CN110561389A - 一种装配机器人运动控制方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种装配机器人运动控制方法及装置。所述方法包括：示教器获取装配机器人的运动轨迹，并通过传输控制协议发送至嵌入式系统。传感器通过PCIe总线传输装配机器人手爪末端物理信息至嵌入式系统。嵌入式系统通过CAN总线和电机驱动器连接并发送电机控制信号。通过多种信号传输技术相结合，满足了不同模块的信号传输要求，提高了运动轨迹传输的精确性、传感器信号和控制指令信号传输的实时性，提升了装备机器人的精确度。

Description

一种装配机器人运动控制方法及装置

技术领域

本发明涉及自动控制领域，尤其涉及一种装配机器人运动控制方法及装置。

背景技术

随着科技的发展，工业自动化的程度逐渐提高。在工业流水线中采用装配机器人代替人工的现象也越来越多。装配机器人是一种用于零件装配的自动机械，一般由机械结构、电机模块、控制系统、传感器模块等组成，其中控制系统的研究最为深入。目前，装配机器人控制系统主要为PC机和运动控制卡的组合，通过PC机输入控制指令，由运动控制卡驱动电机进行运动。可以实现对装配机器人的控制，代替工人完成装配动作。但是PC机及动作控制卡本身的不具有高可靠性，导致现有的装配机器人同样不具有足够的可靠性。同时因为需要专用的动作控制卡也会导致装配机器人的成本过高。

为此，嵌入式技术被应用于装配机器人中，利用嵌入式系统代替PC和动作控制卡，有效地降低了成本并提升了可靠性。嵌入式系统需要多个模块相配合，多个模块之间多采用串口等方式传输控制信号。在数据量较大的情况下，会导致信号传输的延迟、丢包等问题，很难及时对装配机器人进行控制，降低了装配机器人的实时性。其次，由于嵌入式系统本身相对封闭的特点，当需要装配机器人完成某些新的工作时，必须更改嵌入式系统中预先设置好的控制程序，过程耗时耗力，大大降低了装配机器人的灵活性。

发明内容

有鉴于此，本发明提出了一种装配机器人运动控制方法及装置，旨在通过多种信号传输技术和嵌入式系统相结合，提高系统的实时性，并易于规划动作轨迹。

为此，本发明解决技术问题的技术方案是：

一种装配机器人运动控制方法，所述方法包括：

嵌入式系统通过控制传输协议接收示教器发送的运动轨迹；其中，所述运动轨迹是装配机器人手爪末端的运动轨迹；

所述嵌入式系统根据所述运动轨迹以及通过高速串行计算机扩展总线PCIe接收传感器测量的手爪末端物理信息生成控制指令；

所述嵌入式系统通过CAN总线向多个电机驱动器发送所述控制指令。

可选地，所述示教器发送运动轨迹包括：

所述示教器接收动作指令；

所述示教器对动作指令进行解析和规划，得到所述运动轨迹；

所述示教器通过Modbus-TCP协议将所述运动轨迹发送至所述嵌入式系统。

可选地，所述传感器测量的手爪末端物理信息包括：

三维动态位移测量仪得到的三维坐标；

六维力传感器得到的力和力矩。

可选地，所述嵌入式系统根据运动轨迹以及手爪末端物理信息生成控制指令包括：

所述嵌入式系统根据所述手爪末端物理信息和所述运动轨迹计算手爪移动所需位移；

所述嵌入式系统将所述位移转码为多个电机对应的控制指令。

可选地，所述方法进一步包括：

所述嵌入式系统通过485串口与位于生产线上的可编程逻辑器件连接，接收装配指令。

可选地，所述嵌入式系统为工业级嵌入式PC。

一种装配机器人运动控制装置，所述装置包括：

控制传输协议收发模块，用于示教器和嵌入式系统之间收发信号；

PCIe总线模块，用于传感器和嵌入式系统之间收发信号；

CAN总线模块，用于电机驱动器和嵌入式系统之间收发信号；

数据处理模块，用于接收所述运动轨迹和手爪末端物理信息并生成电机驱动信号。

可选地，控制传输协议收发模块为：

采用Modbus-TCP协议的以太网通信模块。

可选地，所述PCIe总线模块包括：

位置采集模块，用于接收三维动态位移测量仪发送的手爪末端三维坐标值；

PCI采集卡模块，用于接收六维力传感器发送的手爪末端接触力和力矩；

PCIe传输模块，用于将所述位置采集模块和所述PCI采集卡模块接收的所述手爪末端物理信息发送至嵌入式系统。

可选地，所述装置进一步包括485串口模块，用于可编程逻辑器件向嵌入式系统发送装配指令信号。

本发明提出了一种装配机器人控制系统信号的传输方法及装置。示教器获取装配机器人的运动轨迹，并通过传输控制协议发送至嵌入式系统。嵌入式系统通过CAN总线和电机驱动器连接并发送电机控制信号。通过多种信号传输技术相结合，满足了不同模块的信号传输要求，提高了系统的实时性。其次，本发明还可以通过示教器进行运动轨迹的设计规划，可以通过示教器直接设置装配机器人的的目标运动轨迹，进一步增强了装配机器人的灵活性。

附图说明

为更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明一实施例提供的装配机器人控制信号传输方法流程图。

图2为本发明一实施例提供的示教器获得并发送运动轨迹的流程图。

图3为本发明一实施例提供的装配机器人信号流传输路径图。

图4为本发明一实施例提供的装配机器人各个模块连接示意图。

具体实施方式

目前，不采用嵌入式系统的装配机器人具有成本高、可靠性差的缺点，而且系统较为复杂，会给机器人的维护等造成较大的困扰。而且一般不具有实时系统，相对而言灵活性较差。采用嵌入式系统的装配机器人一定程度上解决了可靠性差、成本过高的问题，但是仍不具有较好的实时性。其次，囿于嵌入式系统本身的缺点，当需要完成某个新的动作时，需要从嵌入式系统中更改代码，过程复杂，降低了装配式机器人的灵活性。

为了解决这些个问题，本发明实施例提出了一种装配机器人控制信号传输方法及装置。通过采用嵌入式系统降低成本、提升可靠性；通过PCIe总线、CAN总线等多种具有高实时性的局域网络进行信号的传输提升了系统的实时性；嵌入式系统可接收示教器发送的运动轨迹进行实时控制，增加了装配机器人的灵活性。

本发明实施例提供了一种装配机器人运动控制方法及装置，以下结合说明书附图对本发明的优选实施例进行说明。

图1为一实施例提供的控制信号传输方法流程图，包括：

101：嵌入式系统通过控制传输协议接收示教器发送的运动轨迹。

嵌入式系统(Embedded system)，是一种“完全嵌入受控器件内部，为特定应用而设计的专用计算机系统”，为控制、监视或辅助设备、机器或用于工厂运作的设备。与个人计算机这样的通用计算机系统不同，嵌入式系统通常执行的是带有特定要求的预先定义的任务。由于嵌入式系统通常可以只针对一项特殊的任务，设计人员能够对它进行优化，减小尺寸降低成本。嵌入式系统通常进行大量生产，所以单个的成本节约，能够随着产量进行成百上千的放大。为此，本实施例中采用嵌入式系统作为装配机器人的控制系统，适应装配机器人的工业生产，可以有效地降低装配机器人的生产成本，提升其可靠性。

但是，现有的嵌入式系统中，控制系统的程序一般是固化在系统组件中，也就是只能完成一些固定的动作，当需要完成新的装配任务时，需要更改嵌入式系统中固化的控制程序。

本实施例中，嵌入式系统可以通过控制传输协议接收示教器发送的运动轨迹。其中所述运动轨迹可以是用户预先设计好的动作，也可以是示教器根据用户给出运动关键节点自动生成的运动轨迹。示教器将所述运动轨迹通过控制传输协议发送至嵌入式系统。嵌入式系统接收到所述运动轨迹后，通过其内部固化好的程序对所述运动轨迹进行运动轨迹的分析和解析。

102：所所述嵌入式系统根据所述运动轨迹以及通过高速串行计算机扩展总线PCIe接收传感器测量的手爪末端物理信息生成控制指令。

在装配机器人的工作时，装配机器人手爪末端可以配置有相应的传感器，可以包括力传感器和位移传感器。用于采集装配机器人手爪末端的物理信息，这些物理信息可以用于故障的检测和控制指令的调整等。例如当检测到手爪末端的受力过大时，则说明受力传感器故障或装配机器人手爪末端和待装配零部件中的一部分发生了接触，可以及时地上报故障情况。或者利用物理信息完成一些精确装配任务，例如可以将零件中的某个螺丝通过固定扭力加固，既保证了装配的牢固，又可以防止扭力过大损坏零件。

本实施例中，嵌入式系统通过PCIe总线来接收传感器测量到的物理信息。PCIe总线是一种高速串行计算机扩展总线标准属于高速串行点对点双通道高带宽传输，所连接的设备分配独享通道带宽，不共享总线带宽，主要支持主动电源管理，错误报告，端对端的可靠性传输，热插拔以及服务质量等功能，被广泛地应用于存储设备、计算机硬件等方面。也就是说PCIe总线相较于现有的各种接口，具有更大的带宽范围，更大的数据传输频率。即数据传输过程具有更高的实时性。可以提高装配机器人控制信号传输的实时性。而且由于PCIe是点到点的传输方法，本实施例中可以采用总线的形式对所述手爪末端物理信息进行接收。

103：所述嵌入式系统通过CAN总线向多个电机驱动器发送控制信号。

在通过控制传输协议接收到示教器发送的运动轨迹后，本实施例中嵌入式系统可以将通过PCIE总线接收到传感器发送的手爪末端物理信息和运动轨迹一起输入至嵌入式系统本身存储的控制软件中。通过控制软件中的控制算法对运动轨迹和物理信息进行分析，得到最终的电机控制指令，并通过CAN总线将电机控制指令发送至多个电机驱动器。

CAN总线最早被应用于汽车工业领域，目前被广泛地应用到工业自动化的各个领域，属于现场总线的范畴，它是一种有效支持分布式控制或实时控制的串行通信网络。相较于现有自动化系统中通信网络中其他传输方式，CAN总线中网络各个节点之间的数据通信实时性很强，可根据总线访问优先权采用无损结构的逐位仲裁的方式竞争向总线发送数据，可使不同的节点同时接收到相同的数据。这些特点提高了CAN总线构成的网络各节点之间的数据通信的实时性，并且易于构成冗余结构，有助于进一步提高系统的可靠性和系统的灵活性。

本实施例利用了CAN总线的高实时性，使得嵌入式系统向电机驱动器发送的信号同样具有很高的实时性。可以使得嵌入式系统发送的控制指令以最快的速度被装配机器人中电机驱动器接收。

其次，本实施例中多个电机驱动器可以控制装配机器人在多个自由度上工作，可以实现复杂装配任务的完成，提升装配机器人的灵活性。

在一个实施例中，所述电机驱动器个数为7个，大于三维空间中自由度数，冗余的电机可以控制装配机器人在多个自由度上的运动使得让装配机器人的可以完成更加复杂的动作，进一步提升装配机器人的灵活性。

为了进一步明确本发明中嵌入式系统通过控制传输协议接收示教器发送的运动轨迹这一步骤，这里了结合图2进行进一步说明

201：示教器接收操作人员发送的动作指令。

在本实施例中，装配机器人的操作人员或开发人员可以先将装配机器人需要完成的动作以动作指令的形式发送到示教器中。其中所述动作指令可以是装配机器人待完成动作中的数个关键点，也可以是装配机器人待完成动作中全部经过的路径。

在现有技术中，装配机器人的动作程序是预先烧录至嵌入式系统中的，无法灵活的根据操作人员的指令来完成不同的动作，降低了装配机器人的灵活性。本发明中操作人员可以将待完成动作简化后，以其中的几个动作关键点的坐标值的形式发送给示教器，从而生成运动轨迹，完成装配机器人的控制。

202：示教器对动作指令进行解析和规划，得到所述运动轨迹

接收到动作指令后，示教器可以对动作指令进行解析，得到运动轨迹。在本实施例中，所述动作指令可以是运动轨迹中的某几个关键点，这些关键点可以表示装配机器人当前工作任务中必须经过的某些位置，也可以用于确定装配中的零件之间的一些关键尺寸。但是无论是表示什么，关键点都是离散的、单独的空间坐标，不能构成一个完成的、闭环的运动轨迹。仅仅输入这些关键点的坐标，装配机器人难以将其结合起来进行处理得到控制指令。

因此，本实施例中示教器可以根据这些关键点结合装配机器人的实际情况，通过路线规划等方式得到相应的运动轨迹。例如当有两个关键点时，示教器可以将所述装配机器人手爪末端的初始位置、终止位置(一般与初始位置重合)以及两个关键点按照时间关系用直线连接起来，得到相应的运动轨迹。或者当两个关键点之间有某个无法移动的零件时，可以根据当前零件的形状，规划出一条从零件边缘移动的运动轨迹。

总之，本实施例不对示教器对动作指令进行解析和规划的具体方法做限定，只是指出本实施例中示教器可以根据相对简单、离散动作指令得到完整、闭环的运动轨迹。

203：示教器通过Modbus-TCP协议将所述运动轨迹发送至所述嵌入式系统

在得到运动轨迹后，示教器可以通过Modbus-TCP协议将所述运动轨迹发送至嵌入式系统。Mdobus是一种标准的工业控制数据交换协议，其中的Modbus-TCP则是将每字节二进制数据转化为固定的两位十六进制字符串，以TCp码的形式进行数据传送。同时具有Modbus协议和TCP协议两种协议的优点，易于应用，数据传输容错率高、传输能力强。

本实施例中之所以选择Modbus-TCP协议对运动轨迹进行传输，是由于装备机器人本身的特点决定的。Modbus-TCP协议具有传输能力强、容错率高的特点，但是在传输的实时性方面相对不足。本实施例中示教器向嵌入式系统传输的运动轨迹是在装配机器人工作前完成的操作，此时装配机器人可以处于静止状态或在完成上一个命令。因此，装配机器人控制系统对运动轨迹传输的实时性要求不高，甚至可以等当前运动轨迹传输完成后再继续进行后续操作。而本实施例中的装配机器人属于高精密度装配机器人，可以完成一些高精度的装配任务。因此对于运动轨迹精度的要求极高，采用Modbus-TCP协议进行运动轨迹的传输可以保证大量数据准确无误地发送至嵌入式系统，因此，本实施例最大限度地利用了Modbus-TCP协议的优点，并将其带来的影响忽略不计。

在一个实施例中，所述传感器测量手爪末端物理信息包括：

通过数据采集控制系统接收三维动态位移测量仪得到的三维坐标；

通过数据采集卡接收六维力传感器得到的力和力矩；

本实施例中装配机器人手爪末端同时具有六维力传感器和三维动态位移测量仪，其中所述六维力传感器用于测量手爪末端受力及力矩情况，所述三维动态位移测量仪用于测量装配机器人手爪末端的三维位置坐标。嵌入式系统利用数据采集控制系统接收所述三维坐标，利用数据采集卡接收所述力和力矩。

为进一步说明各个系统之间信号传输的方法，图3提供了一种装配机器人信号流传输路径图，包括：

示教器301可以通过Modbus-TCP协议向嵌入式系统303发送运动轨迹。六维力传感器302-2可以通过PCIe总线向嵌入式系统发送手爪末端三个方向的合外力及合外力矩。三维动态位移测量仪302-1可以通过PCIe总线向嵌入式系统发送装配机器人手爪末端当前位置的三维坐标。嵌入式系统的内部软件对运动轨迹、六维力、三维坐标进行分析运算，得到电机的控制指令并通过CAN总线发送至电机驱动器304，控制电机的运动。

本实施例中采用了六维力传感器和三维动态位移测量仪对装配机器人手爪末端的物理信息进行测量，其中三维动态位移测量仪可以是NDI-optotrak步态体态分析系统。相较于现有装配机器人技术，不但采用了精度更高的传感器进行物理信息的测量，还可以测量三个方向的合外力矩，可以进一步提升装配的精度。

同时，本实施例中采用了PCIe总线接收手爪末端物理信息，可以支持更高的传输带宽和更高的总线频率，最大限度的降低物理信息的传输延迟。串行总线的结构可以同时接收多个通道的数据。并且因为每个通道中每个方向只有一个差分信号，并且由于时钟信息嵌入在串行信号本身中，所以没有外部时钟信号，串行信号的典型带宽限制在几千兆赫范围内。进一步降低了信号传输的延迟，提升了系统的实时性。

本实施例中的装配机器人是一种高精密度装配机器人，用于完成一些高精密度的装配任务。因此，本实施例中对于传感器精度的要求极高，采用了现有装配机器人不会采用的六维力传感器和三维动态位移测量仪以得到手爪末端物理信息最精确的测量结果。

但是提高装配机器人的精度不仅需要对传感器进行提升。因为装配机器人工作过程中实际上是在不断运动的，传感器测量得到的物理信息具有一定的时变性。因此，在嵌入式系统进行分析处理时就需要尽可能实时的物理信息提高装配精度。需要传感器和嵌入式系统之前的信号传输尽可能快速，提高系统的实时性。而PCIe总线具有高实时性和大带宽的特点，足以满足本实施例中手爪末端物理信息的传输要求。同时，在完成装配动作时，对于电机的控制也应尽可能的精确，这也要求嵌入式系统向电机驱动器发送控制指令的过程尽可能短，降低电机运动的时间延迟。而本发明中电机数量较多，因此采用实时性强且能同时满足多个信号发送的CAN总线进行控制指令的传输。

在本实施例中，嵌入式系统内部软件可以根据接收到的运动轨迹及物理信息进行计算，得到对应的电机控制指令，控制装配机器人中的多个电机相互配合完成装配动作。例如，当需要装配机器人完成某个螺丝的装配时，可以先根据螺丝的待装配任务生产一些关键动作点，示教器对其进行分析，得到相应的运动轨迹并通过Modbus-TCP协议发送给嵌入式系统。嵌入式系统根据运动轨迹和手爪末端物理信息(开始工作前物理信息可以为零)开始运动，并实时采集手爪末端物理信息。当三维动态位移测量仪回传的手爪末端三维位置坐标和装配运动轨迹中的某个关键位置重合时，控制手爪抓取螺丝并移动到下一个关键位置。当再次检测到当前位置坐标和运动轨迹中的某个位置重合时，开始进行螺丝的装配。当检测到六维力传感器回传的手爪末端扭力力矩达到装配标准扭力力矩时，控制装配机器人停止装配，返回初始位置。

在一个实施例中，所述嵌入式系统可通过485串口与位于生产线上的可编程逻辑器件连接，接收装配指令。

本实施例中的装配机器人可以应用于工厂流水线及类似领域，可快速、准确地完成各种装配任务。在实际应用时，流水线上的零件是分离的，需要流水线上的控制系统向装配机器人发送装配指令，装配机器人根据预设的运动轨迹等进行装配。

在一个实施例中，，所述嵌入式系统通过CAN总线向多个电机驱动器发送控制指令包括：

所述嵌入式系统根据所述手爪末端物理信息和所述运动轨迹计算手爪移动所需位移。

所述嵌入式系统将所述位移转码为多个电机对应的控制指令。

所述嵌入式系统通过CAN总线向所述电机发送所述控制指令。

在一个实施例中，所述嵌入式系统为工业级嵌入式PC，其CPU具体型号为IntelCore i7 3610系列CPU。

图4为本发明一实施例提供的装配机器人各个模块连接示意图，包括：

控制传输协议收发模块401：用于示教器和嵌入式系统之间收发信号。

PCIe总线模块402：用于传感器和嵌入式系统之间收发信号.

CAN总线模块403：用于电机驱动器和嵌入式系统之间收发信号。

软件模块404：用于接收所述运动轨迹和手爪末端物理信息并生成电机驱动信号。

在一个实施例中，所述PCIe总线模块可以括：

位置采集模块：用于接收三维动态位移测量仪发送的手爪末端三维坐标值。

PCI采集卡模块：用于接收六维力传感器发送的手爪末端接触力和力矩。

PCIe传输模块：用于将所述位置采集模块和所述PCI采集卡模块接收的所述手爪末端物理信息发送至嵌入式系统。

在一个实施例中，所述装置进一步包括485串口模块，用于可编程逻辑器件向嵌入式系统发送装配指令信号。

通过以上的实施方式的描述可知，本领域的技术人员可以清楚地了解到上述实施例方法中的全部或部分步骤可借助软件加通用硬件平台的方式来实现。基于这样的理解，本申请的技术方案可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在存储介质中，如只读存储器(英文：read-only memory，ROM)/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者诸如路由器等网络通信设备)执行本申请各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于装置实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所描述的设备及系统实施例仅仅是示意性的，其中第一用户和第二用户可以是或者也可以不是物理上分开的，作为初始任务模板的部件可以是或者也可以不是代码模板。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。以上所述仅是本申请示例性的实施方式，并非用于限定本申请的保护范围。

Claims (10)

1.一种装配机器人运动控制方法，其特征在于，所述方法包括：

嵌入式系统通过控制传输协议接收示教器发送的运动轨迹；其中，所述运动轨迹是装配机器人手爪末端的运动轨迹；

所述嵌入式系统根据所述运动轨迹以及通过高速串行计算机扩展总线PCIe接收传感器测量的手爪末端物理信息生成控制指令；

所述嵌入式系统通过CAN总线向多个电机驱动器发送所述控制指令。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述示教器发送运动轨迹包括：

所述示教器接收动作指令；

所述示教器对动作指令进行解析和规划，得到所述运动轨迹；

所述示教器通过Modbus-TCP协议将所述运动轨迹发送至所述嵌入式系统。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述传感器测量的手爪末端物理信息包括：

三维动态位移测量仪得到的三维坐标；

六维力传感器得到的力和力矩。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述嵌入式系统根据运动轨迹以及手爪末端物理信息生成控制指令包括：

所述嵌入式系统根据所述手爪末端物理信息和所述运动轨迹计算手爪移动所需位移；

所述嵌入式系统将所述位移转码为多个电机对应的控制指令。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括：

所述嵌入式系统通过485串口与位于生产线上的可编程逻辑器件连接，接收装配指令。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述嵌入式系统为工业级嵌入式PC。

7.一种装配机器人运动控制装置，其特征在于，所述装置包括：

控制传输协议收发模块，用于示教器和嵌入式系统之间收发信号；

PCIe总线模块，用于传感器和嵌入式系统之间收发信号；

CAN总线模块，用于电机驱动器和嵌入式系统之间收发信号；

数据处理模块，用于接收所述运动轨迹和手爪末端物理信息并生成电机驱动信号。

8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，控制传输协议收发模块为：

采用Modbus-TCP协议的以太网通信模块。

9.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述PCIe总线模块包括：

位置采集模块，用于接收三维动态位移测量仪发送的手爪末端三维坐标值；

PCI采集卡模块，用于接收六维力传感器发送的手爪末端接触力和力矩；

PCIe传输模块，用于将所述位置采集模块和所述PCI采集卡模块接收的所述手爪末端物理信息发送至嵌入式系统。

10.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述装置进一步包括485串口模块，用于可编程逻辑器件向嵌入式系统发送装配指令信号。