CN110039511B - 一种8轴联动机器人及其控制系统和控制方法 - Google Patents

一种8轴联动机器人及其控制系统和控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于工业自动控制领域，涉及一种8轴联动机器人及其控制系统和控制方法。一种8轴联动机器人，包括8个运动轴，其中：第七运动轴用于在Z轴上延伸机器人的运动范围，第八运动轴用于在X轴上延伸机器人的运动范围。一种8轴联动机器人控制系统，采用PC机Linux主站+EtherCAT从站的控制方式，保证了8轴联动机器人的实时性与准确性；采用机器人视觉装置、8轴机器人控制板卡，保证了8轴联动机器人的焊接精度。一种8轴联动机器人控制方法，通过构建8轴联动机器人控制模型，基于运动规划、速度规划、路径规划、机器视觉智能识别等算法，适用于曲面长幅度焊接的焊接机器人。

Description

一种8轴联动机器人及其控制系统和控制方法
技术领域
本发明属于工业自动控制领域，涉及一种8轴联动机器人及其控制系统和控制方法。
背景技术
随着工业自动化水平的不断提高，工业机器人被广泛地应用于各个领域。在船舶大合拢焊接中，焊缝具有双曲面形状，而且焊缝超长，采用传统的6轴联动工业机器人已经无法满足长距离焊缝焊接的要求。
EtherCAT总线是一种实时以太网技术，具有高速简单、易于实现等优点，兼容标准以太网，拥有最优的硬实时性能，使得底层IO的响应时间大大缩减。伺服单元是工业控制中一种常用的控制器，广泛地应用于数控机床等高精度设备。传统采用PC驱动控制卡的方式，通讯是设备性能提升的主要瓶颈，不能满足8轴联动机器人的控制。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种8轴联动机器人，相对于传统的6轴联动机器人，增加了可水平移动和垂直移动的两轴，在保持机器人姿态不变的情况下，扩宽了机器人在X轴和Z轴方向上的运动范围。
本发明还提供一种8轴联动机器人控制系统，采用PC机Linux主站+EtherCAT从站的控制方式，保证了8轴联动机器人的实时性与准确性。采用机器人视觉装置、8轴机器人控制板卡，保证了8轴联动机器人的焊接精度。
本发明还提供一种8轴联动机器人控制方法。
本发明的8轴联动机器人采用如下技术方案实现：
一种8轴联动机器人，包括：第一运动轴、第二运动轴、第三运动轴、第四运动轴、第五运动轴、第六运动轴、第七运动轴和第八运动轴，其中：第一运动轴～第六运动轴对应6轴机械臂，第七运动轴用于在Z轴上延伸机器人的运动范围，第八运动轴用于在X轴上延伸机器人的运动范围；第七运动轴采用伺服连杆升降的方式连接第一运动轴与第八运动轴，第八运动轴采用电动伺服控制方式，控制机器人在导轨上的运动。
优选地，第七运动轴采用液压伺服控制方式，第一运动轴～第六运动轴与第八运动轴采用半闭环电动伺服控制方式。
优选地，液压伺服控制采用激光位置传感器进行测距，第七运动轴上装有激光位置传感器。
优选地，8轴联动机器人本体上安装有双目视觉装置和伺服控制器。
本发明的8轴联动机器人控制系统采用如下技术方案实现：
一种8轴联动机器人控制系统，包括：PC机Linux主站、EtherCAT从站控制器、8轴机器人控制板卡、机器人视觉装置和8轴联动机器人本体；8轴机器人控制板卡和机器人视觉处理装置通过EtherCAT从站控制器与PC机Linux主站相连，机器人视觉装置和8轴控制板卡通过数字/模拟接口与8轴联动机器人本体相连。
进一步地，PC机Linux主站包括LinuxCNC及与其相连的以太网卡和人机界面；LinuxCNC用于机器人算法计算和机器人运动轨迹规划，并实时返回当前机器人的位置和姿态；以太网卡用于将PC机Linux主站命令下发；人机界面将接收到的外部命令进行编码送入LinuxCNC进行处理，并以三维模型显示当前机器人的位置和姿态；
EtherCAT从站控制器包括EtherCAT从站控制器I和EtherCAT从站控制器II，其中，EtherCAT从站控制器I连接PC机Linux主站和8轴机器人控制板卡，EtherCAT从站控制器II连接PC机Linux主站和机器人视觉装置；
8轴机器人控制板卡用于8轴联动机器人本体的控制，包括：CPU处理器I、数字/模拟接口I和J1-J8轴伺服接口；CPU处理器I通过EtherCAT从站控制器I与PC机Linux主站相连；CPU处理器I通过数字/模拟接口I与第七运动轴上的激光位置传感器相连，用于获取第七运动轴的位置量；J1～J8轴伺服接口用于连接CPU处理器I和8轴联动机器人本体的伺服驱动器，由电平转换电路和隔离电路组成，完成CPU处理器I与8轴联动机器人本体伺服控制器之间的电平转换任务；
机器人视觉装置用于对焊缝的识别、焊点的定位和焊缝曲线的拟合，包括：CPU处理器II和数字/模拟接口II；CPU处理器II通过EtherCAT从站控制器II与PC机Linux主站相连，将拟合的焊缝曲线信息送回PC机Linux主站；机器人视觉装置通过在CPU处理器II上安装与PC机Linux主站设备相对应的从站软件，实现EtherCAT的报文发送与接收，同时，CPU处理器II通过数字/模拟接口II与8轴联动机器人本体上的双目视觉装置相连。
优选地，将EtherCAT从站控制器I集成到CPU处理器I中，将EtherCAT从站控制器II集成到CPU处理器II中。
优选地，8轴联动机器人控制系统对运动轴的控制采用液压伺服控制和电气伺服控制相结合的方式；其中，第七运动轴采用液压伺服控制系统，第一运动轴～第六运动轴与第八运动轴采用电动伺服控制系统。
本发明的8轴联动机器人控制方法采用如下技术方案实现：
一种8轴联动机器人控制方法，包括：
执行手眼标定操作，将标定的信息进行保存；
安装在8轴联动机器人本体上的双目视觉装置通过数字/模拟接口将捕获的焊缝信息送入到CPU处理器II中，CPU处理器II使用视觉处理算法进行处理，将处理后的信息通过CPU处理器II中的从站软件送入PC机Linux主站中；
PC机Linux主站构建8轴联动机器人控制模型，根据8轴联动机器人控制模型、视觉信息和手眼标定信息在LinuxCNC软件下对8轴联动机器人进行运动、速度和路径规划，并将规划结果通过以太网卡下发到EtherCAT从站控制器I中；
EtherCAT从站控制器I将接收到的EtherCAT报文进行解析读取，将其中的命令和数据发送到8轴控制板卡的CPU处理器I中，CPU处理器I对接收到的命令和数据进行解析，将第一运动轴～第六运动轴和第八运动轴对应的命令计算出相应的脉冲数量并进行编码，通过SPI等通信协议发送到对应的8轴联动机器人本体上的伺服控制器中；对于第七运动轴采用液压控制，CPU处理器I根据激光位置传感器的反馈构成位置闭环系统进行控制。
进一步地，在构建8轴联动机器人控制模型中，采用8轴联动的建模方式，将第一运动轴～第六运动轴对应的6轴机械臂在X轴和Z轴上的运动量分别投影到第八运动轴和第七运动轴上。
本发明相对于现有技术具有如下有益效果：
1、本发明设计的8轴联动机器人，相对于传统工业机器人增加了两轴，扩宽了机器人的运动极限范围，能够满足曲面长幅度合拢焊接要求，可以在保持机器人姿态不变的情况下，扩宽机器人在X轴和Z轴的运动范围，适用于长距离复杂曲面的船舶大合拢焊接。
2、对新增的第七运动轴采用液压位置闭环控制方式，第一运动轴～第六运动轴与新增的第八运动轴采用电动伺服控制方式，具有精度高、响应快的特点，并且可直接用于重载的环境。
3、采用EtherCAT总线通信技术，提高了数据传输速度和实时性，有效地保证了8轴联动机器人控制的准确性和稳定性。
4、采用机器人视觉装置实现手眼标定，提高了机器人的焊接精度。
5、本发明的机器人控制系统能够保证8轴联动机器人控制的实时性和稳定性，具有精度高、可扩展性好等优点。
6、通过构建8轴联动机器人控制模型，基于运动规划、速度规划、路径规划、机器视觉智能识别等算法，构造一种8轴联动机器人控制方法，适用于曲面长幅度焊接的焊接机器人。
附图说明
图1是本发明一个实施例中8轴联动机器人的机械结构示意图；
图2是本发明一个实施例中8轴联动机器人控制系统示意图。
具体实施方式
下面通过具体实施方式对本发明作进一步详细地描述，但本发明的实施方式并不限于此。
本发明8轴联动机器人包括J1～J8共8个运动轴，相对于传统的6轴联动机器人增加了二个运动轴(J7轴与J8轴)，在机械结构上拓宽了机器人在X轴和Z轴方向上的运动范围。同时，在机器人模型中采用8轴联动建模，在保持机器人姿态不变的情况下，将J1～J6对应的6轴机械臂在X轴的Z轴方向上的位移量映射到J8轴与J7轴上，实现8轴联动解耦控制，使得在焊接时可以在保持8轴联动机器人姿态不变的情况下，扩宽在X轴和Z轴的运动范围，以完成长距离曲面的船体大合拢焊接任务。
本实施例中，一种8轴联动机器人如图1所示，包括：第一运动轴J1、第二运动轴J2、第三运动轴J3、第四运动轴J4、第五运动轴J5、第六运动轴J6、第七运动轴J7和第八运动轴J8，其中：第一运动轴～第六运动轴对应6轴机械臂，第七运动轴用于在Z轴上延伸机器人的运动范围，第八运动轴用于在X轴上延伸机器人的运动范围；第七运动轴采用伺服连杆升降的方式连接第一运动轴与第八运动轴，第八运动轴采用电动伺服控制方式，控制机器人在导轨上的运动。
第七运动轴采用液压伺服控制，第一运动轴～第六运动轴与第八运动轴采用半闭环电动伺服控制，实现液压与电气的混合控制。液压伺服控制部分采用激光位置传感器进行测距，根据传感器的返回值对液压系统采用位置闭环控制方式，第七运动轴上装有激光位置传感器。
进一步地，8轴联动机器人本体上安装有双目视觉装置，用于捕获焊缝信息。8轴联动机8轴联动机器人本体装有伺服控制器，用于对8轴联动机器人本体伺服电机的控制。
一种8轴联动机器人控制系统如图2所示，包括：PC机Linux主站、EtherCAT从站控制器、8轴机器人控制板卡、机器人视觉装置和8轴联动机器人本体。8轴机器人控制板卡、机器人视觉处理装置通过EtherCAT从站控制器与PC机Linux主站相连，机器人视觉装置和8轴控制板卡通过数字/模拟接口与8轴联动机器人本体相连。其中：
PC机Linux主站包括LinuxCNC及与其相连的以太网卡和人机界面。LinuxCNC用于机器人算法计算和机器人运动轨迹规划，并实时返回当前机器人的位置和姿态；以太网卡用于将PC机Linux主站命令下发；人机界面将接收到的外部命令进行编码送入LinuxCNC进行处理，并以三维模型显示当前机器人的位置和姿态。
EtherCAT从站控制器包括EtherCAT从站控制器I和EtherCAT从站控制器II，其中，EtherCAT从站控制器I连接PC机Linux主站和8轴机器人控制板卡，EtherCAT从站控制器II连接PC机Linux主站和机器人视觉装置。
8轴机器人控制板卡用于8轴联动机器人本体的控制，包括：CPU处理器I、数字/模拟接口I和J1-J8轴伺服接口；CPU处理器I通过EtherCAT从站控制器I与PC机Linux主站相连；CPU处理器I通过数字/模拟接口I与第七运动轴上的激光位置传感器相连，用于获取第七运动轴的位置量，实现对第七运动轴的闭环控制；J1～J8轴伺服接口用于连接CPU处理器I和8轴联动机器人本体的伺服驱动器，由电平转换电路和隔离电路组成，完成CPU处理器I与8轴联动机器人本体伺服控制器之间的电平转换等任务。优选地，伺服驱动器安装在8轴联动机器人本体的机器人控制柜中，用于控制8轴联动机器人本体的伺服电机。
机器人视觉装置用于对焊缝的识别、焊点的定位和焊缝曲线的拟合，包括：CPU处理器II和数字/模拟接口II；CPU处理器II通过EtherCAT从站控制器II与PC机Linux主站相连，将拟合的焊缝曲线信息送回PC机Linux主站。机器人视觉装置通过在CPU处理器II上安装与PC机Linux主站设备相对应的从站软件，实现EtherCAT的报文发送与接收，同时CPU处理器II通过数字/模拟接口II与8轴联动机器人本体上的双目视觉装置相连。
8轴联动机器人控制系统各模块之间采用EtherCAT总线通信。
优选地，可将EtherCAT从站控制器I集成到CPU处理器I中，将EtherCAT从站控制器II集成到CPU处理器II中。
优选地，8轴联动机器人控制系统对运动轴的控制采用液压伺服控制和电气伺服控制相结合的方式。其中，第七运动轴采用液压伺服控制系统，第一运动轴～第六运动轴与第八运动轴采用电动伺服控制系统，实现液压、电气的混合控制。第七运动轴液压伺服控制采用激光位置传感器进行测距，根据传感器的返回值对液压系统采用位置偏差闭环控制的方式，提高8轴联动机器人的控制精度。
一种8轴联动机器人控制方法，包括：
S1、执行手眼标定操作，将标定的信息进行保存，以便后面进行坐标转换的时候使用。
S2、安装在8轴联动机器人本体上的双目视觉装置通过数字/模拟接口将捕获的焊缝信息送入到CPU处理器II中，CPU处理器II使用机器视觉智能识别等算法进行处理，将处理后的信息通过CPU处理器II中的从站软件送入PC机Linux主站中。
S3、PC机Linux主站构建8轴联动机器人控制模型，根据8轴联动机器人控制模型、视觉信息和手眼标定信息在LinuxCNC软件下对8轴联动机器人进行运动、速度和路径规划，并将规划结果通过以太网卡下发到EtherCAT从站控制器I中。
S4、EtherCAT从站控制器I将接收到的EtherCAT报文进行解析读取，将其中的命令和数据发送到8轴控制板卡的CPU处理器I中，CPU处理器I对接收到的命令和数据进行解析，将第一运动轴～第六运动轴和第八运动轴对应的命令计算出相应的脉冲数量并进行编码，通过SPI等通信协议发送到对应的伺服控制器中。对于第七运动轴采用液压控制，CPU处理器I根据激光位置传感器的反馈构成位置闭环系统进行控制。
优选地，在构建8轴联动机器人控制模型中，采用8轴联动的建模方式，将第一运动轴～第六运动轴对应的6轴机械臂在X轴和Z轴上的运动量分别投影到第八运动轴和第七运动轴上，使得在焊接时可以在保持8轴联动机器人姿态不变的情况下，扩宽在X轴和Z轴的运动范围，以完成长距离曲面的船体大合拢焊接任务。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种8轴联动机器人控制系统，其特征在于，包括：PC机Linux主站、EtherCAT从站控制器、8轴机器人控制板卡、机器人视觉装置和8轴联动机器人本体；8轴机器人控制板卡和机器人视觉处理装置通过EtherCAT从站控制器与PC机Linux主站相连，机器人视觉装置和8轴控制板卡通过数字/模拟接口与8轴联动机器人本体相连；
PC机Linux主站包括LinuxCNC及与其相连的以太网卡和人机界面；LinuxCNC用于机器人算法计算和机器人运动轨迹规划，并实时返回当前机器人的位置和姿态；以太网卡用于将PC机Linux主站命令下发；人机界面将接收到的外部命令进行编码送入LinuxCNC进行处理，并以三维模型显示当前机器人的位置和姿态；
EtherCAT从站控制器包括EtherCAT从站控制器I和EtherCAT从站控制器II，其中，EtherCAT从站控制器I连接PC机Linux主站和8轴机器人控制板卡，EtherCAT从站控制器II连接PC机Linux主站和机器人视觉装置；
8轴机器人控制板卡用于8轴联动机器人本体的控制，包括：CPU处理器I、数字/模拟接口I和J1-J8轴伺服接口；CPU处理器I通过EtherCAT从站控制器I与PC机Linux主站相连；CPU处理器I通过数字/模拟接口I与第七运动轴上的激光位置传感器相连，用于获取第七运动轴的位置量；J1~J8轴伺服接口用于连接CPU处理器I和8轴联动机器人本体的伺服驱动器，由电平转换电路和隔离电路组成，完成CPU处理器I与8轴联动机器人本体伺服控制器之间的电平转换任务；
机器人视觉装置用于对焊缝的识别、焊点的定位和焊缝曲线的拟合，包括：CPU处理器II和数字/模拟接口II；CPU处理器II通过EtherCAT从站控制器II与PC机Linux主站相连，将拟合的焊缝曲线信息送回PC机Linux主站；机器人视觉装置通过在CPU处理器II上安装与PC机Linux主站设备相对应的从站软件，实现EtherCAT的报文发送与接收，同时，CPU处理器II通过数字/模拟接口II与8轴联动机器人本体上的双目视觉装置相连。
2.根据权利要求1所述的8轴联动机器人控制系统，其特征在于，将EtherCAT从站控制器I集成到CPU处理器I中，将EtherCAT从站控制器II集成到CPU处理器II中。
3.根据权利要求1或2中任一项所述的8轴联动机器人控制系统，其特征在于，8轴联动机器人控制系统对运动轴的控制采用液压伺服控制和电气伺服控制相结合的方式；其中，第七运动轴采用液压伺服控制系统，第一运动轴~第六运动轴与第八运动轴采用电动伺服控制系统。
4.一种8轴联动机器人，包括：第一运动轴、第二运动轴、第三运动轴、第四运动轴、第五运动轴、第六运动轴，其特征在于，设有上述权利要求1-3任一项所述的8轴联动机器人控制系统，还包括第七运动轴和第八运动轴，其中：第一运动轴~第六运动轴对应6轴机械臂，第七运动轴用于在Z轴上延伸机器人的运动范围，第八运动轴用于在X轴上延伸机器人的运动范围；第七运动轴采用伺服连杆升降的方式连接第一运动轴与第八运动轴，第八运动轴采用电动伺服控制方式，控制机器人在导轨上的运动。
5.根据权利要求4所述的8轴联动机器人，其特征在于，第七运动轴采用液压伺服控制方式，第一运动轴~第六运动轴与第八运动轴采用半闭环电动伺服控制方式。
6.根据权利要求5所述的8轴联动机器人，其特征在于，液压伺服控制采用激光位置传感器进行测距，第七运动轴上装有激光位置传感器。
7.根据权利要求4-6中任一项所述的8轴联动机器人，其特征在于，8轴联动机器人本体上安装有双目视觉装置和伺服控制器。
8.一种8轴联动机器人控制方法，其特征在于，设有上述权利要求1-3任一项所述的8轴联动机器人控制系统，包括：
执行手眼标定操作，将标定的信息进行保存；
安装在8轴联动机器人本体上的双目视觉装置通过数字/模拟接口将捕获的焊缝信息送入到CPU处理器II中，CPU处理器II使用视觉处理算法进行处理，将处理后的信息通过CPU处理器II中的从站软件送入PC机Linux主站中；
PC机Linux主站构建8轴联动机器人控制模型，根据8轴联动机器人控制模型、视觉信息和手眼标定信息在LinuxCNC软件下对8轴联动机器人进行运动、速度和路径规划，并将规划结果通过以太网卡下发到EtherCAT从站控制器I中；
EtherCAT从站控制器I将接收到的EtherCAT报文进行解析读取，将其中的命令和数据发送到8轴控制板卡的CPU处理器I中，CPU处理器I对接收到的命令和数据进行解析，将第一运动轴-第六运动轴和第八运动轴对应的命令计算出相应的脉冲数量并进行编码，通过SPI等通信协议发送到对应的8轴联动机器人本体上的伺服控制器中；对于第七运动轴采用液压控制，CPU处理器I根据激光位置传感器的反馈构成位置闭环系统进行控制。
9.根据权利要求8所述的8轴联动机器人控制方法，其特征在于，在构建8轴联动机器人控制模型中，采用8轴联动的建模方式，将第一运动轴~第六运动轴对应的6轴机械臂在X轴和Z轴上的运动量分别投影到第八运动轴和第七运动轴上。
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SE01 Entry into force of request for substantive examination
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GR01 Patent grant
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