CN114670180A - 一种串联机器人控制系统及标定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种串联机器人控制系统及标定方法，系统包括n轴串联驱动模块分别与n轴串联机器人的n个轴连接，由控制器控制，实现机器人机械臂驱动；每一轴串联驱动模块包括一组串联的驱动器、步进电机、编码器和减速机；每一轴串联驱动模块中的编码器与步进电机的轴相连，用于检测步进电机的位置，并将结果传输到同模块的驱动器；所述控制器，用于机器人逆解运算，并将计算结果传输到驱动器；所述驱动器，用于控制与其相串联的步进电机的转动；所述步进电机，用于带动与其相串联的减速机转动；所述减速机，用于驱动与其连接的n轴串联机器人的轴，进行n轴串联机器人的运动控制。本发明可实现基于步进电机驱动的串联机器人控制及零位标定。

Description

一种串联机器人控制系统及标定方法

技术领域

本发明属于机器人控制技术领域，具体涉及一种串联机器人控制系统及标定方法。

背景技术

步进电动机驱动系统相比较采用伺服电机驱动，具有结构简单、控制方便、价格低廉等特点，在经济型设备中得到了广泛应用。在码垛、搬运等对精度要求不高的应用场景中，采用步进电机作为驱动部件，可以有效降低串联机器人的成本。

在机器人控制系统中，控制器主要完成机器人运动轨道规划的运算，各关节的位置控制一般由电机驱动器完成。采用步进驱动作为机器人动力部件，由于步进电机驱动器无法直接完成步进电机的位置控制，通常需要进行加减速控制，但是传统的步进电机加减速轨迹规划在步进电机运动到目标位置之前通常无法设置新的目标位置。在机器人控制系统中，为形成需要的末端轨迹，步进电机的位置控制需要和伺服电机位置控制相似的模式，可以随时更新目标位置。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一种串联机器人控制系统及标定方法，实现基于步进电机驱动的串联机器人控制及零位标定。

为实现上述技术目的，本发明采取的技术方案为：

一种串联机器人控制系统，包括控制器和n轴串联驱动模块；

n轴串联驱动模块分别与n轴串联机器人的n个轴连接，由控制器控制，实现机器人机械臂驱动；

每一轴串联驱动模块包括一组串联的驱动器、步进电机、编码器和减速机；

每一轴串联驱动模块中的编码器与步进电机的轴相连，用于检测步进电机的位置，并将结果传输到同模块的驱动器；

所述控制器，用于机器人逆解运算，并将计算结果传输到驱动器；

所述驱动器，用于控制与其相串联的步进电机的转动；

所述步进电机，用于带动与其相串联的减速机转动；

所述减速机，用于驱动与其连接的n轴串联机器人的轴，进行n轴串联机器人的运动控制。

为优化上述技术方案，采取的具体措施还包括：

上述的控制器，包括逆解运算单元、初始标定单元；

所述逆解运算单元，用于基于机器人的末端位置和末端姿态信息进行逆解运算，计算得到机器人n个轴相应的n个目标位置，并将其传输至相应的驱动器中，实现n轴串联机器人的控制；

所述初始标定单元，用于在采用步进电机作为机器人驱动初始上电时进行零位标定，生成n轴相应的标定位置并完成串联机器人n个轴的初始位置标定。

上述的控制器与驱动器之间采用RS485总线实现信息交换。

上述的编码器采用增量编码器。

上述的驱动器具备485通讯功能，通过485总线配置驱动器的电流大小，并提供位置差过大的检测功能。

上述的n轴串联机器人包括n个轴和n个相应的零位挡块；

n个零位挡块分别设置在n个轴的零位位置，用于标定相应轴的零位；

上述的零位的标定位置的产生方式为：

设控制器的控制周期为T(单位为秒)，标定位置为W1(单位为度)，位置增量为Δ1(单位为度)，相应步进电机的最大转速为S1(单位为度每秒)，W1的初值为0；

则每采样周期的零位的标定位置迭代计算式为：

W1＝W1+Δ1 (1)

上述的一种串联机器人控制系统的标定方法，包括：

1)设置初始i＝1；

2)控制器设置驱动器i的驱动电流；

3)控制器将i轴的零点标定位置设定给驱动器i，串联机器人轴i开始转动；

4)驱动器i回送控制电机的位置差检测结果给控制器，若没有超差，计算零点标定位置，转步骤3)，否则转步骤5)；

5)位置超差，说明轴i已经到达零位，完成轴i的零位标定，i＝i+1，返回步骤2)，直到机器人n个轴均完整零位标定。

本发明具有以下有益效果：

本发明采用步进驱动作为动力部件，控制器完成机器人的轨迹规划，产生机器人各轴的步进电机目标脉冲数；

本发明在串联机器人各轴设置零位挡块，在串联机器人进行标定时，减小电机的驱动电流设置，串联机器人的各轴以较小的速度向零位位置靠近，当碰到零位挡块时，电机停止转动，驱动器检测到电机位置超差故障，此时机器人该轴到达零位，完成机器人的位置标定。

1、本发明的控制系统采用步进驱动作为串联机器人的驱动方式，可有效降低串联机器人的硬件成本。

2、本发明的标定方法通过串联机器人控制系统自身具备的硬件系统，完成对初始位置的标定，不需要零位开关，提高系统可靠性，简化系统硬件。

附图说明

图1为本发明中的串联机器人控制系统组成框图；

图2为本发明中的控制器功能组成示意图；

图3为本发明中的一种串联机器人标定零位挡块设置示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例作进一步详细描述。

本发明一种串联机器人控制系统，包括控制器和n轴串联驱动模块；

n轴串联驱动模块分别与n轴串联机器人的n个轴连接，由控制器控制，实现机器人机械臂驱动；

每一轴串联驱动模块包括一组串联的驱动器、步进电机、编码器和减速机；

参见图1，以三轴串联机器人为例，所述控制系统包括控制器、驱动器1、步进电机1、编码器1、减速机1、驱动器2、步进电机2、编码器2、减速机2、驱动器3、步进电机3、编码器3、减速机3等。

所述的控制器完成机器人逆解运算，并将计算的结果传输到驱动器1、驱动器2、驱动器3；

控制器与驱动器1、驱动器2、驱动器3之间采用RS485总线实现信息交换；

驱动器1、驱动器2、驱动器3分别控制步进电机1、步进电机2、步进电机3的转动；

步进电机1、步进电机2、步进电机3的分别带动减速机1、减速机2、减速机3转动；

减速机1、减速机2、减速机3驱动三轴串联机器人的轴1、轴2、轴3，完成三轴串联机器人的运动控制；

编码器1、编码器2、编码器3采用增量编码器，并分别与步进电机1、步进电机2、步进电机3的轴相连，用于检测步进电机1、步进电机2、步进电机3的位置，并分别将结果传输到驱动器1、驱动器2、驱动器3。

参见图2，所述的控制器，包括逆解运算单元、初始标定单元等；

机器人末端位置和末端姿态提供给逆解运算单元，逆解运算计算三个轴的目标位置1、目标位置2、目标位置3，并通过RS485总线传输到三个驱动器1、驱动器2、驱动器3中，实现串联机器人的控制。

所述控制器的初始标定，用于在采用步进电机作为机器人驱动时，初始上电进行零位标定，生成标定位置1、标定位置2、标定位置3，并完成串联机器人轴1、轴2、轴3的初始位置标定。

所述的驱动器1、驱动器2、驱动器3的具备485通讯功能，通过485总线配置驱动器的电流大小，并提供位置差过大的检测功能。驱动器选择雷赛LD2-RS系列驱动器，具备上述要求。

参见图3，所述的串联机器人包括轴1、轴2、轴3、零位挡块4、零位挡块5、零位挡块6等；

零位挡块4、零位挡块5、零位挡块6的分别设置在轴1、轴2、轴3零位位置。

零位挡块4用于标定轴1的零位；零位挡块5用于标定轴2的零位；零位挡块6用于标定轴3的零位。

所述的标定位置1的产生方法为，设控制器控制周期为T(单位为秒)，标定位置1为W1(单位为度)，位置增量为Δ1(单位为度)，步进电机1的最大转速为S1(单位为度每秒)，W1的初值为0，每采样周期的迭代计算式为式(1)。

W1＝W1+Δ1 (1)

Δ1的取值方法为：Δ1除以T小于10％-30％的S1。

Δ1的取值方法为Δ1表征在零位标定时的速度，为减小标定时对零位挡块的冲击，在本实施例中选择方法为式(2)。

本发明的一种串联机器人控制系统的标定方法，包括以下步骤：

1)设置初始i＝1；

2)控制器设置驱动器i的驱动电流；

3)控制器将i轴的零点标定位置设定给驱动器i，串联机器人轴i开始转动；

4)驱动器i回送控制电机的位置差检测结果给控制器，若没有超差，计算零点标定位置，转步骤3)，否则转步骤5)；

5)位置超差，说明轴i已经到达零位，完成轴i的零位标定，i＝i+1，返回步骤2)，直到机器人n个轴均完整零位标定。

以轴1为例，其标定步骤为：

1)控制器通过RS485设置驱动器1的驱动电流，设置大小选择原则是该轴能够转动；

2)控制器通过RS485将W1设定给驱动器1，串联机器人轴1开始转动；

3)驱动器1通过RS485回送控制电机的位置差检测结果给控制器，没有超差时，W1按式(1)计算，转步骤2)，超差转步骤4)；

4)位置超差，说明轴1已经到达零位，完成轴1的零位标定。

轴2和轴3的标定方法与轴1标定方法相似，在标定过程注意标定顺序，防止机械臂末端碰到桌面。

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种串联机器人控制系统，其特征在于，包括控制器和n轴串联驱动模块；

n轴串联驱动模块分别与n轴串联机器人的n个轴连接，由控制器控制，实现机器人机械臂驱动；

每一轴串联驱动模块包括一组串联的驱动器、步进电机、编码器和减速机；

每一轴串联驱动模块中的编码器与步进电机的轴相连，用于检测步进电机的位置，并将结果传输到同模块的驱动器；

所述控制器，用于机器人逆解运算，并将计算结果传输到驱动器；

所述驱动器，用于控制与其相串联的步进电机的转动；

所述步进电机，用于带动与其相串联的减速机转动；

所述减速机，用于驱动与其连接的n轴串联机器人的轴，进行n轴串联机器人的运动控制。

2.根据权利要求1所述的一种串联机器人控制系统，其特征在于，所述控制器，包括逆解运算单元、初始标定单元；

所述逆解运算单元，用于基于机器人的末端位置和末端姿态信息进行逆解运算，计算得到机器人n个轴相应的n个目标位置，并将其传输至相应的驱动器中，实现n轴串联机器人的控制；

所述初始标定单元，用于在采用步进电机作为机器人驱动初始上电时进行零位标定，生成n轴相应的标定位置并完成串联机器人n个轴的初始位置标定。

3.根据权利要求1所述的一种串联机器人控制系统，其特征在于，所述控制器与驱动器之间采用RS485总线实现信息交换。

4.根据权利要求1所述的一种串联机器人控制系统，其特征在于，所述编码器采用增量编码器。

5.根据权利要求1所述的一种串联机器人控制系统，其特征在于，所述驱动器具备485通讯功能，通过485总线配置驱动器的电流大小，并提供位置差过大的检测功能。

6.根据权利要求1所述的一种串联机器人控制系统，其特征在于，所述n轴串联机器人包括n个轴和n个相应的零位挡块；

n个零位挡块分别设置在n个轴的零位位置，用于标定相应轴的零位。

7.根据权利要求1所述的一种串联机器人控制系统，其特征在于，所述零位的标定位置的产生方式为：

设控制器的控制周期为T(单位为秒)，标定位置为W1(单位为度)，位置增量为Δ1(单位为度)，相应步进电机的最大转速为S1(单位为度每秒)，W1的初值为0；

则每采样周期的零位的标定位置迭代计算式为：

W1＝W1+Δ1 (1)

8.权利要求1-7任一所述的一种串联机器人控制系统的标定方法，其特征在于，包括：

1)设置初始i＝1；

2)控制器设置驱动器i的驱动电流；

3)控制器将i轴的零点标定位置设定给驱动器i，串联机器人轴i开始转动；

4)驱动器i回送控制电机的位置差检测结果给控制器，若没有超差，计算零点标定位置，转步骤3)，否则转步骤5)；

5)位置超差，说明轴i已经到达零位，完成轴i的零位标定，i＝i+1，返回步骤2)，直到机器人n个轴均完整零位标定。

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