CN210500282U - 一种机器人控制系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及机器人学领域，目的是在于克服现有技术中机器人在执行任务时精确度低的问题，提供一种机器人控制系统，包括机器人本体、运动控制器、示教器和伺服驱动器。还包括外接图像采集器和棋盘标定板，所述外接图像采集器与运动控制器连接，所述棋盘标定板固定在所述机器人本体顶端，外接图像采集器设置在棋盘标定板前方。运动控制器根据外接传感器和棋盘标定板利用手眼标定得到机器人顶端到基座的变换矩阵，根据示教器接收的指令发送精准脉冲给伺服驱动器，伺服驱动器驱动机器人本体运动到指定的工作位置，提高了机器人在执行任务时的精确性。

Description

一种机器人控制系统

技术领域

本实用新型涉及机器人学技术领域，具体涉及一种机器人控制系统。

背景技术

工业机器人也有很多种类，根据其内部所含有的关节的个数来表示它有多少个轴，所以六轴工业机器人是指它内部含有六个关节，关节的数量直接决定着工业机器人的自由度。换句话说，工业机器人的关节越多，其自由度就越高，也就越灵活。虽然近几年的七轴机器人已经开始被机器人行业的巨头所大力推广，但是六轴工业机器人凭借着它的灵活性以及实用性已经能够胜任各种工作上的要求，故六轴工业机器人在当前的工业机器人的市场上占有着非常大的市场占有率。

六轴工业机器人的灵活性以及它的实用性，使得它能够完成各种类型的工作，它都被广泛的到了冶金行业、汽车制造行业、食品加工行业、化工行业等类型的行业当中。人们只需要对其进行简单的示教，就可以让工业机器人完成各种复杂的、繁重的工作。

由于工业机器人往往需要进行精度非常高的工作，而工业机器人控制器是整个机器人控制系统的最重要的核心部分，它直接决定着机器人的运动精度、运动的平滑程度，并且使得工业机器人本体能够移动到所需要作业的指定位置上、运行相关的轨迹、完成重要的插值和插补算法，还可以根据摄像头的提供的物体位置信息，驱动机工业机器人移动到物体的位置上。但是，目前大部分的六轴工业机器人在执行任务时的精确性比较低。

实用新型内容

本实用新型旨在克服上述现有技术中的不足，提供一种机器人控制系统，解决现有技术中六轴工业机器人作业时精确度低的问题。

本实用新型采取的技术方案是，提供一种机器人控制系统，包括机器人本体、运动控制器、示教器、伺服驱动器。还包括外接图像采集器和棋盘标定板，所述外接图像采集器与运动控制器连接，所述棋盘标定板固定在所述机器人本体顶端，外接图像采集器设置在棋盘标定板前方。

所述运动控制器用于控制机器人本体运动，包括核心控制电路、差分电路、隔离电路和通信接口电路：核心控制电路包括解算器、主控制器和从控制器，解算器与主控制器连接，主控制器通过总线与从控制器连接；差分电路与从控制器连接，用于发送差分信号来驱动伺服驱动器；隔离电路的输入端与差分电路连接，输出端与伺服驱动器连接，用于将核心控制电路与伺服驱动器、机器人本地之间进行电气隔离；通信接口电路包括示教器通信接口电路和驱动器通信接口电路，示教器通信接口电路与核心控制电路和示教器连接，驱动器通信接口电路与核心控制电路、伺服驱动器连接；所述伺服驱动器连接机器人本体。

优选的，所述棋盘标定板的棋盘空间间隔相等。

优选的，所述机器人本体头顶设置有安装座，棋盘标定板安装在安装座上。

优选的，所述核心控制电路采用的是STM32系列的单片机。

优选的，所述解算器采用的是一片STM32F4系列的单片机，主控制器采用的是一片STM32F1系列的单片机，从控制器采用的是两片STM32F1系列的单片机。STM32F4系列的单片机主频高、稳定性强且含有硬浮点运算单元，STM32F1系列的单片机的均衡性好。

所述STM32F4系列的单片机用于对控制器需要的算法进行运算，并将运算结果转换成所需要发送脉冲的数量，通过SPI通信的方式发送给主STM32。所述主STM32用于判断两个从STM32当前的状态是否能够接收脉冲数据以及从STM32是否正在处于发送脉冲的过程中，两个从STM32用于向机器人驱动器发送脉冲的单元。主STM32很好地协调了两个从STM32的脉冲发送过程，使两个从STM32精准的发送脉冲。所述的两个从STM32分别产生三路的脉冲，得到六路的脉冲发送电路。

优选的，所述总线为四根SPI通信线与三根控制脉冲发送的控制线。

优选的，所述主STM32与从STM32的具体连接方式为：主STM32的引脚RPD通过控制线RPD与从STM32的引脚RPD连接；主STM32的引脚OPF通过控制线OPF与从STM32的引脚OPF连接；主STM32的引脚SPO通过控制线SPO与从STM32的引脚SPO连接；主STM32的引脚MISO1通过SPI通信线与从STM32的引脚MISO连接；主STM32的引脚MOSI1通过SPI通信线与从STM32的引脚MOSI连接；主STM32的引脚CLK1通过SPI通信线与从STM32的引脚CLK连接；主STM32的引脚CS通过SPI通信线与从STM32的引脚CS连接。

优选的，所述STM32F4与主STM32的具体连接方式为：STM32F4的引脚MISO连接主STM32的引脚MISO2，STM32F4的引脚MOSI连接主STM32的引脚MOSI2，STM32F4的引脚CLK连接主STM32的引脚CLK2，STM32F4的引脚NSS连接主STM32的引脚NSS。

优选的，所述差分电路选用6块AM26LV31型号的差分芯片，每一块差分芯片的引脚Y1与自身引脚A4相连，引脚Y2都与自身引脚A3相连；第一块差分芯片的引脚A1、引脚A2、第二块差分芯片的引脚A1、引脚A2和第三块差分芯片的引脚A1、引脚A2分别与第一片从STM32的引脚PC7、PE9、PE13、PE8、PA2、PE7连接；第四块差分芯片的引脚A1、引脚A2、第五块差分芯片的引脚A1、引脚A2和第六块差分芯片的引脚A1、引脚A2分别与第一片从STM32的引脚PC7、PE9、PE13、PE8、PA2、PE7连接。

优选的，所述隔离电路为光耦隔离电路，采用12块PC4D10S型号的光电耦合器，其中每两块PC4D10S芯片的A1和C2引脚分别连接所述差分芯片的Y4、Z4、Z3和Y3引脚，每块PC4D10S芯片的C1和A2引脚分别串联一电阻后接地，VCC接5V电源，VO1和VO2引脚连接伺服连接器，GND引脚接地。

优选的，所述外接图像采集器采用的是深感摄像头。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果为：

(1)本实用新型利用机器人控制器的硬件设计，通过采用4片STM32为控制器的核心部分，实现了精准的脉冲发送，机器人控制器向机器人伺服驱动器发送所需的脉冲数量，最终使得机器人能够运动到指定的工作位置，提高了机器人在执行任务时的精确性。

(2)本实用新型利用高精度的深感摄像头和棋盘标定板来辅助完成手眼标定，通过深感摄像头拍摄棋盘标定板得到相关图像传输给机器人控制器，辅助机器人控制器完成相机坐标系与机器人基座坐标系的变换关系，进而得到目标工作点相对于机器人基座的变换矩阵，最后使得工业机器人能够移动到对应的目标工作点，实现目标物体的定位。

附图说明

图1为本实用新型的机器人控制系统的模块图。

图2为运动控制器的主从STM32脉冲发送框架硬件连接图。

图3为差分电路硬件原理图。

图4为光电耦合器硬件原理图。

图5为示教器接口原理图。

图6为驱动器接口原理图。

图7为手眼标定模型图。

具体实施方式

本实用新型附图仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制。为了更好说明以下实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

以下结合附图对本实用新型作进一步详细说明。

如图1所示，本实用新型为一种机器人控制系统，包括机器人本体、运动控制器、示教器、伺服驱动器。还包括外接图像采集器和棋盘标定板，所述外接图像采集器与运动控制器连接，所述棋盘标定板固定在所述机器人本体顶端，外接图像采集器设置在棋盘标定板前方。所述运动控制器用于控制机器人本体运动，包括核心控制电路、差分电路、隔离电路和通信接口电路。核心控制电路包括解算器、主控制器和从控制器，解算器与控制器连接，主控制器通过总线与从控制器连接。差分电路与从控制器连接，隔离电路的输入端与差分电路连接，输出端与伺服驱动器连接，通信接口电路包括示教器通信接口电路和驱动器通信接口电路，示教器通信接口电路与核心控制电路、示教器连接，驱动器通信接口电路与核心控制电路、伺服驱动器连接。所述示教器与运动控制器无线连接，所述伺服驱动器连接机器人本体，驱动机器人本体运动。

在本实施例具体实施过程中，所述机器人本体采用的是STR-01型号，所述伺服驱动器选用的是R系列S型的AC伺服驱动器作为机器人系统当中的伺服驱动，所述示教器选用的是东莞鑫拓智能机械科技有限公司的示教器。

如图2所示，在本实施例具体实施过程中，核心控制电路的解算器为一片STM32F407VET6单片机，该单片机主频高且含有硬浮点运算单元，主控制器采用的是一片STM32F1系列的单片机，从控制器采用的是两片STM32F1系列的单片机。主STM32与从STM32的具体连接方式为：主STM32的引脚RPD通过控制线RPD与从STM32的引脚RPD连接；主STM32的引脚OPF通过控制线OPF与从STM32的引脚OPF连接；主STM32的引脚SPO通过控制线SPO与从STM32的引脚SPO连接；主STM32的引脚MISO1通过SPI通信线与从STM32的引脚MISO连接；主STM32的引脚MOSI1通过SPI通信线与从STM32的引脚MOSI连接；主STM32的引脚CLK1通过SPI通信线与从STM32的引脚CLK连接；主STM32的引脚CS通过SPI通信线与从STM32的引脚CS连接。

在本实施例中，所述STM32F4的引脚MISO连接主STM32的引脚MISO2，STM32F4的引脚MOSI连接主STM32的引脚MOSI2，STM32F4的引脚CLK连接主STM32的引脚CLK2，STM32F4的引脚NSS连接主STM32的引脚NSS。

解算器STM32F407VET6单片机通过SPI通信的方式发送给脉冲发送框架里的主STM32。而主STM32实际上不发送脉冲，而是利用主STM32来判断两个从STM32当前的状态是否能够接收脉冲数据以及从STM32是否正在处于发送脉冲的过程中。如果从STM32上一次的脉冲已经发送完成了，则会根据它们之间的通信线来告知主STM32，让主STM32再通过控制线来控制从STM32进行下一次的脉冲发送。正是有这个主STM32的存在，才能够调解好这两个从STM32的脉冲发送的过程。两个从STM32是用于向机器人驱动器发送脉冲的单元，它们两个分别产生三路的脉冲，得到六路的脉冲发送电路。运用STM32的主从定时器，最终实现精准的脉冲个数发送。

在具体实施过程中差分电路采用的选用了6块德州仪器的AM26LV31型号的差分芯片，如图3所示，为其中一块差分芯片的硬件电路示意图。AM26LV31型号差分芯片具有非常高的开关频率，最高甚至可以达到32MHz，这6块差分芯片中，每一块差分芯片的引脚Y1与自身引脚A4相连，引脚Y2都与自身引脚A3相连；第一块差分芯片的引脚A1、引脚A2、第二块差分芯片的引脚A1、引脚A2和第三块差分芯片的引脚A1、引脚A2分别与第一片从STM32的引脚PC7、PE9、PE13、PE8、PA2、PE7连接；第四块差分芯片的引脚A1、引脚A2、第五块差分芯片的引脚A1、引脚A2和第六块差分芯片的引脚A1、引脚A2分别与第一片从STM32的引脚PC7、PE9、PE13、PE8、PA2、PE7连接。从STM32的每一路脉冲以及每一路方向控制线都对应一个差分芯片，该芯片将从控制器发送的脉冲信号转换成机器人伺服驱动器所要接收的差分信号。每一块差分芯片的引脚Y4、Z4、Z3、Y3分别与两块光电耦合器的引脚A1、C2连接，通过光电耦合器将差分信号传送到伺服驱动器，以此驱动伺服驱动器，以此驱动伺服驱动器。

在本实施例中，所述隔离电路为光耦隔离电路，在具体实施过程中采用了12块夏普的PC4D10S型号的光电耦合器，如图4所示，为一块PC4D10S型号的光电耦合器硬件电路示意图。跟差分芯片一样，这个光耦的开关频率非常的高，完全能够满足机器人控制器发送脉冲的需求，同时这个光耦芯片还具有两路输入输出的功能，正好能够用来作为发送脉冲的两个差分信号的输入端，并且将两个输出端与伺服驱动器的接口相连。因为该光电耦合器只有两个输入端，而差分芯片输出的差分脉冲和方向线传输的差分信号分别占用两个输入端，因此，每块差分芯片都与两块光电耦合器连接。光耦的左右两边采用不同的电源系统，从而做到机器人控制器与伺服驱动器及机器人本地的电气隔离。具体的，每两块PC4D10S芯片的A1和C2引脚分别连接差分芯片的Y4、Z4、Z3和Y3引脚，每一块PC4D10S芯片的C1和A2引脚分别串联一电阻后接地，VCC接5V电源，VO1和VO2引脚连接伺服连接器，GND引脚接地。

在具体实施过程中，所述示教器通信接口电路采用的是MAX232电平转换芯片，该芯片将单片机发出的TTL电平转换成RS232电平，从而正常的与示教器进行通信。具体的，如图5所示，为示教器接口原理图，MAX232芯片的T1OUT和R1IN引脚通过连接接口DConnector9与示教器连接。

在具体实施过程中，如图6所示，为驱动器接口原理图，所述驱动器通信接口电路采用的是MAX232作为电平转换的芯片，以D Connector9接口作为连接伺服驱动器上的编码器的连接接口，MAX232芯片的T1OUT和R1IN引脚通过连接接口D Connector9与伺服驱动器上的编码器连接，从而正常的与伺服驱动器进行通信。

在本实施例中，所述一种机器人控制系统还包括与运动控制器连接的外接图像采集器，用于对目标物体进行定位。在具体实施过程中，如图7所示，为手眼标定的模型图，所述棋盘标定板的棋盘空格间距相等，所述机器人本体头顶设置有安装座，棋盘标定板安装在安装座上，所述外接图像采集器采用的是深感摄像头，摄像头是英特尔的RealSenseD435深度摄像头，摄像头设置在棋盘标定板前方。它是一款具有高分辨率、可进行远距离检测的深度摄像头。高精度的深度摄像头可以拍摄机器人的动作图像，后续计算机可以利用动作图像和棋盘标定板来辅助完成手眼标定，通过深感摄像头拍摄棋盘标定板得到相关图像传输给机器人控制器，辅助机器人控制器完成相机坐标系与机器人基座坐标系的变换关系，进而得到目标工作点相对于机器人基座的变换矩阵，最后使得工业机器人能够移动到对应的目标工作点，实现目标物体的定位。

显然，本实用新型的上述实施例仅仅是为清楚地说明本实用新型技术方案所作的举例，而并非是对本实用新型的具体实施方式的限定。凡在本实用新型权利要求书的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型权利要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种机器人控制系统，包括机器人本体、运动控制器、示教器、伺服驱动器，其特征在于：

还包括外接图像采集器和棋盘标定板，所述外接图像采集器与运动控制器连接，所述棋盘标定板固定在所述机器人本体顶端，外接图像采集器设置在棋盘标定板前方；

所述运动控制器用于控制机器人本体运动，包括核心控制电路、差分电路、隔离电路和通信接口电路：

核心控制电路包括解算器、主控制器和从控制器，解算器与主控制器连接，主控制器通过总线与从控制器连接；

差分电路与从控制器连接，用于发送差分信号来驱动伺服驱动器；

隔离电路的输入端与差分电路连接，输出端与伺服驱动器连接，用于将核心控制电路与伺服驱动器、机器人本地之间进行电气隔离；

通信接口电路包括示教器通信接口电路和驱动器通信接口电路，示教器通信接口电路与核心控制电路和示教器连接，驱动器通信接口电路与核心控制电路、伺服驱动器连接；

所述伺服驱动器连接机器人本体。

2.根据权利要求1所述的一种机器人控制系统，其特征在于，所述棋盘标定板的棋盘空间间隔相等。

3.根据权利要求1所述的一种机器人控制系统，其特征在于，所述机器人本体头顶设置有安装座，棋盘标定板安装在安装座上。

4.根据权利要求1所述的一种机器人控制系统，其特征在于，所述核心控制电路采用的是STM32系列的单片机，所述解算器采用的是一片STM32F4系列的单片机，主控制器采用的是一片STM32F1系列的单片机，记主控制器采用的是一片STM32F1系列的单片机为主STM32；从控制器采用的是两片STM32F1系列的单片机，记从控制器采用的是两片STM32F1系列的单片机为从STM32。

5.根据权利要求1所述的一种机器人控制系统，其特征在于，所述总线为四根SPI通信线与三根控制脉冲发送的控制线。

6.根据权利要求4所述的一种机器人控制系统，其特征在于，所述主STM32与从STM32的具体连接方式为：主STM32的引脚RPD通过控制线RPD与从STM32 的引脚RPD连接；主STM32的引脚OPF通过控制线OPF与从STM32的引脚OPF连接；主STM32的引脚SPO通过控制线SPO与从STM32的引脚SPO连接；主STM32的引脚MISO1通过SPI通信线与从STM32的引脚MISO连接；主STM32的引脚MOSI1通过SPI通信线与从STM32的引脚MOSI连接；主STM32的引脚CLK1通过SPI通信线与从STM32的引脚CLK连接；主STM32的引脚CS通过SPI通信线分别与两片从STM32的引脚CS连接。

7.根据权利要求4所述的一种机器人控制系统，其特征在于，所述STM32F4与主STM32的具体连接方式为：STM32F4的引脚MISO连接主STM32的引脚MISO2，STM32F4的引脚MOSI连接主STM32的引脚MOSI2，STM32F4的引脚CLK连接主STM32的引脚CLK2，STM32F4的引脚NSS连接主STM32的引脚NSS。

8.根据权利要求7所述的一种机器人控制系统，其特征在于，所述差分电路选用6块AM26LV31型号的差分芯片，每一块差分芯片的引脚Y1与自身引脚A4相连，引脚Y2都与自身引脚A3相连；第一块差分芯片的引脚A1、引脚A2、第二块差分芯片的引脚A1、引脚A2和第三块差分芯片的引脚A1、引脚A2分别与第一片从STM32的引脚PC7、PE9、PE13、PE8、PA2、PE7连接；第四块差分芯片的引脚A1、引脚A2、第五块差分芯片的引脚A1、引脚A2和第六块差分芯片的引脚A1、引脚A2分别与第一片从STM32的引脚PC7、PE9、PE13、PE8、PA2、PE7连接。

9.根据权利要求8所述的一种机器人控制系统，其特征在于，所述隔离电路为光耦隔离电路，采用12块PC4D10S型号的光电耦合器，其中每两块PC4D10S芯片的A1和C2引脚分别连接所述差分芯片的Y4、Z4、Z3和Y3引脚，每块PC4D10S芯片的C1和A2引脚分别串联一电阻后接地，VCC接5V电源，VO1和VO2引脚连接伺服连接器，GND引脚接地。

10.根据权利要求1所述的一种机器人控制系统，其特征在于，所述外接图像采集器采用的是深感摄像头。

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