CN205342328U - 关节机器人的运动控制系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种关节机器人的运动控制系统，包括：电源、工控机、运动控制卡、八个伺服电机驱动器、八个伺服电机、操作面板和焊接机的电流电压控制板；工控机通过RS232接口访问触摸屏，通过15芯视频线将视频信号传输给触摸屏，通过485接口访问伺服电机驱动器，通过以太网接口与运动控制卡进行交互，运动控制卡还与八个伺服电机驱动器连接；八个伺服电机驱动器分别一一对应的与八个伺服电机连接，八个伺服电机分别设置在关节机器人的八个轴的位置；键盘扫描电路以8421的编码形式并行将数据传输给运动控制卡的IO接口。利用本实用新型能够对八轴关节机器人进行精确控制。

Description

关节机器人的运动控制系统

技术领域

本实用新型涉及机器人控制系统技术领域，更为具体地，涉及一种关节机器人的运动控制系统。

背景技术

当关节机器人应用在焊接上时，有些焊接零件较为复杂，特别是空间螺旋线和零件的背面焊接时的应用，6轴的关节机器人有些位置不能到达(任何物体都是立体的，不是平面的)，或者说有些轨迹还需要夹具的旋转配合才能完成。这时需要重新设计一种8轴的关节机器人。

因此需要一种与8轴关节机器人对应的运动控制系统。

实用新型内容

鉴于上述问题，本实用新型的目的是提供一种关节机器人的运动控制系统，以解决上述背景技术中指出的问题。

本实用新型提供一种关节机器人的运动控制系统，包括：电源、工控机、运动控制卡、八个伺服电机驱动器、八个伺服电机、操作面板、触摸屏和焊接机的电流电压控制板；其中，

电源为工控机、运动控制卡、伺服电机驱动器、操作面板和电流电压控制板的电源，在电源和伺服电机驱动器之间接入有第一隔离变压器；电源接入有第二隔离变压器、第一电源变压器、第二电源变压器和24V开关电源，24V开关电源是为运动控制卡及运动控制卡的IO接口供电，第一电源变压器为电流电压控制板供电，第二电源变压器为操作面板的键盘扫描电路供电，第二隔离变压器接入有两个适配电源和一个5V开关电源，两个适配电源中的一个为工控机供电，另一个为触摸屏供电，5V开关电源为触摸屏的RS232接口供电；

工控机通过RS232接口访问触摸屏，通过15芯视频线将视频信号传输给触摸屏，通过485接口访问伺服电机驱动器，通过以太网接口与运动控制卡进行交互，运动控制卡还与八个伺服电机驱动器连接；

八个伺服电机驱动器分别一一对应的与八个伺服电机连接，八个伺服电机分别设置在关节机器人的八个轴的位置，八个伺服电机均为抱闸伺服电机；

键盘扫描电路以8421的编码形式并行将数据传输给运动控制卡的IO接口；

电流电压控制板包括AC9V、+24V、16、8、4、2、1接口，AC9V接口为电流电压控制板的译码电路供电，+24V接口为16接口、8接口、4接口、2接口和1接口的电源公共接口，16接口、8接口、4接口、2接口和1接口为编码的输入端。

此外，优选的结构是，八个伺服电机均为具有绝对编码器的抱闸伺服电机。

另外，优选的结构是，运动控制卡为IMC32XX2E型号，工控机为MXE-1300型号。

利用本实用新型提供的关节机器人的运动控制系统，能够精确地控制各个轴的运动。

附图说明

通过参考以下结合附图的说明及权利要求书的内容，并且随着对本实用新型的更全面理解，本实用新型的其它目的及结果将更加明白及易于理解。在附图中：

图1为本实用新型实施例的关节机器人的运动控制系统的原理图；

图2为本实用新型实施例的运动方程的第一坐标系的示意图；

图3为本实用新型实施例的运动方程的第二坐标系的示意图；

图4为本实用新型实施例的电流电压控制板的印版图；

图5为图4的等效电路图。

具体实施方式

在下面的描述中，出于说明的目的，为了提供对一个或多个实施例的全面理解，阐述了许多具体细节。然而，很明显，也可以在没有这些具体细节的情况下实现这些实施例。在其它例子中，为了便于描述一个或多个实施例，公知的结构和设备以方框图的形式示出。

图1示出了本实用新型实施例的关节机器人的运动控制系统的原理。

如图1所示，本实用新型实施例提供的关节机器人的运动控制系统包括六大部分，分别为电源部分、工控机与触摸屏部分、操作面板部分、运动控制部分、电流电压控制板部分和伺服电机驱动部分，下面分别对这六部分进行详细说明。

一、电源部分

电源为工控机、运动控制卡、伺服电机驱动器、操作面板和电流电压控制板的电源，在电源和伺服电机驱动器之间接入有第一隔离变压器；电源接入有第二隔离变压器、第一电源变压器、第二电源变压器和24V开关电源，24V开关电源是为运动控制卡及运动控制卡的IO接口供电，第一电源变压器为电流电压控制板供电，第二电源变压器为操作面板的键盘扫描电路供电，第二隔离变压器接入有两个适配电源和一个5V开关电源，两个适配电源中的一个为工控机供电，另一个为触摸屏供电，5V开关电源为触摸屏的RS232接口供电。

其中，该电源为三相交流电，N为接地接零线；QF1为动力空开；第一隔离变压器(图1中为T1隔离变压器)为380V/220V、7Kw的变压器。由于硅钢片的普通变压器的频响低，对低频响应好，因此，电网中的高频污染不会通过T1隔离变压器到达伺服电机驱动器中，可有效的提高其抗干扰性，同时伺服驱动器的高频干扰也不能通过T1隔离变压器到达电网中，这样也会减小伺服电机驱动器对电网的污染。另外，T1隔离变压器同时会起到电感的作用。在伺服电机驱动器上电时的冲击电流会被遏制，同时可保护伺服电机驱动器。

第二隔离变压器(图1中为T2隔离变压器)为380V/220V、500W的变压器，主要作用是隔离来自电网中的高频干扰。

二、工控机与触摸屏部分

工控机为凌华MXE-1300型号的工业控制计算机，其主要负责整个设备的控制，轨迹的运算等功能。是整个系统的核心。工控机通过RS232接口访问触摸屏上的按键按下与否；通过15芯视频线传输给触摸屏视频信号，通过485接口访问其各个伺服电机驱动器；通过以太网接口对运动控制卡进行交互(包括运动指令，插补指令，IO接口的交互等等)。

触摸屏有2个功能，第一是显示系统信息，第二是系统操作的复杂控制。包括：程序的编辑，保存删除以及调用；参数的设定，修改；手自动的转化；轴号切换等等。

485接口的通讯说明：此系统中所用的伺服电机都选用的是带有绝对编码器的伺服电机。绝对编码器的伺服电机在第二次上电后都能知道其具体的位置，其实就是圈数和现在的角度位置。系统上电后，工控机通过地址分配分别访问各个伺服电机驱动器，读出各个伺服电机的实际位置，然后带入到运动方程中进行运算，这样就可以知道现在各个轴的位置(X，Y，Z，7轴，8轴)坐标和姿态(C1，C2，S)坐标，因此，就可以避免通过回零方式寻找坐标系的麻烦。

运动方程的原理为：

关节机器人的运动主要是由位置和姿态运动组成。因此位置运动就需要位置方程，姿态就需要姿态方程。本实用新型根据方程和所需要的步数精度计算出关节机器人的手臂从空间的一点运动到另一点工程中的很多个微分点，加以平滑后进行运动便可完成运动。在此计算过程中必须满足方程运算可逆(已知各关节的实际角度可求空间的x，y，z值，已知x，y，z值可计算出各个关节的角度值。各个关节都是角度运行的。)，且值尽量唯一(尽量的少双值或多值)。本实用新型将运动方程分为两大类，第一类就是手臂方程，主要控制尺寸；第二类为手腕姿态方程，主要控制姿态。

如图2所示，为手臂与C1，C2的坐标系，需要说明的是，手腕坐标系条件是y轴与主坐标系臂2方向始终一致，臂1＝臂2(为图2中的b)。

如图3所示，C1，S坐标系，需要说明的是，此坐标系的y轴与臂2方向一致。

根据主坐标系可得到在图示象限中的手臂方程如下：

已知x，y，z，B求θ1，θ2，θ3(x>0，y>0)

θ3＝2*arcsin((((x^2+y^2)^0.5-B^2)^2+z^2)^0.5/(2*b))

θ1＝π/2+arctg(y/x)

θ2＝(π-θ3)/2+arcsin(z/(((x^2+y^2)^0.5-B)^2+z^2)^0.5)

β＝π-θ2-θ3

已知θ1，θ2，θ3，B求x，y，z(π/2<θ1<π)

L＝2*b*sin(θ3/2)

L2＝L*cos(θ2-(π-θ3)/2)

X＝(L2+B)*cos(θ1-π/2)

Y＝(L2+B)*sin(θ1-π/2)

Z＝L*sin(θ2-(π-θ3)/2)

以上是一个象限的方程，其余象限不在说明，只需考虑象限取值问题就行。

手腕方程：

1.在C1，C2构成的坐标系

$\left\{\begin{array}{c}X1=*\sin c1*\sin c2\\ Y1=*\cos c1\\ Z1=p*\sin c1*\cos c2\end{array}\right.$

由于p为常数，在以后的计算中将会约掉所以上式记为：

式1：

X1，Y1，Z1必须进行欧拉旋转为主坐标系中才能讨论，因此，定义X1，Y1，Z1转换后的值为X11，Y11，Z11。因此有：

式2：

$\left|\begin{array}{ccc}cos\mathrm{\&theta;}1& -cos\mathrm{\&beta;}sin\mathrm{\&theta;}1& sin\mathrm{\&beta;}sin\mathrm{\&theta;}1\\ sin\mathrm{\&theta;}1& \cos \mathrm{\&beta;}\cos \mathrm{\&theta;}& -sin\mathrm{\&beta;}cos\mathrm{\&theta;}1\\ 0& \sin \mathrm{\&beta;}& \cos \mathrm{\&beta;}\end{array}\right|$

$\begin{array}{c}=\\ \left|\begin{array}{c}X11\\ Y11\\ Z11\end{array}\right|\end{array}$

已知x11，y11，z11求x1，y1，z1(β＝β，θ＝θ)

得：

式3：

$\begin{array}{c}\left|\begin{array}{ccc}cos\mathrm{\&theta;}1& -sin\mathrm{\&theta;}1& 0\\ sin\mathrm{\&theta;}1cos\mathrm{\&beta;}& \cos \mathrm{\&theta;}\cos \mathrm{\&beta;}& -sin\mathrm{\&beta;}\\ sin\mathrm{\&theta;}\sin \mathrm{\&beta;}& \cos \mathrm{\&theta;}\sin \mathrm{\&beta;}& \cos \mathrm{\&beta;}\end{array}\right|\\ =\\ \left|\begin{array}{c}x1\\ Y1\\ Z1\end{array}\right|\end{array}$

又由于：

$\left\{\begin{array}{c}X1=\sin c1*\sin c2\\ Y1=\cos c1\\ Z1=\sin 1*\cos 2\end{array}\right.$

所以：

式:4：

C1＝arccosy1

C2＝x1/arcsinc1

C1和C2的取值范围为：-175度<C1<175度，-175度<C2<175度。

当C1为0度时，sinC1＝0。由于在C1＝0时，C2无论怎样旋转都不会改变姿态，所以现在C2取前一个值。由于运动是连续的，不会突变，因此，C1和C2取值进行就近取值。

2.在C1，S构成的坐标系

式:5：

同理，X2，y2，z2必须进行欧拉旋转为主坐标系中才能讨论，因此定义x2，y2，z2转换后的值为x22，y22，z22。因此有：

(由于手腕方程1的求解过程，已经知道了C1，C2。)

条件：θ1＝-θ1，β＝-β

式6：

$\begin{array}{c}\left|\begin{array}{ccc}Cosc2\cos \mathrm{\&theta;}1-\sin \mathrm{\&beta;}\sin c2\sin \mathrm{\&theta;}1& -\cos \mathrm{\&beta;}\sin \mathrm{\&theta;}1& Sinc2\cos \mathrm{\&theta;}1+\sin \mathrm{\&beta;}\cos c2\sin \mathrm{\&theta;}1\\ Cos2\sin \mathrm{\&theta;}1+\sin \mathrm{\&beta;}\sin c2\cos \mathrm{\&theta;}1& \cos \mathrm{\&beta;}\cos 1& Sinc2\sin \mathrm{\&theta;}1-\sin \mathrm{\&beta;}\cos c2\cos \mathrm{\&theta;}1\\ -Cos\mathrm{\&beta;}\sin c2& \sin \mathrm{\&beta;}& Cos\mathrm{\&beta;}\cos c2\end{array}\right|\\ =\\ \left|\begin{array}{c}X22\\ Y22\\ Z22\end{array}\right|\end{array}$

已知：x22，y22，z22求：x2，y2，z2.(θ1＝θ1，β＝β，c2＝-c2)

式7：

$\begin{array}{c}\left|\begin{array}{ccc}\cos \mathrm{\&theta;}1Cosc2+\sin \mathrm{\&theta;}1\sin \mathrm{\&beta;}\sin c2& \cos \mathrm{\&theta;}1\sin \mathrm{\&beta;}\sin c2-\sin \mathrm{\&theta;}1\cos c2& Cos\mathrm{\&beta;}\sin c2\\ \sin \mathrm{\&theta;}1\cos \mathrm{\&beta;}& \cos \mathrm{\&theta;}1\cos \mathrm{\&beta;}& -\sin \mathrm{\&beta;}\\ \sin \mathrm{\&theta;}1\sin \mathrm{\&beta;}\cos c2-\cos \mathrm{\&theta;}1\sin \mathrm{\&beta;}& \sin \mathrm{\&theta;}1\sin \mathrm{\&beta;}+\cos \mathrm{\&theta;}1\sin \mathrm{\&beta;}\cos c2& \cos \mathrm{\&beta;}\cos c2\end{array}\right|\\ =\end{array}$

$\left|\begin{array}{c}X2\\ Y2\\ Z2\end{array}\right|$

式8：

S＝arcsinx2就近取值。

在空间运动中任何轨迹都可以用直线和圆弧来表达，先讨论直线(线性)运算过程：

1.手臂运算过程：根据起点坐标x0，y0，z0，终点坐标xt，yt，zt和插补步数，可得：

kx＝(xt-x0)/bu

ky＝(yt-y0)/bu

kz＝(zt-z0)/bu

那么过程点就有：

Xn＝x(n-1)+kx

Yn＝y(n-1)+ky

Zn＝z(n-1)+kz

这样所有运动中的x，y，z就的到了，再根据手臂方程可求运动过程中的出：θ1，θ2，θ3，β值。

C1，C2值的求解过程：

根据上面的已知条件：

已知起点：θ10，θ20，θ30，β0，C10，C20和已知终点：θ1t，θ2t，θ3t，βt，c1t，c2t

将上述已知条件分别带入式1中，分别得到x10，y10，z10，x1t，y1t，z1t.

再将值和已知条件带入式2中求得c1，c2转换到主坐标系的：x110，y110，z110和x11t，y11t，z11t.

Kx11＝(x11t-x110)/bu

Ky11＝(y11t-y110)/bu

Kz11＝(z11t-z110)/bu

过程中的转换点坐标值：

X11n＝x11(n-1)+kx11

Y11n＝y11(n-1)+ky11

Z11n＝z11(n-1)+kz11

把现在求得的过程值带入到式3中，将坐标值转换回C1，C2构成的坐标系中的值，会得到连续的x1n，y1n，z1n数据。

将这些值带入到式4中，得到C1，C2的所有坐标值。

(C1，C2就近取值)

C1，C2运算完成。S轴取值同上，只是带入的公式为手腕方程2而已。

圆弧运算：

已知空间3个点可等到一个平面方程，当然3点也确定一个圆。现在就说明3点在空间中确定中间的各轴插补值的过程。

首先讨论手臂轨迹求法，定义3个点的坐标分别为(x1，y1，z1)，(x2，y2，z2)，(x3，y3，z3)

求圆在平面上就是求r，a，b三个值。

1.求3点平面方程，i，j，k

i＝(y2-y1)(z3-z1)-(z2-z1)(y3-y1)

j＝(z2-z1)(x3-x1)-(x2-x1)(z3-z1)

k＝(x2-x1)(y3-y1)-(y2-y1)(x3-x1)

2.求平面与X轴的夹角θx

θx＝arctg(j/k)

K＝0时，θx＝π/2

3.围绕x轴旋转θx角后求出新的3点x，y，z值，根据新点求出新的平面方程，再求得θy角后进行旋转。最终得到一个平行于xoy平面的一个方程，会得到旋转后的新x，y，z值，现在的特点是z为常数值。所以圆就变成一个平面的来讨论了。

4.求r，a，b值

$\left|\begin{array}{cc}2(x2-x1)a& 2(y2-y1)b\\ 2(x3-x1)a& 2(y3-y1)b\end{array}\right|$

$\begin{array}{c}\left|\begin{array}{cc}2(x3-x2)a& 2(y3-y2)b\end{array}\right|\\ =\\ \left|\begin{array}{c}X2^2+y2^2-x1^2y1^2\\ X3^2+y3^2-x1^2y1^2\\ X3^2+y3^2-x2^2y2^2\end{array}\right|\end{array}$

所以a，b就求到了。

5.求r

由于r＝(x-a)^2+(y-b)^2

所以r可求出。

6.圆方程已知后看求出在三个点中的所有值。

先求出1，2，3点的圆心角，从而可判断出是逆时针还是顺时针旋转，再根据插补单位量算出角度增量，从而求出所有范围内的角度值，最后用这些角度值和圆方程算出x，y序列值。

7.将x，y，z序列值进行θy，θx反向旋转计算就得到手臂的x，y，z值序列，根据手臂方程可求出θ1，θ2，θ3，β序列值。

C1，C2，s轴圆运算同上。只不过里面用的是手腕姿态方程而已，故不再重复。

所有运算的值将保存在工控机内存中，运动时调用下发给运动控制卡来执行，运动控制卡对这些离散数据进行2次平滑处理后控制伺服电机运动，变得到了实际的轨迹。

三、操作面板部分

操作面板接有键盘扫描电路，键盘扫描电路位于手持中(手持为人机交互部件)。键盘负责控制手动情况下的各轴的点动，自动情况下的启动停止等简单功能。键盘扫描电路主要是对外部操作按键进行扫描，判读其哪个按键按下，并将按键按下以8421的编码形式并行传输给运动控制卡的IO接口(编码形式的传输主要是为了节约线的数量)，运动控制卡在通过以太网告知给工控机。按键有些功能是复用的。如“X，C1+”，具体是X+运动还是C1+运动要根据触摸屏中的按键功能设定切换来决定，此主要目的是为了减少按键的数量。8421码的输出是靠TP521-4光耦合器来输出的，TP521-1输入是开机确认信号，与控制无关。键盘扫描电路主控芯片为单片机stc89c51，软件里写有按键防颤和抗干扰软件以及扫描编码程序。

四、运动控制部分

运动控制卡为iMC3XX2E8轴运动控制单元，此单元具有64路IO接口，其中输入32位，输出32位。具有插补，定位，加减速，各种报警等功能。其主要通过以太网与工控机进行通讯交互，接受各种运动指令和输出口设定指令并执行，上传各种报警信号和IO输入信号等等。运动控制卡还将运动指令转换成双脉冲信号控制8个轴的伺服电机运动，同时检测伺服电机驱动器的报警信号。

运动控制卡包括焊接电流输出和闯枪保护两个接口，焊接电流输出为继电器输出，直接控制焊接机的启停。吸合焊接机有输出，断开焊接机输出停止。闯枪保护主要是防止焊枪意外闯到障碍物的一种保护功能，闯枪保护为常闭信号，当焊枪意外闯到障碍物时常闭信号断开，工控机就会命令各轴立即停止运动，进入手动状态。同时焊接机输出断开。

五、电流电压控制板部分

在实际现场焊接的过程中，每条焊缝对焊接电流电压的需求都有不同要求。一般使用的都是标准的数字焊接机，数字焊接机的焊接电流电压只需通过用RS232或RS485通讯进行设定即可，电路简单实现方便。但数字焊接机价格较贵，以315焊接机为例市场价都在8000—12000元之间。如果选用普通的电子脉冲焊接机，虽然价格较便宜(3200—4500元之间)但电流电压是靠电位器手动设定的，不利于控制的需求。电位器控制必然输入信号是为模拟信号，而计算机输出都为数字信号，因此，为了普通焊接机的应用势必将数字信号变为模拟信号输出才能满足需求。图5为本实用新型电流电压控制板的原理示意图。A，B信号为8421码输入选择信号，通过译码电路输出三路选中信号，分别选中不同的光耦合器回路(使用光耦合器目的在于抗干扰，焊接机是一个很强的干扰源)。在光耦合器输出端，每两个交叉方向对接构成一组模拟开关(每个模拟开关就如同一个机械开关一样)，从而选中由R1、R2、R3、R4构成的串联电阻回路的一个分压输出。所以整个电路就同等于电位器的作用。图4为32细分电流电压控制板的印版图。精度：以315A电流和35电压运算，电流精度为315/32＝9.8A(电流每一档相差的电流值为9.8A，对于焊接要求来说是足够了)；电压精度为35/32＝1.1V(电压每一档相差的电压值为1.1V，对于焊接要求来说是足够了)。图4中左边从下至上端子分别为AC9V、+24V、16、8、4、2、1接口。AC9V接口给控制板译码电路提供电源，+24V为16、8、4、1接口的电源公共接口端，16、8、4、2、1接口为8421编码的输入端。图5右边3个端子为等效的电位器的接线端子。将两块电流电压控制板安装到普通的电子脉冲焊接机中，分别代替其电流电压两个电位器，就将焊接机改为数字焊接机。在实际应用中非常可靠适用。

六、伺服电机驱动部分

八个伺服电机全部为带有绝对编码器的抱闸伺服电机，八个伺服电机一一对应的安装在八个轴的位置，且每个伺服电机连接一个伺服电机驱动器，伺服电机驱动器为台湾iG系列驱动器。控制8个轴的运动。

以上所述，仅为本实用新型的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

Claims (3)

1.一种关节机器人的运动控制系统，包括：电源、工控机、运动控制卡、八个伺服电机驱动器、八个伺服电机、操作面板、触摸屏和焊接机的电流电压控制板；其中，

所述电源为所述工控机、所述运动控制卡、所述伺服电机驱动器、所述操作面板和所述电流电压控制板的电源，在所述电源和所述伺服电机驱动器之间接入有第一隔离变压器；所述电源接入有第二隔离变压器、第一电源变压器、第二电源变压器和24V开关电源，所述24V开关电源是为所述运动控制卡及所述运动控制卡的IO接口供电，所述第一电源变压器为所述电流电压控制板供电，所述第二电源变压器为所述操作面板的键盘扫描电路供电，所述第二隔离变压器接入有两个适配电源和一个5V开关电源，两个适配电源中的一个为所述工控机供电，另一个为所述触摸屏供电，所述5V开关电源为所述触摸屏的RS232接口供电；

所述工控机通过RS232接口访问所述触摸屏，通过15芯视频线将视频信号传输给所述触摸屏，通过485接口访问所述伺服电机驱动器，通过以太网接口与所述运动控制卡进行交互，所述运动控制卡还与所述八个伺服电机驱动器连接；

所述八个伺服电机驱动器分别一一对应的与所述八个伺服电机连接，所述八个伺服电机分别设置在关节机器人的八个轴的位置，所述八个伺服电机均为抱闸伺服电机；

所述键盘扫描电路以8421的编码形式并行将数据传输给所述运动控制卡的IO接口；

所述电流电压控制板包括AC9V、+24V、16、8、4、2、1接口，所述AC9V接口为所述电流电压控制板的译码电路供电，所述+24V接口为所述16接口、所述8接口、所述4接口、所述2接口和所述1接口的电源公共接口，所述16接口、所述8接口、所述4接口、所述2接口和所述1接口为编码的输入端。

2.如权利要求1所述的关节机器人的运动控制系统，其中，

所述八个伺服电机均为具有绝对编码器的抱闸伺服电机。

3.如权利要求2所述的关节机器人的运动控制系统，其中，

所述运动控制卡为IMC32XX2E型号；

所述工控机为MXE-1300型号。