CN111203889A - 一种协作机器人驱动控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种协作机器人驱动控制系统，属于机器人技术领域。解决现有协作机器人控制系统存在的不完备性的问题。包括运动控制回路，低压供电回路和安全控制回路，所述运动控制回路包括主控制器、动力学协处理器和关节电机驱动控制器，所述动力学协处理器分别和主控制器、关节电机驱动控制器连接，所述低压供电回路分别和运动控制回路、安全控制回路连接。本发明驱动控制系统用于协作机器人关节马达控、机器人末端工具控制、机器人安全性控制；并且支持机器人动力学和轨迹插补从而提升拖动示教和机器人力控。本发明结构紧凑，具有丰富的通信接口，具有强大的运动控制处理单元，极高的安全性，适用于与人交互性的协作机器人系统。

Description

一种协作机器人驱动控制系统

技术领域

本发明涉及机器人技术领域，更具体的说是涉及协作机器人手臂六关节动力学控制和安全控制，尤其是一种协作机器人驱动控制系统。

背景技术

传统工业机器人一般包含六自由度运动关节，每个关节对应一台电机；采用集中控制的方式对每个关节；主要针对机械手臂的位置和速度控制。传统工业机器人存在的问题是：因为机械手臂的高速运动，会对附件的操作人员构成不安全因素，因此需要把运行机械手臂放在实际围栏或者电子围栏中；对外部作用在机械手臂上的力的感知不敏感；体积偏大，无法在工作台面安装。

协作机器人特点是小巧，轻便，安全性高，具有力位混合控制，根据用户需求适配多种外挂工具、方便示教等特点。其中最小型号的协作机器人可以安装在工作台的桌面，控制机箱只有普通电脑主机大小。这些要求关节电机驱动器和电机模组高度集中，以减少驱动器体积和减少机器人内部线缆。协作机器人要求实现更精准的力位混合控制，对控制系统的计算能力和总线的高实时性提出了要求；协作机器人高度强调了与操作人员的交互性，不应碰撞到认同而造成人员伤害。这就要求协作机器人有精准的力位控制，同时响应GB/T 36008-2018各项要求设计硬件安全系统。协作机器人可以接入电子围栏信号，通过电子围栏划分不同区域，高速运行区域，不运行操作人员进入。减速运行区域，探测人员进入后，减速运行。安全区域，运行人员与机器人近距离协作。

协作机器人特别是自适应协作机器人驱控系统在产品应用领域，各个厂家都处于摸索阶段，并没有一套成熟应用方案。本发明提出了一个完备架构可以满足高端协作机器人控制系统各项需求。

发明内容

针对现有协作机器人控制系统存在的不完备性的问题，本发明提供一种协作机器人驱动控制系统。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种协作机器人驱动控制系统，包括运动控制回路，低压供电回路和安全控制回路，所述运动控制回路包括主控制器、动力学协处理器和关节电机驱动控制器，所述动力学协处理器分别和主控制器、关节电机驱动控制器连接，所述低压供电回路分别和运动控制回路、安全控制回路连接。

进一步的，所述运动控制回路还包括扩展工具接口，主控制器将动力学和轨迹指令通过通信总线发给动力学协处理器，动力学协处理器根据各个轴空间状态和位置反馈进行校准和插补，将动力学和轨迹指令下发到关节电机驱动控制器和扩展工具接口。

进一步的，所述关节电机驱动控制器包括关节驱动单元以及用于驱动关节驱动单元的关节电机模组。关节驱动单元集成在关节电机模组内部，控制系统紧凑，并且因为电机位置反馈绝对值编码器集成关节电机模组内部通过RS485与关节驱动单元通信；

进一步的，所述关节驱动单元包括6个相互并联的关节一驱动器、关节二驱动器、关节三驱动器、关节四驱动器、关节五驱动器和关节六驱动器，关节电机模组包括6个与之一一对应连接的关节电机模组一、关节电机模组二、关节电机模组三、关节电机模组四、关节电机模五和关节电机模组六。力矩传感器集成在关节电机模组内部，通过模拟电压信号与关节驱动单元通信；电机动力线UVW也在关节内部与关节驱动单元互联。

传统工业机器人编码器通信线，力矩传感器通信线和电机动力线都需要通过机器人本体连接本体之外的电机驱动器。因为上述装置集中在关节电机模组内部，极大减少了机器人本体内的互连线，从而减少体积、降低成本。

进一步的，所述低压供电回路包括低压直流供电单元和能量泄放装置，所述低压直流供电单元分别与主控制器、动力学协处理器以及安全控制回路连接，所述能量泄放装置分别和关节一驱动器、关节二驱动器、关节三驱动器、关节四驱动器、关节五驱动器和关节六驱动器串联。通过低压直流供电单元将标准电网220V变成48VDC，从而避免因为漏电而造成人员触电事故。机器人关节电机模组采用48VDC作为动力电输入。

设计能量泄放装置，在关节电机制动过程中，关节电机从耗电状态变成发电状态，系统采用能量泄放装置进行能量消耗，平抑母线电压波动。

进一步的，所述安全控制回路包括安全单元，所述安全单元包括依次连接的双冗余处理器、双冗余安全IO和直流接触器，所述安全单元和低压直流供电单元连接，所述双冗余处理器和通信总线连接，所述双冗余安全IO和直流接触器连接，所述直流接触器连接在低压直流供电单元和能量泄放装置之间。设计独立双通道IO对同一个信号进行独立采集。安全信号包括急停开关，电子围栏开关，安全区域开关。开关量信号为24V有效，0V失效。每一个开关量信号通过两个独立端口送入两个独立的DSP(10)。任意一个DSP判断有故障时候，都能控制直流接触器对48VDC动力电进行切出，确保系统本质安全。

本发明与现有技术相比具有的有益效果是：

1、本发明驱动控制系统用于协作机器人关节马达控、机器人末端工具控制、机器人安全性控制；并且支持机器人动力学和轨迹插补从而提升拖动示教和机器人力控。本发明驱动控制系统，结构紧凑，具有丰富的通信接口，具有强大的运动控制处理单元，极高的安全性，适用于与人交互性的协作机器人系统。

附图说明

图1是本发明的一种协作机器人驱动控制系统的连接示意图。

图中标记：1-主控制器，2-关节驱动单元，3-拓展工具接口，4-通信总线，5-低压直流供电单元，6-能量泄放装置，7-动力学协处理器，8-安全单元，9-直流接触器，10-双冗余处理器，11-双冗余安全IO，12-关节驱动单元。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步的描述，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，并不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域的普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的其他所用实施例，都属于本发明的保护范围。

实施例1:

如图1所示，一种协作机器人驱动控制系统，包括运动控制回路，低压供电回路和安全控制回路，运动控制回路包括主控制器1、动力学协处理器7和关节电机驱动控制器，动力学协处理器7分别和主控制器1、关节电机驱动控制器连接，低压供电回路分别和运动控制回路、安全控制回路连接。

系统集成了三种回路，即运动控制回路，低压供电回路和安全控制回路。运动控制回路包括主控制器1、动力学协处理器7、六个独立的机器人关节驱动单元2即关节一驱动器、关节二驱动器、关节三驱动器、关节四驱动器、关节五驱动器和关节六驱动器、扩展工具接口。拓展工具接口3可以连接如夹持器、电动钻头以及3D摄像机等工业机械人常用的辅助加工工具。

机械人驱动控制系统采用强实时性的工业以太网Ethercat，以125us通信周期进行控制数据交换，保证了控制实时性；采用了DSP作为动力学协处理器7单元，协同主处理器进行位置插补和精细力位控制；主控制器1将动力学和轨迹指令通过通信总线4发给动力学协处理器7，动力学协处理器7根据各个轴空间状态和位置反馈，动力学协处理器7根据机器人各个关节实际位置按照100us的时间尺度对机器人主控器的指令进行校准和插补，将指令下发到六个关节驱动单元2和扩展工具接口，通过通信总线4，将控制参数发送到六个关节驱动单元2和扩展工具接口。

关节驱动单元2集成在关节电机模组内部，控制系统紧凑，并且因为电机位置反馈绝对值编码器集成关节电机模组内部通过RS485与关节驱动单元2通信；

力矩传感器集成在关节电机模组内部，通过模拟电压信号与关节驱动单元2通信；电机动力线UVW也在关节内部与关节驱动单元2互联。传统工业机器人编码器通信线，力矩传感器通信线和电机动力线都需要通过机器人本体连接本体之外的电机驱动器。因为上述装置集中在关节电机模组内部，极大减少了机器人本体内的互连线，从而减少体积、降低成本。

通过125us低延时Ethercat通信总线4实现控制参数强实时通信。低延时系统为精准的动力学和安全性提供了基础保证。

通过引入基于DSP的动力学协处理器7，适配机器人主控器，并为主控制器1提供更运动轨迹和关节力的插补。

提供Ethercat和CANOPEN两种外扩工具接口，并为工具提供电源。通过这两种接口，方便用户扩展各种工具，如夹持器、3D照相机、电动钻头等。

低压供电回路包含了低压直流供电单元5和能量泄放装置6；通过低压直流供电单元5将标准电网220V变成48VDC，从而避免因为漏电而造成人员触电事故。为电动机和控制器提供动力电源。

设计能量泄放装置6，在关节电机制动过程中，关节电机从耗电状态变成发电状态，系统采用能量泄放装置6进行能量消耗，平抑母线电压波动。

安全单元8包含双冗余处理器10、双冗余安全IO11端口和直流接触器9。设计独立双通道IO对同一个信号进行独立采集。开关量信号为24V有效，0V失效。每一个开关量信号通过两个独立端口送入两个独立的双冗余处理器10。任意一个双冗余处理器10判断有故障时候，都能控制直流接触器9对48VDC动力电进行切出，确保系统本质安全。双冗余安全IO11包括由多个急停开关，电子围栏开关，安全区域开关组成，当双冗余安全IO11的信号被触发后，安全单元8切断直流接触器9，并通过通信总线4告知主控制器1相关故障。当六个关节驱动单元2和扩展工具接口探测到过流、过压等故障后通过通信总线4告诉安全单元8和主控制器1，安全单元8接收到信号后切断直流接触器9。

控制回路，低压供电回路和安全回路关系如下：当低压供电单元获得电网220V电后，产生48V直流低压电，为控制回路中的主控制器1和安全回路所有器件提供电能。当安全回路确认正常后，吸合直流接触器9并通过通信总线4告知主控制器1可以启动机器人运行。主控制器1下达机器人各个关节的位置指令和力控制指令给动力学协处理器7，动力学协处理器7根据机器人各个关节实际位置按照100us的时间尺度对主控器的指令进行校准和插补，将指令下发到六个关节驱动器和扩展工具接口。当安全IO的信号被触发后，安全单元8切断直流接触器9，并通过通信总线4告知主控制器1相关故障。当六个关节驱动器和扩展工具接口探测过流、过压等故障后通过通信总线4告诉安全单元8和主控制器1，安全单元8接收到信号后切断直流接触器9。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种协作机器人驱动控制系统，其特征在于，包括运动控制回路，低压供电回路和安全控制回路，所述运动控制回路包括主控制器、动力学协处理器和关节电机驱动控制器，所述动力学协处理器分别和主控制器、关节电机驱动控制器连接，所述低压供电回路分别和运动控制回路、安全控制回路连接。

2.根据权利要求1所述的一种协作机器人驱动控制系统，其特征在于，所述运动控制回路还包括扩展工具接口，主控制器将动力学和轨迹指令通过通信总线发给动力学协处理器，动力学协处理器根据各个轴空间状态和位置反馈进行校准和插补，将动力学和轨迹指令下发到关节电机驱动控制器和扩展工具接口。

3.根据权利要求2所述的一种协作机器人驱动控制系统，其特征在于，所述关节电机驱动控制器包括关节驱动单元以及用于驱动关节驱动单元的关节电机模组。

4.根据权利要求3所述的一种协作机器人驱动控制系统，其特征在于，所述关节驱动单元包括6个相互并联的关节一驱动器、关节二驱动器、关节三驱动器、关节四驱动器、关节五驱动器和关节六驱动器，关节电机模组包括6个与之一一对应连接的关节电机模组一、关节电机模组二、关节电机模组三、关节电机模组四、关节电机模五和关节电机模组六。

5.根据权利要求4所述的一种协作机器人驱动控制系统，其特征在于，所述低压供电回路包括低压直流供电单元和能量泄放装置，所述低压直流供电单元分别与主控制器、动力学协处理器以及安全控制回路连接，所述能量泄放装置分别和关节一驱动器、关节二驱动器、关节三驱动器、关节四驱动器、关节五驱动器和关节六驱动器串联。

6.根据权利要求5所述的一种协作机器人驱动控制系统，其特征在于，所述安全控制回路包括安全单元，所述安全单元包括依次连接的双冗余处理器、双冗余安全IO和直流接触器，所述安全单元和低压直流供电单元连接，所述双冗余处理器和通信总线连接，所述双冗余安全IO和直流接触器连接，所述直流接触器连接在低压直流供电单元和能量泄放装置之间。

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