机箱25内设有后面板，所述后面板上垂直布置有六路电机驱动器34，每个电机驱动器均连接有接触器35，接触器35下方装有滤波器36；所述电机驱动器上方装有起到电磁隔离作用的金属板，金属板上方装DSP运动控制器32；所述机箱25上设有电气断路器24、电源开关和急停按钮，所述机箱25侧部设有电源口27，电源口27用于接入外部供电，外部供电先接入机箱25上的电源按钮22和急停开关23，外部供电的火线和零线分别接入电气断路器24，其输出线先接入滤波器36，再接入接触器35，之后接入电机驱动器34分别为之供电。
DSP运动控制器通过上位机通讯口26用SPI通讯电缆连接有控制箱外部的上位机。DSP运动控制器，负责接收上位机计算发出的机器人关机控制指令，转换成控制伺服电机的驱动信号，发给电机驱动器后实现伺服电机的精确运动控制。
用于开放式驱控一体化工业机器人控制系统的控制机箱，采用前开门的立式箱型设计，高不超过60cm，宽不超过50cm，厚不超过40cm，便于现场移动和调试。其前盖21设有前盖锁28，可由钥匙打开。机箱内部还设有用于支撑的立柱40，底部还设有底板41。控制箱右侧开有风扇口30，用于安装散热风扇。
六部电机驱动器为松下A6系列驱动器，包括MAD型100瓦驱动器1部，MAD型200瓦驱动器2部，MBD型400瓦驱动器2部，MCD型750瓦驱动器1部。但是可以换装其他型号电机的配套驱动器。电机驱动器上部的后面板上设有布线孔31。
每部驱动器供电部分配有1块施耐德LC1-N0610M5N型接触器，每个接触器前面串接有一块AOTUKER的PNF221-G-5A型电源滤波器。
机箱内部装有施耐德GV3P40型电机断路器，电流30-40A可调，断路器旋钮外置可供人员复位调整。断路器经过急停按钮和电源按钮后，连接于民用220V供电。
机箱后背板开有6个电机动力线输出口29，允许电机动力线、编码器线和制动线通过，连接驱动器和伺服电机。机箱右侧面开有散热风扇孔，安装15cm散热风扇。
机箱内配有基于TMS320F28335型DSP运动控制器，DSP运动控制器安装在金属板上，金属板上设有第一进线孔38、第二进线孔39。DSP运动控制器与控制箱外部的上位机用SPI通讯电缆联机，控制器输出端分别接6部伺服电机驱动器，提供驱动器所需的脉冲信号和-10V至+10V模拟信号，控制伺服电机按上位机要求运动。
便携式上位机，包括由上位机前面板53、上位机后壳57组成的上位机壳体，上位机前面板上设有电容式触摸屏54，机壳内设有主控制器55，所述上位机后壳的后部为弧形曲面结构，弧形曲面结构上设有弧形把手，弧形把手上方配有示教按钮56，电容式触摸屏、示教按钮均连接主控制器。
便携式上位机宽度240mm,高度175mm，厚度(除弧形把手外)32mm。把手长度150mm,宽度18mm,空间弧顶最大距离25mm，符合人机工程学。
上位机前面板上设有急停按钮51、电源控制按钮52。
上位机后壳侧部设有上位机电源口58、上位机LAN孔59、第一USB孔60、第二USB孔61、控制信号输出孔62，控制信号输出孔内设有DB9母头插座63。上位机LAN孔、第一USB孔、第二USB孔、DB9母头插座连接树莓派3b+控制器的SPI通讯引脚。
主控制器为树莓派3b+控制器，树莓派3b+控制器为具有1.2GHz主频的Cortex-A53四核CPU，配有基于Linux的Raspbian操作系统，配有USB端口2个和LAN端口1个，能够实现编程、示教和在线控制功能。USB端口2、LAN端口分别对应上位机后壳侧部上的上位机LAN孔、第一USB孔、第二USB孔。
示教按钮连接树莓派3b+控制器的GPIO引脚。按下示教按钮后机器人进入示教模式，伺服电机闸片松开，可由人工拖动机械臂运动到指定位置，之后由关节伺服电机的编码器记录下各轴的转角位置。
当然，以上说明仅仅为本发明的较佳实施例，本发明并不限于列举上述实施例，应当说明的是，任何熟悉本领域的技术人员在本说明书的指导下，所做出的所有等同替代、明显变形形式，均落在本说明书的实质范围之内，理应受到本发明的保护。
Claims (6)
1.开放式驱控一体化工业机器人的控制及实验系统，其特征在于，包括伺服电机测试平台、控制机箱、便携式上位机；
所述伺服电机测试平台，包括并行安装的六部电机(1)、联轴器(5)、编码器(12)，每部电机(1)的输出轴通过联轴器(5)连接有主回转轴(18)，主回转轴(18)上设有摩擦轮(8)，摩擦轮(8)后部有可调节的摩擦盘(10)，主回转轴(18)通过延伸后连接编码器(12)；每部电机(1)的输出轴通过主回转轴(18)带动摩擦轮(8)以提供摩擦负载，用于模拟机器人关节负载力矩；
控制机箱内设有DSP运动控制器，DSP运动控制器连接伺服电机测试平台和便携式上位机，DSP运动控制器控制电机的转矩、转速和转角。
2.根据权利要求1所述的开放式驱控一体化工业机器人的控制及实验系统，其特征在于，所述摩擦盘(10)外部设有摩擦盘外罩(6)，摩擦盘(10)不可旋转的置于摩擦盘外罩(6)中，摩擦盘(10)前部和摩擦盘外罩(6)之间安装有复位弹簧(9)来提供回程力；
摩擦盘(10)后部设有摩擦盘调节螺母(11)用于推动摩擦盘(10)前后移动，摩擦盘调节螺母(11)调整摩擦轮(8)和摩擦盘(10)之间的接触力，用以模拟机器人关节的负载力矩。
3.根据权利要求1所述的开放式驱控一体化工业机器人的控制及实验系统，其特征在于，所述摩擦轮(8)前部设有摩擦轮夹块(7)，摩擦轮(8)与摩擦盘(10)之间加装有滑动轴承(15)；
所述摩擦轮夹块(7)前部加装有外紧固螺母(14)，摩擦盘(10)后部加装有内紧固螺母(16)。
4.根据权利要求1所述的开放式驱控一体化工业机器人的控制及实验系统，其特征在于，所述控制机箱，包括机箱(25)，所述机箱(25)内设有后面板，所述后面板上垂直布置有六路电机驱动器(34)，每个电机驱动器(34)均连接有接触器(35)，接触器(35)下方装有滤波器(36)；
所述电机驱动器(34)上方装有起到电磁隔离作用的金属板，金属板上方装DSP运动控制器(32)；
所述机箱(25)上设有电气断路器(24)、电源开关和急停按钮，所述机箱(25)侧部设有电源口(27)，电源口(27)用于接入外部供电，外部供电先接入机箱(25)上的电源按钮(22)和急停开关(23)，外部供电的火线和零线分别接入电气断路器(24)，其输出线先接入滤波器(36)，再接入接触器(35)，之后接入电机驱动器(34)分别为之供电。
5.根据权利要求1所述的开放式驱控一体化工业机器人的控制及实验系统，其特征在于，所述便携式上位机，包括由上位机前面板(53)、上位机后壳(57)组成的上位机壳体，上位机前面板(53)上设有电容式触摸屏(54)，机壳内设有主控制器(55)，所述上位机后壳(57)的后部为弧形曲面结构，弧形曲面结构上设有弧形把手，弧形把手上方配有示教按钮(56)，电容式触摸屏(54)、示教按钮(56)均连接主控制器(55)。
6.根据权利要求1或4所述的开放式驱控一体化工业机器人的控制及实验系统，其特征在于，所述DSP运动控制器包括DSP控制卡、SPI通讯端口、电源模块、数模转换模块、数字脉冲输出处理模块、通讯端口；
所述DSP控制卡通过SPI通讯端口连接有上位机，DSP控制卡通过串行RS232接口/RS485接口、通讯端口连接伺服电机，DSP控制卡通过数模转换模块、数字脉冲输出处理模块连接电机驱动器(34)；
DSP控制卡通过RS232接口/RS485接口接收伺服电机的绝对值编码器发送的转角信号，DSP控制卡通过数模转换模块控制伺服电机的转矩和转速，通过数字脉冲输出处理模块控制伺服电机的转角。
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