CN107908191B - 一种串并联机器人的运动控制系统和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明揭示了一种串并联机器人的运动控制系统,系统设有由多个机器人单元组成的串并联机器人，每个所述机器人单元至少设有一个伺服电机，PC机用于串并联机器人运动控制方法的编写、调试，并将运动控制方法输送至控制器，控制器接收每个所述伺服电机的状态信号并输出控制信号至驱动器，驱动器根据控制信号输出驱动信号至每个所述伺服电机。本发明的优点在于实现串并联机器人的运动控制，能够控制机器人按照规划的末端轨迹运动，且运动平稳，效果良好；通过虚拟仿真多个机械结构，验证运动控制方法的可移植性强，二次开发简单，效果良好；并且该运动控制方法通用性强，对于不同的机械结构，只需要简单的开发即可。
Description
技术领域
本发明涉及工业机器人控制领域，并可扩展用到机床的运动控制领域。
背景技术
机器人运动控制是指对各个伺服轴的运动控制，包括单轴、多轴的控制。串并联机器人又称混联机器人，是指至少包括一个并联机构和一个或多个串联机构按照一定的方式组合在一起的复杂机械系统，它综合了串联结构和并联机构的优良属性。对串并联机器人的伺服轴进行控制，应分别实现串联、并联的运动方式，且能对机器人整体结构的末端轨迹进行规划，实现示教、再现、编程等功能。
现有技术对于不同的机器人机械结构有不同的运动控制系统和方法，市面上的控制器产品多是针对常规的串联或并联机器人的运动控制。因此，对于特殊结构的串并联机器人没有相应的运动控制系统和方法。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是实现一种串并联机器人运动控制系统的通用运动控制方法。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：一种串并联机器人的运动控制系统,系统设有由多个机器人单元组成的串并联机器人，每个所述机器人单元至少设有一个伺服电机，系统包括PC机、控制器和驱动器，所述PC机用于串并联机器人运动控制方法的编写、调试，并将运动控制方法输送至控制器，所述控制器接收每个所述伺服电机的状态信号并输出控制信号至驱动器，所述驱动器根据控制信号输出驱动信号至每个所述伺服电机。
所述控制器包括：
运动指令的解释规划模块：用于将运动控制方法分解、编号、归类为每个伺服电机的轨迹指令；
迹插补算法的实现模块：用于对每个轨迹指令进行插补，之后将各个轨迹指令组合在一起形成串并联机器人完整的运动轨迹；
运动学的坐标转换模块：根据每个所述伺服电机的状态信号获取各伺服轴的运动位置点，将各伺服轴的位置点转换为机器人末端空间坐标位置；
伺服轴的位置控制模块：用于驱动每个所述伺服电机，控制伺服轴按照规划的位置运动。
所述运动指令的解释规划模块接收PC机的运动控制方法信号，并输出轨迹指令至迹插补算法的实现模块，所述迹插补算法的实现模块输出轨迹函数至运动学的坐标转换模块，所述运动学的坐标转换模块输出信号至伺服轴的位置控制模块，所述伺服轴的位置控制模块与驱动器实时通讯。
所述轨迹指令为驱动伺服电机以直线、圆弧、过渡曲线的方式运动的执行信号。
所述控制器为嵌入式结构，所述控制器和驱动器之间通过EtherCAT通讯。
基于所述串并联机器人的运动控制系统的控制方法：
步骤1、PC机将运动指令输送至控制器；
步骤2、控制器将运动指令转换为插补后的函数轨迹；
步骤3、控制器将轨迹函数按照插补周期输入到驱动器；
步骤4、驱动器执行轨迹函数驱动相应伺服电机工作。
所述步骤2包括以下四个步骤：
1)运动指令的解释规划：将用户输入的运动指令行分解、编号、归类处理，将运动指令处理为直线、圆弧、过渡曲线运动的执行信号并输出；
2)轨迹插补算法：对每个运动指令进行插补处理，将每个伺服电机的轨迹组合在一起，形成完整的运动轨迹并输出；
3)运动学的坐标转换：获取各伺服轴的运动位置点，将各伺服轴的位置状态转换为机器人末端空间坐标位置；
4)伺服轴的位置控制：与驱动器进行实时通讯，向驱动发送函数轨迹。
所述步骤2为离线运行步骤，所述3为在线运行步骤。
本发明的优点在于实现串并联机器人的运动控制，能够控制机器人按照规划的末端轨迹运动，且运动平稳，效果良好；通过虚拟仿真多个机械结构，验证运动控制方法的可移植性强，二次开发简单，效果良好；并且该运动控制方法通用性强，对于不同的机械结构，只需要简单的开发即可。
附图说明
下面对本发明说明书中每幅附图表达的内容作简要说明：
图1为串并联机器人的运动控制系统框图；
图2为串并联机器人的运动控制方法流程图。
具体实施方式
串并联机器人是由伺服电机提供动力系统，运动控制采用集中控制方式，通过嵌入式控制器控制驱动器，控制器和驱动器间采用EtherCAT通讯，通过上位机的控制器软件进行运动控制的实现。即整个运动控制系统由PC机、(嵌入式)控制器、驱动器、伺服电机、串并联机器人机械结构组成，如图1所示。在PC机进行运动控制方法的编写、调试，通过控制器在线检测伺服轴的状态并控制驱动器的动作。
机器人运动控制的过程可划分为四个部分：运动指令的解释规划、轨迹插补算法的实现、运动学的坐标转换、伺服轴的位置控制。对上述四个部分进行封装，提供各部分间的接口，用于整个控制过程的逻辑实现。
运动指令的解释规划是指将用户输入的运动指令转换为机器理解的语言，并对运动过程进行分解、编号、归类，任何复杂的轨迹都可以拆分为直线、圆弧、过渡曲线等三种类型，最终将各类型的数据输出；轨迹插补算法对不同的轨迹进行不同的插补过程，然后将各轨迹组合在一起，最终形成完整的运动轨迹并输出；运动学的坐标转换是根据具体的机器人结构，将末端轨迹空间坐标点转换到关节空间，即各伺服轴的运动位置点，同时可以将各伺服轴的位置状态转换为机器人末端空间坐标位置；伺服轴的位置控制是指与驱动器进行实时通讯，发送位置信息，并控制伺服轴按照规划的位置运动。
运动控制过程的具体实现流程，如图2所示。在机器人运动之前，接收输入的运动指令，调用第一和第二部分的算法，将运动指令转换为插补后的函数轨迹，这是一个离线的过程，即在机器人运行之前，根据用户的输入得到与时间相关的轨迹函数，可在机器人运动之前进行轨迹可达性检测，并分析轨迹的速度、加速度的影响，提高轨迹的精度，降低对机械设备的损伤；运行机器人，调用第三和第四部分的算法，将轨迹函数按照插补周期输入到伺服驱动器，这是一个在线的过程，需要实时发送伺服轴的位置，建立以时间为顺序的运动过程，完成整个运动控制。
上面结合附图对本发明进行了示例性描述，显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进，或未经改进将本发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。
Claims (3)
1.一种串并联机器人的运动控制系统, 系统设有由多个机器人单元组成的串并联机器人，每个所述机器人单元至少设有一个伺服电机，其特征在于：系统包括PC机、控制器和驱动器，所述PC机用于串并联机器人运动控制方法的编写、调试，并将运动控制方法输送至控制器，所述控制器接收每个所述伺服电机的状态信号并输出控制信号至驱动器，所述驱动器根据控制信号输出驱动信号至每个所述伺服电机；
所述控制器包括：
运动指令的解释规划模块：用于将运动控制方法分解、编号、归类为每个伺服电机的轨迹指令；
迹插补算法的实现模块：用于对每个轨迹指令进行插补，之后将各个轨迹指令组合在一起形成串并联机器人完整的运动轨迹；
运动学的坐标转换模块：根据每个所述伺服电机的状态信号获取各伺服轴的运动位置点，将各伺服轴的位置点转换为机器人末端空间坐标位置；
伺服轴的位置控制模块：用于驱动每个所述伺服电机，控制伺服轴按照规划的位置运动;
所述运动指令的解释规划模块接收PC机的运动控制方法信号，并输出轨迹指令至迹插补算法的实现模块，所述迹插补算法的实现模块输出轨迹函数至运动学的坐标转换模块，所述运动学的坐标转换模块输出信号至伺服轴的位置控制模块，所述伺服轴的位置控制模块与驱动器实时通讯;
基于所述串并联机器人的运动控制系统的控制方法：
步骤1、PC机将运动指令输送至控制器；
步骤2、控制器将运动指令转换为插补后的函数轨迹；
步骤3、控制器将轨迹函数按照插补周期输入到驱动器；
步骤4、驱动器执行轨迹函数驱动相应伺服电机工作;
所述步骤2包括以下四个步骤：
1）运动指令的解释规划：将用户输入的运动指令行分解、编号、归类处理，将运动指令处理为直线、圆弧、过渡曲线运动的执行信号并输出；
2）轨迹插补算法：对每个运动指令进行插补处理，将每个伺服电机的轨迹组合在一起，形成完整的运动轨迹并输出；
3）运动学的坐标转换：获取各伺服轴的运动位置点，将各伺服轴的位置状态转换为机器人末端空间坐标位置；
4）伺服轴的位置控制：与驱动器进行实时通讯，向驱动发送函数轨迹;
所述步骤2为离线运行步骤，所述步骤3为在线运行步骤。
2.根据权利要求1所述的串并联机器人的运动控制系统，其特征在于：所述轨迹指令为驱动伺服电机以直线、圆弧、过渡曲线的方式运动的执行信号。
3.根据权利要求2所述的串并联机器人的运动控制系统，其特征在于：所述控制器为嵌入式结构，所述控制器和驱动器之间通过EtherCAT通讯。
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