CN207014366U - 一种六轴焊接工业机器人防碰撞控制系统 - Google Patents

Abstract

一种六轴焊接工业机器人防碰撞控制系统，包括依次连接的运算中枢模块、控制模块和信息采集模块，控制模块通过I/O口与机器人控制模块连接；所述信息采集模块用于采集机器人周边环境及机械臂末端的实时位置、运动速度和转角的信号；所述运算中枢模块通过综合使用和分析从信息采集模块和控制模块获取的各种信息，实时计算机器人机械臂末端的最终位置，认知周边环境状态，并通过控制模块实时给机器人控制系统发出是否主动采取中断或避让措施的指令。该防碰撞控制系统可最大可能的预防伤害事故的发生，保障工人的人身安全，提高生产安全性；运算中枢模块包括多个并行运算模块和实时运算模块，使机器人控制系统在处理复杂并行运算的性能得到提升。

Description

一种六轴焊接工业机器人防碰撞控制系统

技术领域

本实用新型涉及一种控制系统，特别涉及一种六轴焊接工业机器人防碰撞控制系统。

背景技术

由于机器人的许多人所共知的优点，它已应用于许多工业领域，在兵工企业中、工业机器人可以用于机械加工、冲压、加料、装配等场合；在火化工生产中，还可排险机器人排除地雷或可疑爆炸物的险情；可以说，工业机器人已越来越多地受到企业和人们的重视；目前，我国独立研制出6类10种工业机器人，其中喷漆、点焊、搬运、装配、压铸等7种机器人达到国际中期水平，非接触式机器人性能系统达到目前国际先进水平。

尽管机器人技术在不断进步，工业机器人在工业上的优点很多，但现有机器人仍存在如下不足：

工业机器人在使用中伤害事故时有发生，特别是工人处在机器人的工作包络线范围内受到的伤害如：工人可能会被机器人的运动部件如操作臂或机器人所运动的零件所碰撞或撞击、挤压，以及由于人的失误、零件故障、控制系统失效等导致的伤害；为了预防机器人伤人事故的发生，常采用联锁防护栏、固定防护栏、警告装置等被动预防措施，虽然我们可以在外部环境设置很多安全屏障来避免高速运动的机器人触碰到人，但是还是无法根本上杜绝人不去接触机器人。

产生以上事故的原因一是现有的机器人还不能像人一样看、听去观察周围的环境并作出判断；二是很多机器人在机器人防碰撞系统上存在一定的不足，没有建立主动认知机制，即机器人无法识别工作周围的环境是否存在人或者会对人造成伤害而主动采取中断或避让措施。

实用新型内容

本实用新型的目的在于针对现有技术的改进，提供一种六轴焊接工业机器人防碰撞控制系统，以克服上述已有技术存在的不足。

本实用新型采取的技术方案是：一种六轴焊接工业机器人防碰撞控制系统，该系统包括运算中枢模块、控制模块和信息采集模块，所述控制模块通过数据总线分别与运算中枢模块和信息采集模块连接，并通过I/O口与机器人控制模块连接进行信息交换；

所述信息采集模块包括超声波传感器、位置传感器、速度传感器和角度传感器；所述位置传感器设在焊接工业机器人各机械臂前端，速度传感器和角度传感器设在机械臂轴关节连接处，超声波传感器设在各机械臂两侧中部；

超声波传感器用于采集机器人周边环境的信号，搜索是否有障碍物出现；

位置传感器用于确定机械臂末端焊枪的实时位置；

速度传感器用于确定机器人工作时各机械臂模块以及轴关节的运动和旋转速度；

角度传感器用于确定每一个机械臂转过的角度，实时定位机器人的机械臂运动空间区域；

所述运算中枢模块包括多个并行运算模块和一个实时运算模块，并行运算模块用于为并行计算提供硬件和软件界面，实时控制模块通过综合使用和分析从控制模块获取的各种信息，实时计算机器人机械臂末端焊枪的最终位置，认知周边环境状态，并通过控制模块实时给机器人控制系统发出是否主动采取中断或避让措施的指令；

所述控制模块的作用：

一是将信息采集模块采集的信息送运算中枢模块进行并行运算和实时运算，对最终认定的机械臂末端焊枪的位置、角度、运动速度以及周围环境信息作出判断；

二是根据运算中枢模块运算和判断的结果向机器人控制模块发出是否主动采取中断或避让措施的指令；

三是与外部网络进行信息交换，或接受人工控制命令，或者输出当前机器人机械臂运动的路径规划到外部设备。

其进一步的技术方案是：所述并行运算模块采用GPU图形处理器，实时运算模块采用CPU中央处理器；并行运算模块和实时运算模块被包括在运算中枢模块中，其包括关系或是在一个实际个体上：二者均在ARM处理器上，或是分别为两个部分：在电路板上分别有多个GPU图形处理器和一个CPU中央处理器；

所述控制模块采用小型可编程控制器PLC。

更进一步：所述控制模块通过数据总线连接外部网络构成网络交换系统，一是用于运算模块与控制模块之间进行通信；二是与外部网络进行信息交换，或接受人工控制命令，或者输出当前机器人机械臂运动的路径规划到外部设备。

所述控制模块之小型可编程控制器PLC中嵌入防碰撞程序。

由于采取上述技术方案，本实用新型之一种六轴焊接工业机器人防碰撞控制系统具有以下有益效果：

1．本实用新型之一种六轴焊接工业机器人防碰撞控制系统通过信息采集模块采集的机器人机械臂末端焊枪的信息，输送运算中枢模块运算，控制模块及时将计算和判断的结果向机器人控制模块发出是否主动采取中断或避让措施的指令，该系统的安全区判断机制包括状态的监测：位置，速度，IO状态，报警，从而最大可能的预防伤害事故的发生，降低事故发生的概率，保障工人的人身安全，提高企业的生产安全性；

2．本实用新型一种六轴焊接工业机器人防碰撞控制系统通过 I/O口与机器人控制模块连接进行信息交换；工作时，当有工人误入机械臂运动的包络线范围内，机器人机械臂上的传感器检测到该环境发生变化有危险信号的存在，将该信号反馈到机器人控制器，机器人控制器根据此时机械臂的速度，运动角度，检测到危险信号的距离等及时对此信号做出安全性处理，减缓机器人运动速度或者小角度运行甚至停止机器人运动，从而避免安全事故的发生，当碰撞不可避免的发生了，还可以触发报警装置，在短时间为受伤员工发出求救信号；

3．所述运算中枢模块包括多个并行运算模块和实时运算模块，使机器人控制系统在处理复杂并行运算的性能得到提升，尤其当机器人在做复杂动作时，输出机器人姿态的反馈和控制信息速度会得到大幅度提升；

4．该一种六轴焊接工业机器人防碰撞控制系统属于独立模块，所有内部程序可以升级更新，预留有更多接口可以扩展其他新式功能，增添更多的附加实用性，用于学校的实验教学环境时可培养学生开发程序的兴趣。

下面结合附图和实施例对本实用新型之一种六轴焊接工业机器人防碰撞控制系统的技术特征作进一步的说明。

附图说明

图1：本实用新型之一种六轴焊接工业机器人防碰撞控制系统结构框图（图1中六轴焊接工业机器人的机器人控制模块通过各轴电机伺服器与机器人机械臂末端各轴电机电连接）。

具体实施方式

一种六轴焊接工业机器人防碰撞控制系统，该系统包括运算中枢模块、控制模块和信息采集模块，所述控制模块通过数据总线分别与运算中枢模块和信息采集模块连接，并通过I/O口与机器人控制模块连接进行信息交换；

所述信息采集模块包括超声波传感器、位置传感器、速度传感器和角度传感器；所述位置传感器设在焊接工业机器人各机械臂前端，速度传感器和角度传感器设在机械臂轴关节连接处，超声波传感器设在各机械臂两侧中部；

超声波传感器用于采集机器人周边环境的信号，搜索是否有障碍物出现；

位置传感器用于确定机械臂末端焊枪的实时位置；

速度传感器用于确定机器人工作时各机械臂模块以及轴关节的运动和旋转速度；

角度传感器用于确定每一个机械臂转过的角度，实时定位机器人的机械臂运动空间区域；

所述运算中枢模块包括多个并行运算模块和一个实时运算模块，并行运算模块用于为并行计算提供硬件和软件界面，实时控制模块通过综合使用和分析从控制模块获取的各种信息，实时计算机器人机械臂末端焊枪的最终位置，认知周边环境状态，并通过控制模块实时给机器人控制系统发出是否主动采取中断或避让措施的指令；

所述控制模块的作用：

一是将信息采集模块采集的信息送运算中枢模块进行并行运算和实时运算，对最终认定的机械臂末端焊枪的位置、角度、运动速度以及周围环境信息作出判断；

二是根据运算中枢模块运算和判断的结果向机器人控制模块发出是否主动采取中断或避让措施的指令；

三是与外部网络进行信息交换，或接受人工控制命令，或者输出当前机器人机械臂运动的路径规划到外部设备。

所述并行运算模块采用GPU图形处理器，实时运算模块采用CPU中央处理器；并行运算模块和实时运算模块被包括在运算中枢模块中，其包括关系或是在一个实际个体上：二者均在ARM处理器上，或是分别为两个部分：在电路板上分别有多个GPU图形处理器和一个CPU中央处理器；

所述控制模块采用小型可编程控制器PLC。

所述控制模块通过数据总线连接外部网络构成网络交换系统，一是用于运算模块与控制模块之间进行通信；二是与外部网络进行信息交换，或接受人工控制命令，或者输出当前机器人机械臂运动的路径规划到外部设备。

所述控制模块之小型可编程控制器PLC中嵌入防碰撞程序。

本实用新型之一种六轴焊接工业机器人防碰撞控制系统工作原理以及各模块功能如下：

（1）当机械臂末端焊枪运动过程中周围环境发生变化，信息采集模块及时将监测到的环境变化信息以及机械臂的位置和运动信息通过I/O口反馈到控制模块；

（2）控制模块将信息传递给运算中枢模块进行并行运算和实时运算，对最终认定的机械臂末端焊枪的位置、角度、运动速度以及周围环境信息作出判断，向机器人控制模块发出是否主动采取中断或避让措施的指令；

（3）机器人控制模块根据控制模块发出的控制指令，控制驱动机构作为是否主动采取中断或避让措施的操作。

机器人控制系统是安装于一块电路板上的运算中枢模块，控制模块，数据总线，信息采集模块。

运算中枢模块用于进行机器人控制相关的运算，是一种具有大规模并行运算能力的计算中枢处理器：一是通过数据总线所传输的用于运算的传感器数据或其他运算相关数据；二是通过数据总线与其他模块连接通信，列如输出运算结果形成控制命令给控制模块或接受控制模块发送的用于运算的数据信息。

通过网络交换系统所连接的运算中枢模块和控制模块，可在模块间进行通信；数据总线还可通过连接以太网(Ethernet)，接受人工控制命令，或者输出当前机器人移动的路线规划等至外部设备；但不限于此。

运算中枢模块所在的机器人控制系统应用在机器人机械臂的运动领域时，通过接受处理控制模块所发送的机器人的位置信息或加速度、角速度等姿态信息，在进行运算后输出当前机器人机械臂末端焊枪的准确位置、所规划的一定时间内的运动路径和当前运动环境的应对策略等信息。

并行运算模块被包括在运算中枢模块中,用于处理并行运算。采用GPU(GraPh1csProcessingunit)图形处理器进行并行运算；并行运算模块的数量有多个是指并行模块的数量大于一个，优选情况有上百个；并行运算模块数量较多时,机器人控制系统在处理复杂并行运算的性能会被提升，尤其在机器人移动的场景中，输出机器人姿态的反馈和控制信息速度会被提升；其中GPU负责并行处理自定位算法中的大规模粒子滤波，实时输出机器人在环境中的参考位置。

实时运算模块被包括在运算中枢模块中，采用CPU(CentralProcessingunit)中央处理器进处理实时运算，从而可以在机器人控制系统用于机器人运动的场景中，综合使用和分析从数据总线获取的各种信息，实时计算机器人的最终滤波后的位置，认知周边环境状态，并通过路径与速度规划算法给出实时的速度指令。

并行运算模块和实时运算模块被包括在所述运算中枢模块中，所述包括关系可以是在一个实际个体上、即二者均在ARM处理器上；也可以是分别为两个部分,例如在电路板上有多个GPU和一个CPU，分别作为并行运算模块和实时运算模块完成运算工作。

控制模块的核心是可提供实时运算及控制功能的微控制器，是用于控制机器人移动或动作的模块，通过采集和处理数据采集模块所获取的传感数据，控制机器人调整姿态；可通过通信接口控制数据采集模块采集所需要的数据，或者发送控制命令，或者接受所控制模块的信息反馈，控制模块实现控制功能所需的控制命令通过数据总线从运算中枢模块获取，但不限于此，在优选情况下控制模块还可以自行处理其控制的数据采集模块所采集的数据后发出控制命令。

控制模块通过数据总线与其它模块连接通信，例如输出处理后的机器人状态相关的数据，或接受运算中枢模块发送的控制指令信息。

在优选情况下采用PLC作为控制模块，控制模块用于控制一个或多个用于获取机器人姿态与位置信息的数据采集模块。

所述数据采集模块用于获取机器人的外部环境和自身状态的信息，由感知机器人角速度、加速度、定位等传感元件组成；所述数据采集模块在每个机器人控制系统中可以是一个或多个，当不止一个时，每个数据采集模块所负责的功能可相同或不同。

所述数据采集模块包括以下至少一项：用于获取机器人姿态信息的惯性测量模块，用于获取机器人位置信息的定位模块；惯性测量模块用于采集机器人在移动时的姿态信息和矫正机器人姿态，姿态信息包括机器人当前的速度、方位或转动的角度等信息，矫正机器人姿态包括变换当前移动的方向角度。

数据总线用于连接本系统中所包括的各模块，以及连接外部网络，使得所有模块通过数据总线可以进行通信和数据交换，并通过数据总线所连接的外部网络与外界进行信息交换。

网络交换系统功能类似于网络总线，通过网络交换系统所连接的运算中枢模块和控制模块，可在模块间进行通信。数据总线还可通过连接以太网(Ethernet)与如图1中所示出的外部网络进行信息交换，例如，接受人工控制命令，或者输出当前机器人移动的路线规划等至外部设备，但不限于此，运算中枢模块通过数据总线发送控制指令至控制模块，控制模块通过数据总线发送机器人状态数据至运算中枢模块。

控制模块发送的控制指令包括运算中枢所计算的路径信息、机器人即将进行的动作指令、当前定位结果等。

发送机器人状态数据是指通过控制模块收集并处理后的反映机器人姿态和位置的数据信息，通过控制模块的处理，可以为运算中枢模块分流一定的工作。

本系统还包括可扩展接口，所述可扩展接口用于与外界通信以及连接其它可用于机器人控制系统的模块，从而达到扩展机器人控制系统规模，拓展机器人控制系统功能的目的；所述可扩展接口包括但不限于网络端口、无线接口、USB接口、高清接口以及其它工业界别的通信接口。

Claims (4)

1.一种六轴焊接工业机器人防碰撞控制系统，其特征在于：该系统包括运算中枢模块、控制模块和信息采集模块，所述控制模块通过数据总线分别与运算中枢模块和信息采集模块连接，并通过I/O口与机器人控制模块连接进行信息交换；

所述信息采集模块包括超声波传感器、位置传感器、速度传感器和角度传感器；所述位置传感器设在焊接工业机器人各机械臂前端，速度传感器和角度传感器设在机械臂轴关节连接处，超声波传感器设在各机械臂两侧中部；

超声波传感器用于采集机器人周边环境的信号，搜索是否有障碍物出现；

位置传感器用于确定机械臂末端焊枪的实时位置；

速度传感器用于确定机器人工作时各机械臂模块以及轴关节的运动和旋转速度；

角度传感器用于确定每一个机械臂转过的角度，实时定位机器人的机械臂运动空间区域；

所述运算中枢模块包括多个并行运算模块和一个实时运算模块，并行运算模块用于为并行计算提供硬件和软件界面，实时控制模块通过综合使用和分析从控制模块获取的各种信息，实时计算机器人机械臂末端焊枪的最终位置，认知周边环境状态；

所述控制模块的作用：

一是通过信息采集模块采集的信息对机械臂末端焊枪的位置、角度、运动速度以及周围环境信息作出判断；

二是向机器人控制模块发出是否主动采取中断或避让措施的指令；

三是与外部网络进行信息交换，或接受人工控制命令，或者输出当前机器人机械臂运动的路径规划到外部设备。

2.如权利要求1所述一种六轴焊接工业机器人防碰撞控制系统，其特征在于：所述并行运算模块采用GPU图形处理器，实时运算模块采用CPU中央处理器；并行运算模块和实时运算模块被包括在运算中枢模块中，其包括关系或是在一个实际个体上：二者均在ARM处理器上，或是分别为两个部分：在电路板上分别有多个GPU图形处理器和一个CPU中央处理器；

所述控制模块采用小型可编程控制器PLC。

3.如权利要求1所述一种六轴焊接工业机器人防碰撞控制系统，其特征在于：所述控制模块通过数据总线连接外部网络构成网络交换系统，一是用于运算模块与控制模块之间进行通信；二是与外部网络进行信息交换，或接受人工控制命令，或者输出当前机器人机械臂运动的路径规划到外部设备。

4.如权利要求3所述一种六轴焊接工业机器人防碰撞控制系统，其特征在于：所述控制模块之小型可编程控制器PLC中嵌入防碰撞程序。