CN203449306U - 一种主从式双工业机器人协调操作控制系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种主从式双工业机器人协调操作控制系统，包括第一电控柜、第二电控柜、虚拟环境控制器、主从式运动规划控制器，其中，所述第一电控柜和第二电控柜各连接有一台工业机器人，且该第一电控柜和第二电控柜的工业机器人之间存在主从关系，分别为主工业机器人和从工业机器人，该第一电控柜和第二电控柜之间通过外围扩展的I/O口连接；所述虚拟环境控制器分别与第一电控柜、第二电控柜、主从式运动规划控制器一一对应相接，该主从式运动规划控制器分别与第一电控柜和第二电控柜连接。采用以上方案后，本实用新型的可行性强、预见性好、稳定性高，用户可以通过规划操作和被夹持物体的尺寸，可以实时观察夹取作业过程，分析夹取效果。

Description

一种主从式双工业机器人协调操作控制系统

技术领域

本实用新型涉及工业机器人的技术领域，尤其是指一种主从式双工业机器人协调操作控制系统。

背景技术

众所周知，双机器人协调操作是提高机器人系统操作能力、负载能力、可靠性以及扩展操作空间的有效途径，双机器人协调可以完成对于单个机器人而言较为困难或根本无法完成的任务，而对于一些可由单个完成的作业，如果使用双机器人协调工作，也可减少机器人复杂性，提高效率，增加灵活性和稳定性。目前，双机器人协调系统的研究引起了日益广泛的重视，在生产制造、军事、航空航天、空间探索、高压带电作业及危险品操作等领域得到广泛应用。

双机器人协调操作系统是一个紧耦合多自由度结构复杂系统，具有时变性、非线性和不确定性，必须要使机器人完成联合作业任务和适应各种工作要求与环境的变化。机器人协调操作时，机器人与物体接触，微小误差都会产生相互作用力，可能导致作业失败，主从式的机器人运动规划是一种可靠、稳定的方法，来实现双机器人的联动作业，但要完成双机器人系统协调操作不仅需要机器人有较高的运动精度、较快的运动速度和稳定的实时通讯，还需要大量的上层规划和分配任务。据调查，现在国内的机器人硬件平台还不是很成熟稳定，不仅单个机器人的运动指标难以达到既定标准，而且双机器人系统协调规划还处于刚起步阶段。

发明内容

本实用新型的目的在于克服现有技术的不足，提供一种功能完善、鲁棒性好、执行可行性强、稳定性高的主从式双工业机器人协调操作控制系统。

为实现上述目的，本实用新型所提供的技术方案为：一种主从式双工业机器人协调操作控制系统，包括有第一电控柜，第二电控柜，用于模拟工业机器人任务并能够输入、导出运动指令的虚拟环境控制器以及用于规划相应工业机器人运动轨迹的主从式运动规划控制器；其中，所述第一电控柜和第二电控柜各连接有一台工业机器人，且该第一电控柜和第二电控柜的工业机器人之间存在主从关系，分别为主工业机器人和从工业机器人，该第一电控柜和第二电控柜之间通过外围扩展的I/O口连接；所述虚拟环境控制器分别与第一电控柜、第二电控柜、主从式运动规划控制器一一对应相接，同时，该主从式运动规划控制器分别与第一电控柜和第二电控柜连接。

所述虚拟环境控制器包括有与电控柜和主从式运动规划控制器连接的第一通讯与接口模块，轨迹生成模块，动态过程显示模块，第一参数设置模块，运动指令生成模块和第一主控计算模块；其中，所述第一主控计算模块分别与第一通讯与接口模块、轨迹生成模块、动态过程显示模块、第一参数设置模块一一对应相接，同时，该运动指令生成模块分别与第一通讯与接口模块和轨迹生成模块连接。

所述主从式运动规划控制器包括有与电控柜和虚拟环境控制器连接的第二通讯与接口模块，运动指令导入模块，运动指令输出模块，第二参数设置模块和第二主控计算模块；其中，所述第二主控计算模块分别与第二通讯与接口模块、运动指令导入模块、运动指令输出模块、第二参数设置模块一一对应相接。

所述第一电控柜和第二电控柜均包括有交流伺服驱动器、用于底层运动规划的DSP控制器、用于综合控制的ARM控制器、与人机交换的示教盒以及外围扩展的I/O口。

所述主、从工业机器人各配置有用于夹持目标物体的夹持器。

所述夹持器是一种基于蜗轮蜗杆的夹持器，其与工业机器人之间通过卡环相连。

所述主、从工业机器人均是有六个自由度的工业机器人，包括有交流伺服电机、底座、腰部、大臂、电机箱、小臂、腕关节和法兰。

本实用新型与现有技术相比，具有如下优点与有益效果：

1、通过整体布局和参数的改变来设置从工业机器人的运动方式，以使主、从工业机器人协调操作，同时系统的虚拟环境控制器可以实时地观察双工业机器人夹持物体的整个过程，分析夹持效果，进而可以对双工业机器人的联动操作效果进行修正，从而提高夹持的稳定性和可靠性；

2、用户可以直接分析最终效果，不断调节相关参数，选择满足最佳效果的最优机器人运动轨迹，进而可最大限度地减少了工业机器人的在线调试时间，这样不但缩短机器人程序开发周期，而且更提高了系统的精度和可靠性。

附图说明

图1为本实用新型结合双工业机器人的结构布局示意图。

图2为本实用新型结合双工业机器人的结构布局简图。

图3为双工业机器人协调性能指标示意图。

图4为双工业机器人协调运动简图之一。

图5为双工业机器人协调运动简图之二。

图6为双工业机器人的主从关系数学模型图。

图7为本实用新型的虚拟环境控制器的结构布局示意图。

图8为本实用新型的虚拟环境控制器的工作流程图。

图9为本实用新型的主从式规划控制器的结构布局示意图。

图10为本实用新型的主从式规划控制器的工作流程图。

图11为双工业机器人的实现流程图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本实用新型作进一步说明。

如图1和图2所示，本实施例所述的主从式双工业机器人协调操作控制系统，包括有第一电控柜1，第二电控柜2，用于模拟工业机器人任务并能够输入、导出运动指令的虚拟环境控制器3以及用于规划相应工业机器人运动轨迹的主从式运动规划控制器4；其中，所述第一电控柜1和第二电控柜2各连接有一台工业机器人，且该第一电控柜1和第二电控柜2的工业机器人之间存在主从关系，分别为主工业机器人5和从工业机器人6，该第一电控柜1和第二电控柜2之间通过外围扩展的I/O口连接；所述虚拟环境控制器3分别与第一电控柜1、第二电控柜2、主从式运动规划控制器4一一对应相接，同时，该主从式运动规划控制器4分别与第一电控柜1和第二电控柜2连接。

所述主、从工业机器人5、6各配置有用于夹持目标物体的夹持器，该夹持器是一种基于蜗轮蜗杆的夹持器，其与工业机器人之间通过卡环相连，同时，所述主、从工业机器人5、6均是有六个自由度的工业机器人，包括有六部交流伺服电机、底座、腰部、大臂、电机箱、小臂、腕关节和法兰。

所述第一电控柜1和第二电控柜2均包括有六部交流伺服驱动器、用于底层运动规划的DSP控制器、用于综合控制的ARM控制器、与人机交换的示教盒以及外围扩展的I/O口。

用户在给定一个夹持物体任务命令以前，先将命令发送给虚拟环境控制器3，通过CAD生成的dxf文件模拟主工业机器人5的运动效果，如果主工业机器人5运行不平稳或者不满足夹持要求，用户可以通过虚拟环境控制器3的第一参数设置模块304或者改变dxf文件进行调节，然后用户将需要夹持物体的尺寸参数通过主从式运动规划控制器4的运动指令导入模块402输入主从式运动规划控制器4，之后通过主从式运动规划控制器4的第二主控计算模块405得到从工业机器人6的运动轨迹，之后再通过主从式运动规划控制器4的运动指令输出模块403输出从工业机器人6的运动指令。下一步用户将主、从工业机器人5、6的运动指令同时输入到虚拟环境控制器3中，实时观察双工业机器人夹持物体的整个过程，分析夹持效果，进行双工业机器人的联动操作效果修正，提高夹持的稳定性和可靠性，最后主、从工业机器人的运动指令下发给主、从工业机器人中，完成现实的夹取物体任务。

如图3所示，为主从式双工业机器人协调操作控制系统的性能参数指标，评价一个系统的好坏，性能参数指标是必不可少的，多机器人系统是基于单个工业机器人性能，最大运动速度、重复定位精度等基本性能也是评价双机器人系统重要因素之一。多机系统中单机和多机功能转化模块是多机协调基本性能，相对于单机的插补周期，多机的运算周期也是一个重要指标，相对误差、异常保护功能、离线编程和容错性都是多机系统的重要指标。

如图4和图5所示，为双机器人的运动规划过程，主工业机器人夹持物体的任务是将物体搬运到某处，以完成某些复杂的焊接和搬运任务，而夹持任务可以将物体的运动分解为平移运动和旋转运动，通过本主从式双工业机器人协调操作控制系统可以更加直观地呈现给用户。图6为双工业机器人的主从关系数学模型图，显示的是主从式架构中，主从关系数学模型，其中可以更加方便地为主从式运动规划控制器进4行主从式的任务分配。

如图7和图8所示，本实施例所述的虚拟环境控制器3包括有与电控柜和主从式运动规划控制器4连接的第一通讯与接口模块301，轨迹生成模块302，动态过程显示模块303，第一参数设置模块304，运动指令生成模块305和第一主控计算模块306；其中，所述第一主控计算模块306分别与第一通讯与接口模块301、轨迹生成模块302、动态过程显示模块303、第一参数设置模块304一一对应相接，同时，该运动指令生成模块305分别与第一通讯与接口模块301和轨迹生成模块302连接。

如图9和图10所示，本实施例所述的主从式运动规划控制器4包括有与电控柜和虚拟环境控制器3连接的第二通讯与接口模块401，运动指令导入模块402，运动指令输出模块403，第二参数设置模块404和第二主控计算模块405；其中，所述第二主控计算模块405分别与第二通讯与接口模块401、运动指令导入模块402、运动指令输出模块403、第二参数设置模块404一一对应相接。

此外，为实现本主从式双工业机器人协调操作控制系统的构思，本主从式双工业机器人协调操作控制系统的实现流程具体如图11所示，其包括以下步骤：

第一步骤：搭建任务平台

确定需要夹持物体，匹配对应的夹持器以能够满足夹持要求。

将主、从工业机器人5、6，第一电控柜1，第二电控柜2，两个夹持器，一台虚拟环境控制器3和一台主从式运动规划控制器4按照用户具体任务搭建成一个结构系统。

第二步骤：主工业机器人虚拟仿真作业

通过CAD文件的dxf文件，得到主工业机器人5的运动轨迹，然后导入到虚拟环境控制器3中，设置相应的工业机器人参数，调用OpenGL的图形库来实现主工业机器人5的仿真运动，以此来判断运动是否稳定可靠，最后生成主工业机器人5的运动指令。

第三步骤：从工业机器人运动规划

通过主工业机器人5的运动指令和所需要夹持物体的参数和主、从工业机器人5、6之间的相对关系，设置好主从式运动规划控制器4的第二参数设置模块404，进而可以生成从工业机器人6的运动指令。

主从式运动规划控制器4有可设置的最大姿态误差和最大位置误差，能够保证双工业机器人共同夹取刚性物体的可行性；主从式运动规划控制器4有主从同步判断功能，保证双机器人运行过程中时间上的同步性；主从式运动规划控制器4有示教点增减功能，通过从工业机器人6运行过程中误差大小对示教点数目进行增减；主从式运动规划控制器4拥有非主从式协调运动规划功能，能规划从工业机器人6没夹持目标物体的运动轨迹和从工业机器人6的控制指令。

第四步骤：双工业机器人虚拟夹持作业

步骤二和步骤三得到的主、从工业机器人5、6的运动指令导入虚拟环境控制器3中，OpenGL的图形库来实现双工业机器人的仿真运动，实时观察所夹持物体的稳定性和鲁棒性，运动轨迹的合理性，为以下步骤五的实现打下基础。

第五步骤：双工业机器人协调操作

将主工业机器人5的运动指令和从工业机器人6的运动指令通过通讯和接口模块下发给工业机器人相对应的电控柜的ARM控制器，然后ARM控制器将规划好的运动指令下发给用于底层运动规划的DSP控制器，最后直接驱动伺服电机驱动器进行驱动。

综上所述，在采用以上方案后，本主从式双工业机器人协调操作控制系统能有效确保双工业机器人协调操作的可行性和稳定性，通过整体布局和参数的改变来设置从工业机器人的运动方式，以使主、从工业机器人协调操作，同时系统的虚拟环境控制器可以实时地观察双工业机器人夹持物体的整个过程，分析夹持效果，进而可以对双工业机器人的联动操作效果进行修正，从而提高夹持的稳定性和可靠性；另外，用户可以直接分析最终效果，不断调节相关参数，选择满足最佳效果的最优机器人运动轨迹，进而可最大限度地减少了工业机器人的在线调试时间，这样不但缩短机器人程序开发周期，而且更提高了系统的精度和可靠性。总之，相比现有技术，本实用新型是一款执行可行性强、预见性好、稳定性高的双工业机器人协调操作平台，可以用在双工业机器人需要夹持特殊物体的场合中，值得推广。

以上所述之实施例子只为本实用新型之较佳实施例，并非以此限制本实用新型的实施范围，故凡依本实用新型之形状、原理所作的变化，均应涵盖在本实用新型的保护范围内。

Claims (7)

1.一种主从式双工业机器人协调操作控制系统，其特征在于：包括有第一电控柜（1），第二电控柜（2），用于模拟工业机器人任务并能够输入、导出运动指令的虚拟环境控制器（3）以及用于规划相应工业机器人运动轨迹的主从式运动规划控制器（4）；其中，所述第一电控柜（1）和第二电控柜（2）各连接有一台工业机器人，且该第一电控柜（1）和第二电控柜（2）的工业机器人之间存在主从关系，分别为主工业机器人（5）和从工业机器人（6），该第一电控柜（1）和第二电控柜（2）之间通过外围扩展的I/O口连接；所述虚拟环境控制器（3）分别与第一电控柜（1）、第二电控柜（2）、主从式运动规划控制器（4）一一对应相接，同时，该主从式运动规划控制器（4）分别与第一电控柜（1）和第二电控柜（2）连接。

2.根据权利要求1所述的主从式双工业机器人协调操作控制系统，其特征在于：所述虚拟环境控制器（3）包括有与电控柜和主从式运动规划控制器（4）连接的第一通讯与接口模块（301），轨迹生成模块（302），动态过程显示模块（303），第一参数设置模块（304），运动指令生成模块（305）和第一主控计算模块（306）；其中，所述第一主控计算模块（306）分别与第一通讯与接口模块（301）、轨迹生成模块（302）、动态过程显示模块（303）、第一参数设置模块（304）一一对应相接，同时，该运动指令生成模块（305）分别与第一通讯与接口模块（301）和轨迹生成模块（302）连接。

3.根据权利要求1所述的主从式双工业机器人协调操作控制系统，其特征在于：所述主从式运动规划控制器（4）包括有与电控柜和虚拟环境控制器（3）连接的第二通讯与接口模块（401），运动指令导入模块（402），运动指令输出模块（403），第二参数设置模块（404）和第二主控计算模块（405）；其中，所述第二主控计算模块（405）分别与第二通讯与接口模块（401）、运动指令导入模块（402）、运动指令输出模块（403）、第二参数设置模块（404）一一对应相接。

4.根据权利要求1所述的主从式双工业机器人协调操作控制系统，其特征在于：所述第一电控柜（1）和第二电控柜（2）均包括有交流伺服驱动器、用于底层运动规划的DSP控制器、用于综合控制的ARM控制器、与人机交换的示教盒以及外围扩展的I/O口。

5.根据权利要求1所述的主从式双工业机器人协调操作控制系统，其特征在于：所述主、从工业机器人（5、6）各配置有用于夹持目标物体的夹持器。

6.根据权利要求5所述的主从式双工业机器人协调操作控制系统，其特征在于：所述夹持器是一种基于蜗轮蜗杆的夹持器，其与工业机器人之间通过卡环相连。

7.根据权利要求1所述的主从式双工业机器人协调操作控制系统，其特征在于：所述主、从工业机器人（5、6）均是有六个自由度的工业机器人，包括有交流伺服电机、底座、腰部、大臂、电机箱、小臂、腕关节和法兰。

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