CN114274131A - 一种冗余自由度机器人上电关节精度管理方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种冗余自由度机器人上电关节精度管理方法，工业机器人包括：底座、连杆，以及具有冗余自由度的多个关节，所述关节包括驱动电机和电机增量式编码器，其特征在于，所述工业机器人包括：启动模块，用于接收开机指令以执行开机启动；控制模块，用于控制所述工业机器人执行零空间运动，并在运动过程中检测各所述电机增量式编码器的绝对位置；以及，用于判断是否成功检测各增量式编码器的绝对位置，若成功检测，控制工业机器人结束检测绝对位置。本发明的有益效果是：工业机器人末端位移小，安全性好。

Description

一种冗余自由度机器人上电关节精度管理方法

技术领域

本发明涉及一种工业机器人领域，特别是涉及一种工业机器人及其控制方法。

背景技术

随着社会的发展，机器人开始广泛应用于多个领域，包括家用机器人、工业机器人等多个领域。工业机器人包括三轴、四轴、六轴、七轴等类型的机器人，其具有不同的自由度，七轴及以上的工业机器人具有冗余的自由度。具有冗余自由度的机器人具备“零空间”，能够执行零空间运动，冗余自由度的机器人在执行零空间运动时，其臂形角发生变化，工业机器人的位形发生变化。工业机器人包括关节，所述关节包括驱动电机和电机增量式编码器，驱动电机提供关节工作动力，增量式编码器能够用于确定关节位置、速度等工作信息。当工业机器人开始执行工作任务前，需要确定各增量式编码器的绝对位置以确保工业机器人执行工作任务的精度。现有技术中，通过各关节的分别旋转以分别去确认每一个关节的增量式编码器的绝对位置，但这种方式会使得工业机器人的运动范围较大，末端位移较大，工业机器人容易发生碰撞。

因此，有必要设计一种末端位移小、安全性好且不易发生碰撞的工业机器人及其控制方法。

发明内容

鉴于此，本发明的目的在于提供一种末端位移小、安全性好且不易发生碰撞的工业机器人及其控制方法。

本发明可采用如下技术方案：一种工业机器人，包括底座、连杆，以及具有冗余自由度的多个关节，所述关节包括驱动电机和电机增量式编码器，其特征在于，所述工业机器人包括：启动模块，用于接收开机指令以执行开机启动；控制模块，用于控制所述工业机器人执行零空间运动，并在运动过程中检测各所述增量式编码器的绝对位置；以及，用于检查是否成功检测各增量式编码器的绝对位置，若成功检测，控制工业机器人结束检测绝对位置。

进一步的，所述控制模块用于若未能成功检测，控制工业机器人继续检测增量式编码器的绝对位置。

进一步的，所述控制模块用于若未能成功检测，控制工业机器人增大执行零空间运动的臂形角区间以继续执行零空间运动，所述臂形角区间限制所述工业机器人执行零空间运动的臂形角变化范围。

进一步的，所述控制模块用于判断所述臂形角区间是否超过预设区间，判断为超过时，控制所述工业机器人停机和/或报警。

进一步的，所述控制模块用于若未能成功检测，控制所述工业机器人停机和/或报警。

进一步的，所述控制工业机器人结束检测绝对位置包括：控制工业机器人回归初始位形。

进一步的，所述控制工业机器人结束检测绝对位置包括：控制工业机器人执行零空间运动以回归初始位形。

进一步的，所述成功检测为，工业机器人各增量式编码器的绝对位置均被检测到；所述未能成功检测为，工业机器人存在增量式编码器的绝对位置未被检测到。

进一步的，所述工业机器人为七轴协作机器人。

本发明还可采用如下技术方案：一种工业机器人的控制方法，适用于上述任一项所述的工业机器人，包括如下步骤：S1、执行开机启动；S2、控制所述工业机器人执行零空间运动，并在运动过程中检测各所述电机增量式编码器的绝对位置；S3、检查是否成功检测各增量式编码器的绝对位置，若成功检测，控制工业机器人结束检测绝对位置；S4、若未能成功检测，控制所述工业机器人继续检测增量式编码器的绝对位置。

进一步的，所述S4步骤包括S41：若未能成功检测，控制工业机器人增大执行零空间运动的臂形角区间以继续执行零空间运动，所述臂形角区间限制所述工业机器人执行零空间运动的臂形角变化范围。

进一步的，所述S41步骤包括：判断所述臂形角区间是否超过预设区间，判断为超过时，控制所述工业机器人停机和/或报警。

进一步的，所述控制方法包括：若未能成功检测，控制所述工业机器人停机和/或报警。

进一步的，所述控制工业机器人结束检测绝对位置包括：控制工业机器人回归初始位形。

进一步的，所述控制工业机器人结束检测绝对位置包括：控制工业机器人执行零空间运动以回归初始位形。

进一步的，所述成功检测为，工业机器人各增量式编码器的绝对位置均被检测到；所述未能成功检测为，工业机器人存在增量式编码器的绝对位置未被检测到。

与现有技术相比，本发明具体实施方式的有益效果为：工业机器人通过执行零空间运动以检测各增量式编码器的绝对位置，工业机器人本体的运动范围易于限制，且末端位移小，工业机器人不易发生碰撞，安全性好。

附图说明

以上所述的本发明的目的、技术方案以及有益效果可以通过下面附图实现：

图1是本发明的一个实施例的工业机器人的示意图

图2是本发明的一个实施例的工业机器人的模块图

图3是本发明一个实施例的工业机器人检测各增量式编码器的流程图

图4是本发明另一实施例的工业机器人检测各增量式编码器的流程图

图5是本发明又一实施例的工业机器人检测各增量式编码器的流程图

图6是本发明一个实施例的增量式编码器的示意图

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例是本发明的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。

本发明保护一种工业机器人，参图1-2，图1示出了本发明一个实施例的工业机器人100的示意图，图2示出了本发明一个实施例的工业机器人100的模块图。工业机器人通常可分为传统的工业机器人和自重较小的新型协作机器人，传统的工业机器人主要用于工业环境中替代人工执行工作，协作机器人用于工业、生活、零售等多种场景，因其柔性化能够和人一起协作完成任务，因此能够在较多的场景下执行工作，本发明所保护的技术方案可适用于工业机器人领域，优选的，适用于协作机器人。进一步的，工业机器人又可以分为四轴、五轴、六轴、七轴等类型的工业机器人，其中，七轴工业机器人是一种具有冗余自由度的工业机器人。本发明保护的工业机器人100，包括底座1，连杆2，以及具有冗余自由度的多个关节3，其中，相邻俩所述连杆2由关节3连接，具体，所述底座1用于支撑所述工业机器人100以及将所述工业机器人100安装至预设位置，所述连杆2连接于底座1并可基于关节3的驱动执行运动，所述工业机器人100可连接工具4以执行具体的工作任务。工业机器人的关节包括驱动电机和电机增量式编码器，驱动电机为关节提供动力，增量式编码器用于提供关节位置、速度等工作信息，工业机器人在上电开始工作前，需要对各增量式编码器的绝对位置进行确定，以保证增量式编码器检测的精度。也即，在工业机器人开机启动执行工作前，先确定各增量式编码器的绝对位置，之后执行工作时，增量式编码器的精度能够有所保证。所述工业机器人100包括：启动模块20，用于接收开机指令以执行开机启动；控制模块，用于控制所述工业机器人执行零空间运动，并在运动过程中检测各所述增量式编码器的绝对位置；以及，用于判断是否成功检测各增量式编码器的绝对位置，若成功检测，控制工业机器人结束检测绝对位置。进一步的，若检查未能成功检测，则控制工业机器人继续检测增量式编码器的绝对位置。本发明所保护的工业机器人100，具有冗余的自由度，也即所述工业机器人100为七轴或七轴以上的工业机器人，以七轴机器人为例，其能够利用7个关节的自由度来控制末端的6个位姿变量，因而拥有“零空间”，这样可以使得一种末端位姿对应关节空间内的无限多组解，能够提高操纵的灵活性。冗余自由度带来的好处很明显，即逆解无穷多，这样就能增加一个第二优先级的控制给到各个关节，而且不改变第一优先控制的末端位置和位形(称为零空间运动控制)，最终能够实现狭小空间或者有障碍物空间的末端控制，也即可以独立的实现末端控制，而其他各个关节能够独立于末端而进行运动，即在不影响末端工作状态的情况下，对其他各个关节进行运动控制，也就是“零空间运动”。当工业机器人100的启动模块20接收开机指令后，工业机器人100执行开机启动，开机之后，执行工作任务之前，需要确定各增量式编码器的绝对位置以确保其检测精度，工业机器人的控制模块控制工业机器人执行零空间运动，并在运动过程中检测各所述增量式编码器的绝对位置，当工业机器人100执行零空间运动时，其各个关节产生运动，但是机器人末端的位置能够保持不变，进而使得各个关节在运动过程中检测增量式编码器的绝对位置，从而确保工业机器人工作中的检测精度。工业机器人在执行零空间运动时，其臂形角发生变化，即可以通过臂形角的变化范围来限定工业机器人执行零空间运动的运动范围，即通过执行零空间运动，工业机器人末端几乎不产生位移，同时工业机器人的运动范围得到限制，能够在执行零空间运动过程中检测各增量式编码器的绝对位置，同时末端位移小，工业机器人运动范围易控制，工业机器人安全性好。

工业机器人的控制模块用于判断是否成功检测各增量式编码器的绝对位置，若成功检测，控制工业机器人结束检测绝对位置。在一个实施例中，参图3，所述控制模块30用于若成功检测，控制工业机器人结束检测绝对位置；若未能成功检测，控制工业机器人继续检测增量式编码器的绝对位置。进一步的，当控制模块30成功检测各增量式编码器的绝对位置时，控制所述工业机器人回归初始位形所述初始位形即工业机器人100未执行零空间运动时的位形，或者，回归工业机器人100开机时的位形。所述控制工业机器人100回归初始位形包括，控制所述工业机器人100执行零空间运动以回归初始位形，即所述工业机器人100在检测各增量式编码器的绝对位置时，通过执行零空间运动减小末端位移表面碰撞，当所述工业机器人在成功检测各增量式编码器的绝对位置后，回归初始位形时，也通过执行零空间运动以回归初始位形，以避免发生碰撞，也即在工业机器人检测各编码器的绝对位置的全过程均不易发生碰撞，安全性好。当控制模块30未能成功检测各增量式编码器的绝对位置时，继续检测增量式编码器的绝对位置，例如，工业机器人包括多个增量式编码器，检测到部分的增量式编码器的绝对位置，此时，继续检测其他的增量式编码器的绝对位置。

在本发明的另一个实施例中，参图4，当控制模块30若未能成功检测各增量式编码器的绝对位置，控制工业机器人增大执行零空间运动的臂形角区间以继续执行零空间运动，所述臂形角区间限制所述工业机器人执行零空间运动的臂形角变化范围。也即，当控制模块30检查未能成功检测各增量式编码器的绝对位置时，可能是由于当前的工业机器人100运动范围较小，也即，臂形角区间较小使得工业机器人的各关节3充分运动的幅度不够，因此未能成功检测各增量式编码器的绝对位置。因此，当控制模块30检查未能成功检测各增量式编码器的绝对位置时，增大所述臂形角区间，也即扩大了工业机器人执行零空间运动的可运动范围，也即增大了所述工业机器人执行零空间运动的臂形角的变化范围，以增大后的臂形角区间执行零空间运动，并在运动过程中检测各增量式编码器的绝对位置，此时，当工业机器人成功检测各增量式编码器的绝对位置时，结束检测绝对位置，若未能成功检测各增量式编码器的绝对位置，则继续增大所述臂形角区间，以此类推以检测各个关节的增量式编码器的绝对位置。也即，当工业机器人检查未能成功检测各增量式编码器的绝对位置，每次检测不成功时，则在原有的臂形角空间上递增预定量以形成新的臂形角空间，并以新的臂形角区间执行零空间运动。参图4，图4示出了该实施例的工业机器人检测各增量式编码器绝对位置的流程图，需要说明的是，图4示出的是本实施例的较为完整的实施流程，以便于理解本发明的技术方案，但不构成对本发明保护范围的限制。在本实施例中，臂形角的大小需要进行限制，即所述臂形角不得超过预设区间，若判断为超过，则控制所述工业机器人停机和/或报警，因臂形角区间超过预设区间时，工业机器人的运动范围较大以对工作机器人的安全性产生障碍。以及，进一步的，本发明提供的又一实施例中，参图5，当检查解除制动不成功时，控制工业机器人停机和/或报警。以在安全性不能得到有效保障的场景下，及时启动安全保障措施。

本发明中，工业机器人通过执行零空间运动以检测各增量式编码器的绝对位置，本发明所保护的工业机器人100包括多个关节3，关节3包括增量式编码器，增量式编码器又可以分为单通道增量式编码器、双通道增量式编码器、三通道增量式编码器，其中，三通道增量式编码器内部包括双通道增量式编码器的两对光电耦合器，以及在脉冲码盘的另一个通道还包括索引，示例性的，通过检测各增量式编码器的索引以检测各增量式编码器的绝对位置，以确保工业机器人上电精度。在本发明的一个实施例中，增量式编码器包括三通道增量式编码器，参图6，该增量式编码器10能够输出三相方波脉冲A相、B相和I相，其中，A、B两相脉冲相位差90度可以判断出旋转方向和旋转速度，而I相脉冲，也即Index脉冲，用于确保工业机器人100开机上电精度，从而为工业机器人100提供各项可靠的参数。在一个实施例中，所述索引11包括零位标记，能够用作系统清零信号以确保机器人上电精度。机器人100开机后，需要检测索引11的位置，以检测各增量式编码器10的绝对位置，以确保电机增量式编码器10的精度，控制模块30控制工业机器人100执行零空间运动，在执行零空间运动过程中，工业机器人的各关节发生运动，从而得以检测各增量式编码器10的索引11，从而确定各增量式编码器10的绝对位置。在其他实施例中，工业机器人也可以通过其他方式确定各增量式编码器的绝对位置。

工业机器人用于判断是否成功检测各增量式编码器的绝对位置，进一步的，所述成功检测为，工业机器人各增量式编码器的绝对位置均被检测到，所述未成功检测为，工业机器人存在增量式编码器的绝对值未被检测到。本发明所保护的工业机器人是冗余自由度工业机器人，进一步的，所述工业机器人为七轴协作机器人。

以上优选实施例的有益效果在于：工业机器人通过执行零空间运动以检测各增量式编码器的绝对位置，工业机器人本体的运动范围易于限制，且末端位移小，工业机器人不易发生碰撞，安全性好。

本发明还提供了一种工业机器人100的控制方法，适用于上述任一工业机器人，该控制方法包括如下步骤：

S1、执行开机启动；

S2、控制所述工业机器人执行零空间运动，并在运动过程中检测各所述电机增量式编码器的绝对位置；

其中，所述工业机器人在执行零空间运动时，其臂形角发生变化，所述臂形角的可变化变化为臂形角区间，在一个实施例中，做出执行零空间运动的臂形角区间为一预设值，即工业机器人100开机启动后，在预设的臂形角区间限定的臂形角可变化范围内执行零空间运动。

S3、检查是否成功检测各增量式编码器的绝对位置，若成功检测，控制工业机器人结束检测绝对位置。

在本发明的一个实施例中，所述成功检测为，成功检测工业机器人的所有增量式编码器的绝对位置；所述未成功检测为，工业机器人存在未被检测到绝对位置的增量式编码器，所述控制工业机器人结束检测绝对位置包括，控制工业机器人回归初始位形，所述初始位形为工业机器人未执行零空间运动前的位形，或者，所述初始位形为工业机器人开机时的位形，进一步的，所述控制工业机器人结束检测绝对位置包括，控制所述工业机器人执行零空间运动以回归初始位形，以确保工业机器人检测增量式编码器的绝对位置的过程中工业机器人的安全性。

S4、若未能成功检测，控制所述工业机器人继续检测增量式编码器的绝对位置。

上述S4步骤进一步包括：S41、若未能成功检测，增大所述工业机器人执行零空间运动的臂形角区间以继续执行零空间运动，所述臂形角区间限制所述工业机器人执行零空间运动的臂形角范围。即当未能成功检测各增量式编码器的绝对位置时，增大所述臂形角区间以再次尝试检测各增量式编码器的绝对位置。关于执行零空间运动的具体流程与前文一致，此处不再赘述。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种工业机器人，包括底座、连杆，以及具有冗余自由度的多个关节，所述关节包括驱动电机和电机增量式编码器，其特征在于，所述工业机器人包括：

启动模块，用于接收开机指令以执行开机启动；

控制模块，用于控制所述工业机器人执行零空间运动，并在运动过程中检测各所述增量式编码器的绝对位置；以及，用于检查是否成功检测各增量式编码器的绝对位置，若成功检测，控制工业机器人结束检测绝对位置。

2.根据权利要求1所述的工业机器人，其特征在于，所述控制模块用于若未能成功检测，控制工业机器人继续检测增量式编码器的绝对位置。

3.根据权利要求1所述的工业机器人，其特征在于，所述控制模块用于若未能成功检测，控制工业机器人增大执行零空间运动的臂形角区间以继续执行零空间运动，所述臂形角区间限制所述工业机器人执行零空间运动的臂形角变化范围。

4.根据权利要求3所述的工业机器人，其特征在于，所述控制模块用于判断所述臂形角区间是否超过预设区间，判断为超过时，控制所述工业机器人停机和/或报警。

5.根据权利要求1所述的工业机器人，其特征在于，所述控制模块用于若未能成功检测，控制所述工业机器人停机和/或报警。

6.根据权利要求1所述的工业机器人，其特征在于，所述控制工业机器人结束检测绝对位置包括：控制工业机器人回归初始位形。

7.根据权利要求1所述的工业机器人，其特征在于，所述控制工业机器人结束检测绝对位置包括：控制工业机器人执行零空间运动以回归初始位形。

8.根据权利要求2所述的工业机器人，其特征在于，所述成功检测为，工业机器人各增量式编码器的绝对位置均被检测到；所述未能成功检测为，工业机器人存在增量式编码器的绝对位置未被检测到。

9.根据权利要求1所述的工业机器人，其特征在于，所述工业机器人为七轴协作机器人。

10.一种工业机器人的控制方法，适用于权利要求1-9中任一项所述的工业机器人，其特征在于，包括如下步骤：

S1、执行开机启动；

S2、控制所述工业机器人执行零空间运动，并在运动过程中检测各所述电机增量式编码器的绝对位置；

S3、检查是否成功检测各增量式编码器的绝对位置，若成功检测，控制工业机器人结束检测绝对位置；

S4、若未能成功检测，控制所述工业机器人继续检测增量式编码器的绝对位置。

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