CN113263503B - 一种机器人系统的控制单元、机器人系统及机器人系统的控制方法 - Google Patents
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Abstract
一种机器人系统的控制单元、机器人系统及机器人系统的控制方法,其中该控制单元,用于根据指令向机器人系统中多关节机械臂的各关节的驱动单元输出电流指令,控制单元包括:运动规划模块,根据运动指令生成点位指令,用于机器人系统的运动轨迹规划;整体加速度控制环模块,用于基于点位指令与机器人系统中多关节机械臂前端的加速度信息生成各关节的第一力指令;单关节控制环模块,用于基于点位指令与机器人系统各关节位置信息生成各关节的第二力指令;力指令融合模块,用于基于第一力指令和第二力指令,计算生成各关节的融合力指令;电流控制环模块,用于根据融合力指令生成驱动驱动单元的电流指令。
Description
技术领域
本发明属于工业机器人领域,具体涉及一种机器人系统的控制单元、机器人系统及机器人系统的控制方法。
背景技术
工业机器人是广泛用于工业领域的多关节机械手或多自由度的机器装置,具有一定的自动性,可依靠自身的动力能源和控制能力实现各种工业加工制造功能,被广泛应用于电子、物流、化工等各个工业领域之中。
现有的工业机器人系统,如:目前工业上较为典型的6关节串联协作机器人,由于操作性、安全性等方面的考虑,通常机械手臂连杆和各关节之间具有一定的柔性,且整体重量较轻,这导致工业机器人在实际应用中,机械手臂存在抖动的可能,当整体运动速度较高的时候,机械手臂会在移动到目标位置后抖动较长时间,导致取放的精度下降、工作节拍较慢。
此外,现有的工业机器人主要通过机械手臂中的关节电机电流反馈来判断机械手臂是否发生了碰撞,这种方式不够灵敏,容易出现误判断,也容易带来安全隐患。
行业现有的技术方案中,通过在机械手臂的各关节处设置位移、速度、力传感器,通过多个传感器的反馈,分别对各关节进行精确控制,并判断运行过程中是否发生碰撞。引入多个传感器形成的反馈回路,可以改善单纯由电机电流反馈带来的技术缺陷,但另一方面,将大大增加机器人系统控制环路的计算量,此外,现有的力传感器成本较高,在多关节机械臂的每个关节处增加力传感器会提升整个机器人系统的成本。
发明内容
由于现有技术方案的机器人控制系统在实际应用中存在上述的技术问题,本发明目的在于提供一种控制单元、机器人系统及机器人系统的控制方法,以解决现有技术方案中存在的上述技术问题,在改善机械手臂的末端抖动,实现灵敏的碰撞检测的同时,避免控制环路的计算量增加,增强控制系统的鲁棒性,在有效控制机器人系统成本的条件下,提高系统的工作效率。
本发明提供的机器人系统的技术方案具体包括:
一种控制单元,用于包含多关节机械臂的机器人系统,根据指令向所述机器人系统中各关节的驱动单元输出电流指令,所述控制单元包括:
运动规划模块,根据指令生成点位指令,用于所述机器人系统的运动轨迹规划;
整体加速度控制环模块,用于基于所述点位指令与所述机器人系统中多关节机械臂前端的加速度信息生成各关节的第一力指令;
单关节控制环模块,用于基于所述点位指令与所述机器人系统各关节位置信息生成各关节的第二力指令;
力指令融合模块,用于基于所述第一力指令和所述第二力指令,计算生成各关节的融合力指令;
电流控制环模块,用于根据所述融合力指令生成驱动所述驱动单元的电流指令。
优选的,所述单关节控制环模块包括:运动学逆解模块,用于基于所述点位指令,生成各关节的关节目标位置;位置控制环模块,用于基于所述点位指令、所述关节目标位置,生成关节速度指令;速度控制环模块,用于基于所述关节速度指令与所述关节位置信息,生成第二力指令。
优选的,所述控制单元还包括:碰撞判断模块,用于根据所述点位指令、所述加速度信息,判断所述机器人系统是否出现碰撞,当判断出现碰撞时,向所述力指令融合模块发出信号,修正所述融合力指令;反之则不修正所述融合力指令。
优选的,所述控制单元还包括预设阈值,当判断出现碰撞时,所述碰撞判断模块基于所述点位指令与所述加速度信息计算各关节加速度偏差值,若其中有任一维度数值大于等于所述预设阈值时,向所述力指令融合模块发送停止运行指令,将所述融合力指令设置为0,使所述驱动单元停止运行;反之,则向所述力指令融合模块发送力保持指令,将所述融合力指令设置为前一周期的融合力指令,使所述驱动单元进入力保持状态。
优选的,所述控制单元还包含储存模块,用于储存预设的参数。
优选的,所述控制单元还包含通信预处理模块,用于将所述控制单元接收的外部信息进行预处理;所述通信预处理模块包含接口寄存器,用于存储预处理后的数据。
优选的,所述控制单元集成在一块芯片中。
优选的,所述芯片的集成有双核或多核处理器和FPGA处理器,控制单元运行时,所述运动规划模块在所述双核或多核处理器的一个核运行;所述整体加速度控制环模块、所述单关节控制环模块、所述力指令融合模块在所述双核或多核处理器的另一个核运行;所述电流控制环模块在FPGA处理器运行。
本发明还提供了一种机器人系统,包括:
机器人本体,包括一多关节机械臂,以及多个驱动单元,所述驱动单元的数量与所述多关节机械臂的关节数量对应,分别设置于所述多关节机械臂的各关节上,用于驱动各关节转向或移动;
多个位置传感器,所述位置传感器的数量与所述多关节机械臂的关节数量对应,分别设置在所述多关节机械臂的各关节处,用于检测各关节的关节位置信息;
一惯性传感单元,所述惯性传感单元设置于所述多关节机械臂的前端,用于检测所述惯性传感单元设置位置的加速度信息;
所述机器人系统包括前述任一项的控制单元。
优选的,所述点位指令包括所述机器人系统中各关节的初始关节位置指令、初始关节速度指令以及在笛卡尔空间的位置指令、速度指令、加速度指令。
优选的,所述整体加速度控制环模块,根据所述在笛卡尔空间的加速度指令和所述加速度信息的差值,计算所述多关节机械臂的整体力偏差值及各关节的关节力偏差值,所述各关节的第一力指令基于所述关节力偏差值及前一周期的力指令计算生成。
优选的,所述位置传感器为电机编码器。
此外,本发明还提供了一种机器人系统的控制方法,
所述机器人系统包括:
机器人本体,包括一多关节机械臂,以及多个驱动单元,用于驱动各关节转向或移动;
多个位置传感器,用于检测各关节的关节位置信息;
一惯性传感单元,所述惯性传感单元设置于所述多关节机械臂的前端,用于检测设置位置的惯性传感单元加速度信息;
控制单元,用于根据指令向所述多关节机器人系统中各关节的驱动单元输出电流指令,
所述控制方法包括:
运动轨迹规划步骤,根据指令生成点位指令;
运行整体加速度控制环步骤,基于所述点位指令与所述机器人系统中多关节机械臂前端的加速度信息生成各关节的第一力指令;
运行单关节控制环步骤,基于所述点位指令与所述机器人系统各关节位置信息生成各关节的第二力指令;
力指令融合步骤,基于所述第一力指令和所述第二力指令,计算生成各关节的融合力指令;
运行电流控制环步骤,基于所述融合力指令生成用于驱动所述驱动单元的电流指令。
优选的,其中所述点位指令包括所述机器人系统中各关节的初始关节位置指令、初始关节速度指令以及在笛卡尔空间的位置指令、速度指令、加速度指令。
优选的,所述运行整体加速度控制环步骤包括:根据所述在笛卡尔空间的加速度指令和所述加速度信息的差值,计算所述多关节机械臂的整体力偏差值及各关节的关节力偏差值,所述各关节的第一力指令基于关节力偏差值及前一周期的力指令计算生成。
优选的,所述运行单关节控制环步骤包括:运动学逆解步骤,基于所述点位指令,生成各关节的关节目标位置;运行位置控制环步骤,基于所述点位指令、所述关节目标位置,生成关节速度指令;运行速度控制环步骤,基于所述关节速度指令与所述关节位置信息,生成第二力指令。
优选的,所述控制方法还包括:碰撞判断步骤,根据所述点位指令、所述加速度信息,判断所述机器人系统是否出现碰撞,若判断出现碰撞,向力指令融合模块发出信号,修正所述融合力指令,若判断未出现碰撞,不修正所述融合力指令。
优选的,所述碰撞判断步骤中还包括,基于所述加速度信息,计算各关节加速度信息,判断所述点位指令与所述各关节加速度信息的方向是否相同,当其中任一维度方向上的加速度相反时,则判断出现碰撞,反之则判断未出现碰撞。
优选的,所述碰撞判断步骤包括:基于所述点位指令与各关节加速度信息计算加速度偏差值,若其中有任一维度数值大于等于预设阈值时,向所述力指令融合模块发送停止运行指令,将所述融合力指令设置为0,使所述驱动单元停止运行;反之,则向所述力指令融合模块发送力保持指令,将所述融合力指令设置为前一周期的融合力指令,使所述驱动单元进入力保持状态。
通过应用本发明提出的一种机器人系统及机器人系统的控制方法,能够从源头上解决现有技术中存在的问题,带来以下优点:
第一,本发明提供的控制单元、机器人系统及机器人系统的控制方法,通过综合应用整体加速度控制环模块、单关节控制环模块、力指令融合模块及电流控制环模块,实现对多关节机械臂的控制,能够在几乎不增加机器人系统成本的情况下,改善工业机器人运行过程中的末端抖动现象,提高机器人系统的工作效率;
第二,本发明提供的控制单元、机器人系统及机器人系统的控制方法,通过加速度偏差和方向判断,能够灵敏的检测出多关节机械臂中任意关节在运行过程中出现的碰撞,避免出现误判断,并且在检测到碰撞后,及时进入力保持状态或停止运转状态,从而减少发生事故的风险;
第三,本发明提供的机控制单元、机器人系统及机器人系统的控制方法,在每个控制环路中,不需要进行任何矩阵求逆运算,控制环路的计算量小,有利于提高机器人系统整体的实时性;
第四,本发明提供的控制单元、机器人系统及机器人系统的控制方法,通过对多关节机械臂前端的加速度进行检测和比对,并分解到各关节的控制环,无需由速度信息差分计算加速度信息,避免差分过程使检测得到的速度信息中包含的噪声进一步放大,从而增强机器人系统的鲁棒性。
对熟悉本技术领域的人来说,在结合附图阅读本说明书的以下部分之后,这些和其它目的和优点将会变得更加明显。
附图说明
本发明的以上发明内容以及下面的具体实施方式在结合附图阅读时会得到更好的理解。需要说明的是,附图仅作为所请求保护的发明的示例。在附图中,相同的附图标记代表相同或类似的元素。
图1所示为本发明机器人系统的模块示意图。
图2所示为本发明机器人系统的控制方法的流程示意图。
附图标记如下:
100、位置传感器
200、惯性传感单元
300、控制单元
310、运动规划模块
320、整体加速度控制环模块
330、单关节控制环模块
331、运动学逆解模块
332、位置控制环
333、速度控制环
340、力指令融合模块
350、电流控制环模块
360、碰撞判断模块
370、储存器
380、通信预处理模块
400、驱动单元
具体实施方式
以下在具体实施方式中详细叙述本发明的详细特征以及优点,其内容足以使任何本领域技术人员了解本发明的技术内容并据以实施,且根据本发明所揭露的说明书、权利要求及附图,本领域技术人员可轻易地理解本发明相关的目的及优点。
图1~图2示出了本发明提供的控制单元、机器人系统及机器人系统的控制方法的一种优选的实施方案。
其中,图1示出了本发明机器人系统的模块示意图。
一种机器人系统,包括:
机器人本体,包括一多关节机械臂(图中未示出),以及多个驱动单元400,数量与多关节机械臂的关节数量对应,分别设置于多关节机械臂的各关节上,用于驱动各关节转向或移动;
多个位置传感器100,数量与多关节机械臂的关节数量对应,分别设置在多关节机械臂的各关节处,用于检测各关节的关节位置信息;
一惯性传感单元200,设置于多关节机械臂的前端,用于检测惯性传感单元设置位置的加速度信息;
一控制单元300,用于根据指令向机器人系统中各关节的驱动单元输出电流指令,其中包括:
运动规划模块310,根据指令生成点位指令,用于机器人系统的运动轨迹规划。在一个实施例中,点位指令包括机器人系统中各关节的初始关节位置指令、初始关节速度指令以及在笛卡尔空间的位置指令、速度指令、加速度指令。
整体加速度控制环模块320,用于基于点位指令与机器人系统中多关节机械臂前端的加速度信息生成各关节的第一力指令。在一个实施例中,整体加速度控制环模块根据惯性传感单元加速度指令和惯性传感单元检测的加速度信息的差值,计算多关节机械臂的整体力偏差值,通过力雅克比矩阵,分解计算多关机械臂中各关节的关节力偏差值,基于关节力偏差值及前一周期的力指令,生成各关节的第一力指令。
单关节控制环模块330,用于基于点位指令与机器人系统各关节位置信息生成各关节的第二力指令。在一个实施例中,单关节控制环模块330进一步包括:
运动学逆解模块331,用于基于点位指令,生成各关节的关节目标位置。在一个实施例中,运动学逆解模块331根据点位指令中的关节位置指令,通过运动学逆解算法,计算生成各关节的关节目标位置。
位置控制环模块332,用于基于点位指令、关节目标位置,生成关节速度指令。在一个实施例中,位置控制环模块332根据关节目标位置和关节位置信息的差值、初始关节速度指令生成关节速度指令。
速度控制环模块333,用于基于关节速度指令与关节位置信息,生成第二力指令。在一个实施例中,速度控制环模块333,根据第二关节速度指令与关节位置信息的差分数值,生成第二力指令。
力指令融合模块340,用于基于第一力指令和第二力指令,计算生成各关节的融合力指令。在一个实施例中,力指令融合模块对第一力指令和第二力指令,基于预设权重系数进行加权求和计算,生成融合力指令。
电流控制环模块350,用于根据融合力指令生成驱动驱动单元的电流指令。
在一个实施例中,控制单元300还可以包括碰撞判断模块360,用于根据点位指令、加速度信息,判断所述机器人系统是否出现碰撞,当判断出现碰撞时,向所述力指令融合模块发出信号,修正所述融合力指令;反之则不修正所述融合力指令。
在一个实施例中,所述控制单元还包括预设阈值,当判断出现碰撞时,所述碰撞判断模块基于所述点位指令与加速度信息计算加速度偏差值,若其中有任一维度数值大于等于所述预设阈值时,向所述力指令融合模块发送停止运行指令,将所述融合力指令设置为0,使所述驱动单元停止运行;反之,则向所述力指令融合模块发送力保持指令,将所述融合力指令设置为前一周期的融合力指令,使所述驱动单元进入力保持状态。
在一个实施例中,控制单元300还可以包括储存器370,用于储存预设的参数。在一个实施例中,储存器370储存有预设权重系数、预设阈值。
在一个实施例中,控制单元300还可以包括通信预处理模块380,用于将位置传感器和惯性传感单元向控制单元300输入的数据进行预处理,并将预处理后的数据存放在通信预处理模块380的接口寄存器中。
图2示出了本发明机器人系统的控制方法的流程示意图。
机器人系统包括:机器人本体,包括一多关节机械臂,以及多个驱动单元,用于驱动各关节转向或移动;多个位置传感器,用于检测各关节的关节位置信息;一惯性传感单元,所述惯性传感单元设置于所述多关节机械臂的前端,用于检测设置位置的惯性传感单元加速度信息;控制单元,用于根据指令向所述多关节机器人系统中各关节的驱动单元输出电流指令。
控制方法包括:
步骤S100,运动轨迹规划,根据用户或其他外部指令生成点位指令。在一个实施例中,点位指令包括机器人系统中各关节在笛卡尔空间的初始关节位置指令、初始关节速度指令以及惯性传感单元的设置位置在笛卡尔空间的惯性传感单元速度指令、惯性传感单元加速度指令。
步骤S200,运行整体加速度控制环步骤,用于基于所述点位指令与所述机器人系统惯性传感单元检测到的加速度信息生成各关节的第一力指令。
在一个实施例中,步骤S200进一步包括:步骤S210,根据所述惯性传感单元加速度指令和所述惯性传感单元检测的加速度信息的差值,计算所述多关节机械臂的整体力偏差值。步骤S220,通过力雅克比矩阵,分解计算所述多关机械臂中各关节的关节力偏差值。步骤S230,基于所述关节力偏差值及前一所述周期的力指令,生成各关节的第一力指令。
步骤S300,运行单关节控制环步骤,用于基于所述点位指令与所述机器人系统各关节位置信息生成各关节的第二力指令。
在一个实施例中,步骤S300进一步包括:步骤S310,基于所述点位指令,通过运动学逆解算法,生成各关节的关节目标位置。步骤S320,根据关节目标位置和关节位置信息的差值、初始关节速度指令生成关节速度指令。步骤S330,基于所述关节速度指令与所述关节位置信息,生成第二力指令。
步骤S400,力指令融合步骤,基于所述第一力指令和所述第二力指令,计算生成各关节的融合力指令。在一个实施例中,力指令融合模块对第一力指令和第二力指令,基于预设权重系数进行加权求和计算,生成融合力指令。
步骤S500,运行电流控制环步骤,基于所述融合力指令生成用于驱动所述驱动单元的电流指令。
在一个实施例中,控制方法还包括:步骤S600,碰撞判断步骤,根据所述点位指令、所述加速度信息,判断所述机器人系统是否出现碰撞,若判断出现碰撞,向所述力指令融合模块发出信号,修正所述融合力指令,若判断未出现碰撞,不修正所述融合力指令。
在一个实施例中,步骤S600,碰撞判断步骤中还包括,基于所述惯性传感单元加速度信息,计算各关节加速度信息,判断所述点位指令与所述各关节加速度信息的方向是否相同,当其中任一维度方向上的加速度相反时,则判断出现碰撞,反之则判断未出现碰撞。
在一个实施例中,步骤S600,碰撞判断步骤还包括:基于所述点位指令与各关节加速度信息计算加速度偏差值,若其中有任一维度数值大于等于预设阈值时,向所述力指令融合模块发送停止运行指令,将所述融合力指令设置为0,使所述驱动单元停止运行;反之,则向所述力指令融合模块发送力保持指令,将所述融合力指令设置为前一周期的融合力指令,使所述驱动单元进入力保持状态。
本发明提供的机器人系统和机器人系统的控制方法的另一优选的实施方式,包括:
一种六关节工业机器人,包括:
机器人本体,包括一六关节机械臂,以及六个驱动单元,驱动单元包含功率器件、永磁同步电机,谐波减速器等,分别设置于所述六关节机械臂的各关节上,用于驱动各关节转向或移动。
六个位置传感器,在一个实施例中,位置传感器为电机编码器,分别设置在多关节机械臂的各关节处,用于检测各关节的关节位置信息。
一惯性传感单元,在一个实施例中,惯性传感单元为一块专用电路板,安装在机械臂第五关节处,专用电路板上有IO电路、惯性传感器和微处理器芯片。
一控制单元,根据指令向所述机器人系统中各关节的驱动单元输出电流指令,包括:
运动规划模块,按照一定的时间间隔生成一系列的点位指令,在一个实施例中,点位指令包含:
a.机器人在笛卡尔空间的位置、速度和加速度。
b.机器人各个关节的位置,速度。
整体加速度控制环模块,用于基于所述点位指令与所述惯性传感单元检测到的加速度信息生成各关节的第一力指令,在一个实施例中,整体加速度控制环模块按照以下机制运行:
由点位指令中惯性传感单元安装点在笛卡尔空间的6维加速度指令得到期望加速度,获取惯性传感器反馈的6维加速度信息,在两个加速度之间求差,将加速度差乘以增益,作为6维的笛卡尔空间力偏差。通过雅克比矩阵的转置与6维的笛卡尔空间力偏差相乘得到各个关节的力偏差值。由各关节的力偏差值与上一个周期的力指令求和,得到各关节第一力指令。在一个实施例中,可将设置位置较惯性传感单元更靠近机械臂末端(执行机构)的关节的第一力指令设置为0。
由于此步骤中,整体加速度控制环模块不需要求雅克比的逆矩阵,计算量较小,能够满足实时控制要求。
单关节控制环模块,用于基于所述点位指令与所述机器人系统各关节位置信息生成各关节的第二力指令;在一个实施例中,单关节控制环模块包括:
运动学逆解模块,用于基于所述点位指令,生成各关节的关节目标位置;
位置控制环模块,将关节位置指令与电机编码器位置反馈做差,乘以增益得到速度指令,速度指令加上关节速度指令后发送给速度控制环模块;
速度控制环模块,将上述速度指令与电机编码器位置差分做差,乘以增益得各关节第二力指令。
力指令融合模块,用于基于所述第一力指令和所述第二力指令,计算生成各关节的融合力指令,在一个实施例中,力指令融合模块对各关节第一力指令和各关节第二力指令,基于预设权重系数进行加权求和计算,生成融合力指令,即采用公式:融合力指令=第一力指令*第一权重系数+第二力指令*第二权重系数。
电流控制环模块,用于根据所述融合力指令生成驱动所述驱动单元的电流指令。在一个实施例中,电流控制环模块将融合力指令换算成电流指令,并向驱动单元中的功率器件(如:IGBT、IPM等)输出驱动控制信号(如PWM信号)来驱动电机运转。
在一个实施例中,控制单元可以包括碰撞判断模块,用于根据点位指令中的加速度指令和惯性传感单元检测的六维加速度信息的方向,判断所述机器人系统是否出现碰撞,当其中任一维度方向上的加速度相反时,则判断出现碰撞,向所述力指令融合模块发出信号,修正所述融合力指令;反之则判断未出现碰撞,不修正所述融合力指令。
在一个实施例中,碰撞判断模块基于点位指令中的加速度指令和惯性传感单元检测的六维加速度信息计算加速度偏差值,若其中有任一维度数值大于等于预设阈值时,向所述力指令融合模块发送停止运行指令,将所述融合力指令设置为0,使所述驱动单元停止运行;反之,则向所述力指令融合模块发送力保持指令,将所述融合力指令设置为前一周期的融合力指令,使所述驱动单元进入力保持状态。
在一个实施例中,控制单元的核心处理芯片可以是一块SOC-FPGA,Intel的CycloneV,其中集成有双核ARM Cortex-A9处理器和FPGA处理器,控制单元运行时,ARMCortex-A9处理器的一个核运行操作系统,负责网络通信,人机交互,文件系统管理,运动规划模块等非实时或弱实时任务;ARM Cortex-A9处理器的另一个核运行强实时任务,包括整体加速度控制环模块、单关节控制环模块,力指令融合模块;FPGA处理器包含电流控制环模块等。
在一个实施例中,控制单元可以包括一储存模块,用于储存预设的参数,如:第一权重系数、第二权重系数、预设阈值等。
在一个实施例中,FPGA处理器包含通信预处理模块,将实时通信数据比如编码器和惯性传感器数据进行预处理,将结果放到指定的接口寄存器上,节省了双核ARM处理器的处理时间。
本发明提供的机器人系统和机器人系统的控制方法的另一优选的实施方式,包括
一六关节协作轻型机器人,包括:
机器人本体,包含一体化关节,以及多个驱动单元集成在每个关节中,其中包括48V永磁同步中空电机,谐波减速机,用于驱动各关节转向或移动。
六个位置传感器,在一个实施例中,位置传感器为电机编码器,分别设置在多关节机械臂的各关节处,用于检测各关节的关节位置信息。
一惯性传感单元,在一个实施例中,惯性传感单元包含惯性传感器和IO电路,安装在第六关节(最靠近末端执行机构的关节)的驱动单元上。
一控制单元,控制单元包括多个微处理器,分别设置在每个关节的驱动单元处,用来生成PWM信号控制驱动单元,获取编码器信息和电流信息,第六关节驱动单元的微处理器还负责获取惯性传感器信息。
运动规划模块,按照一定的时间间隔生成一系列的点位指令,在一个实施例中,点位指令包含:
a.机器人在笛卡尔空间的位置、速度和加速度。
b.机器人各个关节的位置,速度。
整体加速度控制环模块,用于基于所述点位指令与所述惯性传感器检测的加速度信息生成各关节的第一力指令,在一个实施例中,整体加速度控制环模块按照以下机制运行:
由点位指令中惯性传感单元安装点在笛卡尔空间的6维加速度指令得到期望加速度,获取惯性传感器反馈的6维加速度信息,在两个加速度之间求差,将加速度差乘以增益,作为6维的笛卡尔空间力偏差。通过雅克比矩阵的转置与6维的笛卡尔空间力偏差相乘得到各个关节的力偏差值。由各关节的力偏差值与上一个周期的力指令求和,得到各关节第一力指令。
由于此步骤中,整体加速度控制环模块不需要求雅克比的逆矩阵,计算量较小,能够满足实时控制要求。
单关节控制环模块,用于基于所述点位指令与所述机器人系统各关节位置信息生成各关节的第二力指令;在一个实施例中,单关节控制环模块包括:
运动学逆解模块,用于基于所述点位指令,生成各关节的关节目标位置;
位置控制环模块,将关节位置指令与电机编码器位置反馈做差,乘以增益得到速度指令,速度指令加上关节速度指令后发送给速度控制环模块;
速度控制环模块,将上述速度指令与电机编码器位置差分做差,乘以增益得各关节第二力指令。
力指令融合模块,用于基于所述第一力指令和所述第二力指令,计算生成各关节的融合力指令,在一个实施例中,力指令融合模块对各关节第一力指令和各关节第二力指令,基于预设权重系数进行加权求和计算,生成融合力指令,即采用公式:融合力指令=第一力指令*第一权重系数+第二力指令*第二权重系数。
电流控制环模块,用于根据所述融合力指令生成驱动所述驱动单元的电流指令。在一个实施例中,电流控制环模块将融合力指令换算成电流指令,并向驱动单元中的功率器件(如:IGBT、IPM等)输出驱动控制信号(如PWM信号)来驱动电机运转。
在一个实施例中,控制单元可以包括碰撞判断模块,用于根据点位指令中的加速度指令和惯性传感单元检测的六维加速度信息的方向,判断所述机器人系统是否出现碰撞,当其中任一维度方向上的加速度相反时,则判断出现碰撞,向所述力指令融合模块发出信号,修正所述融合力指令;反之则判断未出现碰撞,不修正所述融合力指令。
在一个实施例中,碰撞判断模块基于点位指令中的加速度指令和惯性传感单元检测的六维加速度信息计算加速度偏差值,若其中有任一维度数值大于等于预设阈值时,向所述力指令融合模块发送停止运行指令,将所述融合力指令设置为0,使所述驱动单元停止运行;反之,则向所述力指令融合模块发送力保持指令,将所述融合力指令设置为前一周期的融合力指令,使所述驱动单元进入力保持状态。
在一个实施例中,控制单元的核心处理芯片可以是一块SOC-FPGA,Intel的CycloneV,其中集成有双核ARM Cortex-A9处理器和FPGA处理器,控制单元运行时,ARMCortex-A9处理器的一个核运行操作系统,负责网络通信,人机交互,文件系统管理,运动规划模块等非实时或弱实时任务;ARM Cortex-A9处理器的另一个核运行强实时任务,包括整体加速度控制环模块、单关节控制环模块,力指令融合模块;FPGA处理器包含电流控制环模块等。
在一个实施例中,控制单元可以包括一储存模块,用于储存预设的参数,如:第一权重系数、第二权重系数、预设阈值等。
由上述实施例可知,本发明提供的机器人系统及机器人系统的控制方法,通过综合应用整体加速度控制环、单关节控制环及电流控制环,实现对多关节机械臂的控制,能够在几乎不增加机器人系统成本的情况下,改善工业机器人运行过程中的末端抖动现象,提高机器人系统的工作效率;通过加速度偏差和方向判断,能够灵敏的检测出多关节机械臂中任意关节在运行过程中出现的碰撞,避免出现误判断,并且在检测到碰撞后,及时进入力保持状态或停止运转状态,从而减少发生事故的风险;在每个控制环路中,不需要进行任何矩阵求逆运算,控制环路的计算量小,有利于提高机器人系统整体的实时性;通过对多关节机械臂前端的加速度进行检测和比对,并分解到各关节的控制环,无需由速度信息差分计算加速度信息,避免差分过程使检测得到的速度信息中包含的噪声进一步放大,从而增强机器人系统的鲁棒性。
这里采用的术语和表述方式只是用于描述,本发明并不应局限于这些术语和表述。使用这些术语和表述并不意味着排除任何示意和描述(或其中部分)的等效特征,应认识到可能存在的各种修改也应包含在权利要求范围内。其他修改、变化和替换也可能存在。相应的,权利要求应视为覆盖所有这些等效物。
同样,需要指出的是,虽然本发明已参照当前的具体实施例来描述,但是本技术领域中的普通技术人员应当认识到,以上的实施例仅是用来说明本发明,在没有脱离本发明精神的情况下还可做出各种等效的变化或替换,因此,只要在本发明的实质精神范围内对上述实施例的变化、变型都将落在本申请的权利要求书的范围内。
Claims (15)
1.一种机器人系统的控制单元,用于根据指令向所述机器人系统中多关节机械臂的各关节的驱动单元输出电流指令,其特征在于,所述控制单元包括:
运动规划模块,根据指令生成点位指令,用于所述机器人系统的运动轨迹规划;
整体加速度控制环模块,用于基于所述点位指令与所述机器人系统中多关节机械臂前端的加速度信息生成各关节的第一力指令;
单关节控制环模块,用于基于所述点位指令与所述机器人系统各关节位置信息生成各关节的第二力指令;
力指令融合模块,用于基于所述第一力指令和所述第二力指令,计算生成各关节的融合力指令;
电流控制环模块,用于根据所述融合力指令生成驱动所述驱动单元的电流指令。
2.如权利要求1所述的控制单元,其特征在于,所述单关节控制环模块包括:
运动学逆解模块,用于基于所述点位指令,生成各关节的关节目标位置;
位置控制环模块,用于基于所述点位指令、所述关节目标位置,生成关节速度指令;
速度控制环模块,用于基于所述关节速度指令与所述关节位置信息,生成第二力指令。
3.如权利要求1所述的控制单元,其特征在于,所述控制单元还包括:碰撞判断模块,用于根据所述点位指令、所述加速度信息,判断所述机器人系统是否出现碰撞,当判断出现碰撞时,向所述力指令融合模块发出信号,修正所述融合力指令;反之则不修正所述融合力指令。
4.如权利要求3所述的控制单元,其特征在于,所述控制单元还包括预设阈值,当判断出现碰撞时,所述碰撞判断模块基于所述点位指令与所述加速度信息计算各关节加速度偏差值,若其中有任一维度数值大于等于所述预设阈值时,向所述力指令融合模块发送停止运行指令,将所述融合力指令设置为0,使所述驱动单元停止运行;反之,则向所述力指令融合模块发送力保持指令,将所述融合力指令设置为前一周期的融合力指令,使所述驱动单元进入力保持状态。
5.如权利要求1~4中任一项所述的控制单元,其特征在于,所述控制单元集成在一块芯片中,所述芯片的集成有双核或多核处理器和FPGA处理器,控制单元运行时,
所述运动规划模块在所述双核或多核处理器的一个核运行;所述整体加速度控制环模块、所述单关节控制环模块、所述力指令融合模块在所述双核或多核处理器的另一个核运行;所述电流控制环模块在FPGA处理器运行。
6.一种机器人系统,包括:
机器人本体,包括一多关节机械臂,以及多个驱动单元,所述驱动单元的数量与所述多关节机械臂的关节数量对应,分别设置于所述多关节机械臂的各关节上,用于驱动各关节转向或移动;
多个位置传感器,所述位置传感器的数量与所述多关节机械臂的关节数量对应,分别设置在所述多关节机械臂的各关节处,用于检测各关节的关节位置信息;
一惯性传感单元,所述惯性传感单元设置于所述多关节机械臂的前端,用于检测所述惯性传感单元设置位置的加速度信息;
其特征在于,
所述机器人系统包括如权利要求1~4中任一项所述的控制单元。
7.如权利要求6所述的机器人系统,其特征在于,所述点位指令包括所述机器人系统中各关节的初始关节位置指令、初始关节速度指令以及在笛卡尔空间的位置指令、速度指令、加速度指令。
8.如权利要求7所述的机器人系统,其特征在于,所述整体加速度控制环模块,根据所述在笛卡尔空间的加速度指令和所述加速度信息的差值,计算所述多关节机械臂的整体力偏差值及各关节的关节力偏差值,所述各关节的第一力指令基于所述关节力偏差值及前一周期的力指令计算生成。
9.一种机器人系统的控制方法,用于根据指令向所述机器人系统中多关节机械臂的各关节的驱动单元输出电流指令,其特征在于,所述控制方法包括:
运动轨迹规划步骤,根据指令生成点位指令;
运行整体加速度控制环步骤,基于所述点位指令与所述机器人系统中多关节机械臂前端的加速度信息生成各关节的第一力指令;
运行单关节控制环步骤,基于所述点位指令与所述机器人系统各关节位置信息生成各关节的第二力指令;
力指令融合步骤,基于所述第一力指令和所述第二力指令,计算生成各关节的融合力指令;
运行电流控制环步骤,基于所述融合力指令生成用于驱动所述驱动单元的电流指令。
10.如权利要求9所述的机器人系统的控制方法,其特征在于,
所述机器人系统包括:机器人本体,包括一多关节机械臂,以及多个驱动单元,用于驱动各关节转向或移动;多个位置传感器,用于检测各关节的关节位置信息;一惯性传感单元,所述惯性传感单元设置于所述多关节机械臂上,用于检测所述惯性传感单元设置位置的加速度信息;
其中所述点位指令包括所述机器人系统中各关节的初始关节位置指令、初始关节速度指令以及在笛卡尔空间的位置指令、速度指令、加速度指令。
11.如权利要求10所述的机器人系统的控制方法,其特征在于,
所述运行整体加速度控制环步骤包括:
根据所述在笛卡尔空间的加速度指令和所述加速度信息的差值,计算所述多关节机械臂的整体力偏差值及各关节的关节力偏差值,所述各关节的第一力指令基于关节力偏差值及前一周期的力指令计算生成。
12.如权利要求11所述的机器人系统的控制方法,其特征在于,所述运行单关节控制环步骤包括:
运动学逆解步骤,基于所述点位指令,生成各关节的关节目标位置;
运行位置控制环步骤,基于所述点位指令、所述关节目标位置,生成关节速度指令;
运行速度控制环步骤,基于所述关节速度指令与所述关节位置信息,生成第二力指令。
13.如权利要求9所述的机器人系统的控制方法,其特征在于,所述控制方法还包括:
碰撞判断步骤,根据所述点位指令、所述加速度信息,判断所述机器人系统是否出现碰撞,若判断出现碰撞,向力指令融合模块发出信号,修正所述融合力指令,若判断未出现碰撞,不修正所述融合力指令。
14.如权利要求13所述的机器人系统的控制方法,其特征在于,所述碰撞判断步骤中还包括,基于所述加速度信息,计算各关节加速度信息,判断所述点位指令与所述各关节加速度信息的方向是否相同,当其中任一维度方向上的加速度相反时,则判断出现碰撞,反之则判断未出现碰撞。
15.如权利要求14所述的机器人系统的控制方法,其特征在于,
所述碰撞判断步骤包括:基于所述点位指令与各关节加速度信息计算加速度偏差值,若其中有任一维度数值大于等于预设阈值时,向所述力指令融合模块发送停止运行指令,将所述融合力指令设置为0,使所述驱动单元停止运行;反之,则向所述力指令融合模块发送力保持指令,将所述融合力指令设置为前一周期的融合力指令,使所述驱动单元进入力保持状态。
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