CN114619436A - 一种基于EtherCAT的六轴机器人控制系统测试设备及其方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及机器人技术领域，特别涉及一种基于EtherCAT的六轴机器人控制系统测试设备及其方法；本发明包括机器人测试系统，该机器人测试系统通过EtherCAT总线与机器人控制系统进行电性连接，该机器人控制系统控制六轴机器人各轴的关节电机执行命令进行工作操作；本发明对机器人控制系统的控制信息进行数据采集，根据采集的数据可以对六轴机器人各个关节的运动状态进行误差分析，且可分析误差原因，从而评估机器人控制系统的性能和改进机器人控制系统；同时构建三维仿真模型，将六轴机器人的动态特性、静态特性和非线性因素真实地反映出来，实现可视化仿真界面直观实时监控机器人的运动控制性能状态和轨迹。
Description
技术领域
本发明涉及机器人技术领域，特别涉及一种基于EtherCAT的六轴机器人控制系统测试设备及其方法。
背景技术
工业机器人是面向工业领域的多关节机械手或多自由度的机器装置，它能自动执行工作，是靠自身动力和控制能力来实现各种功能的一种机器。随着科技的发展，工业机器人以其可编程、拟人化、通用性等优势，越来越被广泛应用于工厂；所以，提高机器人的质量成为凸显的问题，通过测试发现设备中隐藏的问题和设计缺陷，是提高机器人可靠性和质量的重要手段。目前，工业机器人测试手段主要采用人工实验的方式，存在效率低下、危险性突出、测试成本高等缺点，无法满足日益扩大的机器人测试市场的需求。
机器人本身就是一个非常复杂的机构，包括运动学及动力学等部分，为了能实时监控机器人各轴的运动状态及机器人控制器的控制性能，需要引进机器人控制系统的测试。
现有的测试手段，可通过激光跟踪仪对于机器人的末端位姿进行标定，通过对于机器人控制系统的给定与机器人末端位姿的输出进行比较，可进行误差分析；这种测试手段缺少对于机器人各个关节的测试误差分析，并且无法将控制系统的动态特性、静态特性和非线性因素等真实地反映出来，在试验和操作方面都比较困难，无法形成对于特定部分的分析。
发明内容
本发明主要解决的技术问题是提供一种基于EtherCAT的六轴机器人控制系统测试设备，对机器人控制系统的控制信息进行数据采集，根据采集的数据可以对六轴机器人各个关节的运动状态进行误差分析，且可分析误差原因，从而评估机器人控制系统的性能和改进机器人控制系统；同时构建三维仿真模型，将六轴机器人的动态特性、静态特性和非线性因素真实地反映出来，实现可视化仿真界面直观实时监控机器人的运动控制性能状态和轨迹；还提供一种基于EtherCAT的六轴机器人控制系统测试方法。
为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种基于EtherCAT的六轴机器人控制系统测试设备，用于采集机器人控制系统的控制信息来测试评估机器人控制系统的性能，所述机器人控制系统，用于驱动六轴机器人的各轴的关节电机运动；其中，包括：
机器人测试系统，用于对所述机器人控制系统的控制信息进行数据采集，并对采集的数据进行分析并构建三维仿真模型，评估机器人控制系统的性能；
其中，所述机器人测试系统通过EtherCAT总线与所述机器人控制系统进行电性连接。
作为本发明的一种改进，所述机器人测试系统包括主控计算机和EtherCAT总线接口单元，所述EtherCAT总线接口单元用于所述EtherCAT总线的连接，所述主控计算机用于采集数据和对数据进行分析并构建三维仿真模型。
作为本发明的进一步，所述机器人测试系统还包括用于所述机器人控制系统进行数据交换的以太网和用于控制评估数据进行显示的屏显驱动板卡。
作为本发明的更进一步，机器人控制系统包括用于编码设置六轴机器人运动姿态和轨迹的示教器、用于将所述示教器的指令传输至六轴机器人的机器人控制器、用于驱动六轴机器人运动的关节伺服驱动模块。
作为本发明的更进一步，所述关节伺服驱动模块包括用于驱动六轴机器人的关节电机的伺服驱动器，所述机器人控制器与所述伺服驱动器进行无线传输连接。
作为本发明的更进一步，所述关节伺服驱动模块还包括用于反馈六轴机器人的各轴运动姿态的编码器，所述机器人控制器与所述编码器进行无线传输连接。
作为本发明的更进一步，所述机器人控制器与所述伺服驱动器之间采用双向通信传输。
作为本发明的更进一步，所述机器人控制器与所述伺服驱动器的连接方式采用菊花链连接。
一种基于EtherCAT的六轴机器人控制系统测试方法，其中，包括如下步骤：
步骤S1、机器人控制系统驱动六轴机器人的各关节运动；
步骤S2、机器人测试系统采集机器人控制系统的控制信息，将采集的数据进行分析，通过比较机器人控制系统内的给定值与六轴机器人的反馈值，得到误差；
步骤S3、机器人测试系统构建三维仿真模型，将六轴机器人的动态特性、静态特性和非线性因素反映出来，实时监控六轴机器人的运动控制性能状态和轨迹；
步骤S4、根据步骤S2内的误差分析和步骤S3内的可视化界面显示信息，评估机器人控制系统的性能。本发明的有益效果是：与现有技术相比，本发明对机器人控制系统的控制信息进行数据采集，根据采集的数据可以对六轴机器人各个关节的运动状态进行误差分析，且可分析误差原因，从而改进机器人控制系统和评估机器人控制系统的性能；同时构建三维仿真模型，将六轴机器人的动态特性、静态特性和非线性因素真实地反映出来，实现可视化仿真界面直观实时监控六轴机器人的运动控制性能状态和轨迹规划。
附图说明
图1为本发明的基于EtherCAT的六轴机器人控制系统测试设备的连接框图；
图2为本发明的基于EtherCAT的六轴机器人控制系统测试方法的步骤框图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明提供一种基于EtherCAT的六轴机器人控制系统测试设备，用于采集机器人控制系统的控制信息来测试评估机器人控制系统的性能，该机器人控制系统，用于驱动六轴机器人的各轴进行运动。
如图1所示，本发明提供一种基于EtherCAT的六轴机器人控制系统测试设备包括：
机器人测试系统，用于对机器人控制系统的控制信息进行数据采集，并对采集的数据进行分析并构建三维仿真模型，评估机器人控制系统的性能；
其中，机器人测试系统通过EtherCAT总线与机器人控制系统进行电性连接。
在本发明内，对机器人控制系统的控制信息进行数据采集，根据采集的数据可以对六轴机器人各个关节的运动状态进行误差分析，且可分析误差原因，从而改进机器人控制系统和评估机器人控制系统的性能；同时构建三维仿真模型，将六轴机器人的动态特性、静态特性和非线性因素真实地反映出来，实现可视化仿真界面直观实时监控机器人的运动控制性能状态和轨迹。
在本发明内，机器人测试系统包括主控计算机、EtherCAT总线接口单元、用于所述机器人控制系统进行数据交换的以太网和用于控制评估数据进行显示的屏显驱动板卡，EtherCAT总线接口单元用于EtherCAT总线的连接，主控计算机用于采集数据和对数据进行分析构建三维仿真模型；具体地讲，机器人测试系统集成主控计算机、EtherCAT总线接口单元、以太网、屏显驱动板卡，通过对机器人控制器和六轴机器人的各轴进行数据采集，在主控计算机上对采集的数据进行分析，构建三维仿真模型，评估机器人控制器性能；屏显驱动板卡控制显示动态特性、静态特性和非线性，实现可视化仿真界面直观实时监控机器人的运动控制性能状态和轨迹；机器人测试系统采用“上—下”位机架构，上位机是基于Windows系统的主控计算机，是用户进行控制系统设计和试验运行管理的环境；下位机是运行机器人控制模型实时代码，并通过EtherCAT总线与机器人控制器连接；最终实现对机器人对象系统的控制及测试，机器人测试系统负责数据采集、监视、处理分析，EtherCAT硬件接口作为主从站交互链接，机器人控制器负责对于机器人的控制及驱动，通过EtherCAT总线将数据进行传输，完成测试系统的各项功能。
在本发明内，机器人控制系统包括用于编码设置六轴机器人运动姿态和轨迹的示教器、用于将示教器的指令传输至六轴机器人的机器人控制器、用于驱动六轴机器人运动的关节伺服驱动模块；关节伺服驱动模块包括用于驱动六轴机器人的关节电机的伺服驱动器和用于反馈六轴机器人的各轴运动姿态的编码器，机器人控制器与所述伺服驱动器进行无线传输连接；机器人控制器与编码器进行无线传输连接；具体地讲，机器人控制系统由示教器、机器人控制器、关节伺服驱动模块组成，使用示教器进行机器人运动姿态和轨迹的编程作业，机器人控制器对示教器的指令进行作业输出，关节伺服驱动模块分别驱动机器人的六轴的六个关节电机进行相关作业的动作；机器人为机器人控制系统的执行机构，运行各个位姿、轨迹等作业。
在本发明内，机器人控制器与所述伺服驱动器之间采用双向通信传输；进一步，机器人控制器与伺服驱动器的连接方式采用菊花链连接；具体地讲，机器人测试系统是针对EtherCAT型机器人控制器搭建的硬件监测系统，在基于EtherCAT的机器人控制系统中，机器人控制器是主站，6个伺服驱动器是从站，且以菊花链的形式完成连接；为了不破坏主/从站之间的通信连接，在机器人控制器(主站)后串联接入机器人测试系统，对机器人控制器与伺服驱动器之间的双向通信实现透明传输，并完成数据采集功能。
如图2所示，本发明还提供一种基于EtherCAT的六轴机器人控制系统测试方法，包括如下步骤：
步骤S1、机器人控制系统驱动六轴机器人的各轴的关节电机运动；
步骤S2、机器人测试系统采集机器人控制系统的控制信息，将采集的数据进行分析，通过比较机器人控制系统内的给定值与六轴机器人的反馈值，得到误差；
步骤S3、机器人测试系统构建三维仿真模型，将六轴机器人的动态特性、静态特性和非线性因素反映出来，实时监控机器人的运动控制性能状态和轨迹；
步骤S4、根据步骤S2内的误差分析和步骤S3内的可视化界面显示信息，评估机器人控制系统的性能。
本发明对机器人控制系统的控制信息进行数据采集，根据采集的数据可以对六轴机器人各个关节的运动状态进行误差分析，且可分析误差原因，从而改进机器人控制系统和评估机器人控制系统的性能；同时构建三维仿真模型，将六轴机器人的动态特性、静态特性和非线性因素真实地反映出来，实现可视化仿真界面直观实时监控机器人的运动控制性能状态和轨迹。
在本发明内，可实现多轴同步测量，并通过对于六轴机器人的各种运动状态(位姿、轨迹)进行实时数据监测和分析，可将六轴机器人当前控制性能真实地反映出来，以用于控制系统的设计改进修正，验证控制器的设计性能，调整控制系统参数以满足系统性能指标。
本发明兼容设计多家控制器和驱动器，以完成对不同机器人控制系统进行测试；首先，可通过机器人测试系统的上位机可视化仿真界面直观实时监视机器人的运动控制性能状态和轨迹；其次，可通过采集机器人控制系统在不同测试用例下运行状态数据，例如位置、姿态、速度、伺服周期控制、轨迹等，对控制数据进行分析，通过比较给定值与反馈值得到误差，可通过时间戳追溯误差较大曲线，并分析误差原因，从而改进机器人控制系统和评估机器人控制系统性能。
本发明针对机器人控制系统性能的测试要求，实现多轴同步实时测量技术、伺服精度与空间插补精度测试技术，并搭建仪器测试平台，开发完成相应的数据采集、在线测试软件等要求；重点在于攻克机器人测试过程中，机器人性能的标准化与定量化、通用的机器人测试标准、提出普适的机器人测试平台通用接口。
本发明的通信总线使用EtherCAT型工业以太网总线，保证机器人多轴联动测试的实时性和同步性，制定测试用例，对机器人的不同运动状态(位置、姿态、运动轨迹等)进行数据采集，进行设定值与反馈值的误差比较，输出不同机器人控制系统的测试报告，从而对于机器人控制器性能进行评估。
本发明的有益效果如下：
1、本发明运行稳定可靠且具有普适通用性，可满足机器人整体运动精度、控制系统性能、关节驱动性能等测试需求。
2、采用EtherCAT协议进行机器人控制系统的测试，可完成六轴机器人的六轴同步实时测量。
3、本发明的机器人测试系统的上位机可显示三维仿真可视化界面，可直观实时监视机器人的运动轨迹，从而可以结合数据分析，评估机器人控制系统的性能。
4、通过对机器人不同运动状态(位置、姿态、运动轨迹等)进行数据采集，进行设定值与反馈值的误差比较，输出不同机器人控制系统的测试报告，从而对于机器人控制器性能参数和指标进行评估。
以上所述仅为本发明的实施方式，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (9)
1.一种基于EtherCAT的六轴机器人控制系统测试设备，用于采集机器人控制系统的控制信息来测试评估机器人控制系统的性能，所述机器人控制系统，用于驱动六轴机器人的各轴的关节电机进行运动；其特征在于，包括：
机器人测试系统，用于对所述机器人控制系统的控制信息进行数据采集，并对采集的数据进行分析并构建三维仿真模型，评估机器人控制系统的性能；
其中，所述机器人测试系统通过EtherCAT总线与所述机器人控制系统进行电性连接。
2.根据权利要求1所述的一种基于EtherCAT的六轴机器人控制系统测试设备，其特征在于，所述机器人测试系统包括主控计算机和EtherCAT总线接口单元，所述EtherCAT总线接口单元用于所述EtherCAT总线的连接，所述主控计算机用于采集数据和对数据进行分析并构建三维仿真模型。
3.根据权利要求2所述的一种基于EtherCAT的六轴机器人控制系统测试设备，其特征在于，所述机器人测试系统还包括用于所述机器人控制系统进行数据交换的以太网和用于控制评估数据进行显示的屏显驱动板卡。
4.根据权利要求3所述的一种基于EtherCAT的六轴机器人控制系统测试设备，其特征在于，所述机器人控制系统包括用于编码设置六轴机器人运动姿态和轨迹的示教器、用于将所述示教器的指令传输至六轴机器人的机器人控制器、用于驱动六轴机器人运动的关节伺服驱动模块。
5.根据权利要求4所述的一种基于EtherCAT的六轴机器人控制系统测试设备，其特征在于，所述关节伺服驱动模块包括用于驱动六轴机器人的关节电机的伺服驱动器，所述机器人控制器与所述伺服驱动器进行无线传输连接。
6.根据权利要求5所述的一种基于EtherCAT的六轴机器人控制系统测试设备，其特征在于，所述关节伺服驱动模块还包括用于反馈六轴机器人的各轴运动姿态的编码器，所述机器人控制器与所述编码器进行无线传输连接。
7.根据权利要求6所述的一种基于EtherCAT的六轴机器人控制系统测试设备，其特征在于，所述机器人控制器与所述伺服驱动器之间采用双向通信传输。
8.根据权利要求7所述的一种基于EtherCAT的六轴机器人控制系统测试设备，其特征在于，所述机器人控制器与所述伺服驱动器的连接方式采用菊花链连接。
9.一种基于EtherCAT的六轴机器人控制系统测试方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤S1、机器人控制系统驱动六轴机器人的各轴的关节电机运动；
步骤S2、机器人测试系统采集机器人控制系统的控制信息，将采集的数据进行分析，通过比较机器人控制系统内的给定值与六轴机器人的反馈值，得到误差；
步骤S3、机器人测试系统构建三维仿真模型，将六轴机器人的动态特性、静态特性和非线性因素反映出来，实时监控六轴机器人的运动控制性能状态和轨迹；
步骤S4、根据步骤S2内的误差分析和步骤S3内的可视化界面显示信息，评估机器人控制系统的性能。
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