機器人電控系統的控制方法與流程

2023-06-28 19:21:26 1

本發明涉及一種機器人電控系統的控制方法，屬於智能機械設備領域。

背景技術：

隨著電子、食品、醫藥等領域產品對生產效率和質量要求的不斷提高，也就對產品生產線上的自動化傳輸設備提出了更高的要求。隨著微電子和計算機技術的發展，機器人漸漸成為了自動化傳輸設備的一種重要形式，它能代替人工在不同生產線間對產品高速、平穩、潔淨的拾取和分級設置，不僅可操作性強，而且工作效率較高。

但，目前大多數的機器人都採用中央式控制方式，具體而言，即每個電機都通過10根左右的導線連接到機器人體外的電氣控制櫃中，由電氣控制櫃中的中央控制器（一般為工控PC機加上運動控制卡以及4個功率電機驅動器）產生相應的大電流對機器人本體上的電機進行驅動控制。因此，控制系統複雜而龐大，電氣控制櫃的體積通常與機器人本體體積相當或者甚至更大。

同時，每家廠商由於採用的工控機以及控制方式不盡相同，因此，每個工控機都配備自有的控制面板和程式語言，這對用戶和中間的系統集成商來說，對不同廠家的機器人都需要學習掌握不同的控制界面和編程控制語言，這無疑增加了使用和學習上的複雜性和困難。

有鑑於此，有必要對現有機器人的控制方式予以改進，以解決上述問題。

技術實現要素：

本發明的目的在於提供一種機器人電控系統的控制方法，該控制方法簡單、易操作，任何稍有軟體使用知識的人員都可編程控制使用機器人。

為實現上述發明目的，本發明提供了一種機器人電控系統的控制方法，該機器人包括執行機構和驅動所述執行機構動作的驅動模組，所述驅動模組設置有至少兩個且串行連接，所述控制方法主要包括以下步驟：

S1、用戶接口控制器接收用戶指令；

S2、用戶接口控制器根據接收到的用戶指令將預先保存的運行程序分段分別發給各驅動模組；

S3、各驅動模組按照運行程序中的時序依次執行各自的運行程序；

S4、用戶接口控制器檢測是否有剩餘段運行程序待執行，若是，則進入步驟S2，若否，則結束。

作為本發明的進一步改進，所述步驟S2具體為：用戶接口控制器根據接收到的用戶指令將預先保存的運行程序分段分別發給各驅動模組，同時用戶接口控制器還提供時間校準信號給各驅動模組。

作為本發明的進一步改進，所述電控系統為分布式控制系統，各驅動模組及用戶接口控制器之間通過4根導線串行連接，且該4根導線包括2根電源線和2根差分通訊總線。

作為本發明的進一步改進，所述步驟S2具體為：用戶接口控制器根據接收到的用戶指令將預先保存的運行程序通過差分通訊總線分段分別發給各驅動模組，同時用戶接口控制器還通過差分通訊總線提供時間校準信號給各驅動模組。

作為本發明的進一步改進，所述用戶指令通過數字輸入/輸出的觸發方式輸送至用戶接口控制器。

作為本發明的進一步改進，所述用戶接口控制器電性連接機器人與用戶個人終端，且用戶接口控制器與用戶個人終端之間呈有線或無線連接。

作為本發明的進一步改進，所述用戶接口控制器呈嵌入式安裝在機器人內。

作為本發明的進一步改進，所述機器人為Delta並聯機器人，所述驅動模組設置有四個，分別為三個用於驅動Delta並聯機器人在三維方向平動的第一驅動模組和一個用於驅動Delta並聯機器人一維旋轉的第二驅動模組。

作為本發明的進一步改進，所述步驟S2具體為：用戶接口控制器根據接收到的用戶指令將預先保存的運行程序分段並分別發給各第一驅動模組和第二驅動模組。

作為本發明的進一步改進，所述機器人為SCARA型機器人。

本發明的有益效果是：本發明的機器人電控系統的控制方法利用用戶接口控制器將預先調試好的運行程序下載並保存，待用戶執行指令發出後，用戶接口控制器即可將運行程序分段分別發送給對應的驅動模組，實現各驅動模組的順序執行，操作簡單且任何稍有軟體使用知識的人員都可編程控制使用機器人，具有低成本、易維護、易使用等優點。

附圖說明

圖1是本發明一具體實施方式Delta並聯機器人的立體結構示意圖。

圖2是圖1所示Delta並聯機器人的分解示意圖。

圖3是圖1所示Delta並聯機器人的剖面示意圖。

圖4是圖1所示Delta並聯機器人的電控系統結構示意圖。

圖5是圖4所示電控系統的控制方法流程圖。

圖中：Ⅰ-固定平臺 Ⅱ-執行機構 Ⅲ-運動平臺 1-基座固定板 2-基座固定筒 4-第二驅動模組 5-三葉板 6-第二護罩 7-第一驅動模組 8-第一護罩 9-風扇 10-主動臂 11-關節軸承 12-拉杆 13-中軸管 14-滾珠花鍵 15-萬向節 16-軸箍 17-拉杆支架 18-工具固定板 19-安裝座 20-工件抓取工具 21-用戶接口控制器 22-蓋板 24-用戶個人終端 25-從動臂 26-內支撐柱 27-轉動軸 28-軸承壓板 51-葉片 52-通孔 53-第一螺紋孔 54-第二螺紋孔 55-凹槽。

具體實施方式

為了使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚，下面結合附圖和具體實施例對本發明進行詳細描述。

本發明所揭示的控制方法主要應用於機器人的電控系統，且主要應用在Delta並聯機器人和SCARA型機器人的電控系統上。以下說明書部分將以Delta並聯機器人為例，對本發明的控制方法進行詳細說明，但不應以此為限。

請參閱圖1至圖3所示，所述Delta並聯機器人具有三維平動和一維轉動四個自由度，能夠實現對輕小物料的快速分揀、封裝、插裝等操作，具有結構緊湊、整體性好、剛性強、運行穩定、低成本等優點。

所述Delta並聯機器人包括：固定平臺Ⅰ、運動平臺Ⅲ、連接所述固定平臺Ⅰ與運動平臺Ⅲ的執行機構Ⅱ及驅動所述執行機構Ⅱ運動的驅動模組。所述驅動模組設置有四個，分別為三個用於驅動所述執行機構Ⅱ動作以帶動所述運動平臺Ⅲ在三維方向平動的第一驅動模組7和一個用以帶動所述運動平臺Ⅲ一維旋轉的第二驅動模組4。所述執行機構Ⅱ包括主動臂10和從動臂25，且所述主動臂10的一端與所述第一驅動模組7的輸出軸相連、另一端與所述從動臂25的上端相連，所述從動臂25的下端與所述運動平臺Ⅲ相連。所述執行機構Ⅱ還包括位於所述固定平臺Ⅰ與所述運動平臺Ⅲ之間並帶動所述運動平臺Ⅲ一維旋轉的中軸。

所述固定平臺Ⅰ包括基座固定板1、固定安裝所述第一驅動模組7的三葉板5及位於所述基座固定板1與三葉板5之間的基座固定筒2。所述Delta並聯機器人還包括用於控制所述第一驅動模組7和第二驅動模組4工作的電控系統，所述電控系統包括用戶接口控制器21和電氣通訊面板（未圖示）。所述用戶接口控制器21負責協調流程和用戶界面，所述電氣通訊面板上集成了網口、輸入I/O接口、輸出I/O接口、藍牙模塊、電源接口等，以與用戶個人終端24進行有線或無線連接。

本實施例中，所述第二驅動模組4、用戶接口控制器21和電氣通訊面板均收容在所述基座固定筒2內，且用戶接口控制器21呈嵌入式收容在所述基座固定筒2內。這樣的設計目的是：一方面便於用戶接口控制器21同時對第一驅動模組7和第二驅動模組4實施控制，減少路線排布，結構緊湊；另一方面，便於所述第二驅動模組4驅動所述中軸，從而帶動所述運動平臺Ⅲ一維旋轉。

所述基座固定筒2安裝在所述基座固定板1的下方，並位於基座固定板1與三葉板5之間。所述基座固定筒2的上下兩端各開設有6個螺紋孔，以供螺釘穿過螺紋孔將基座固定筒2分別與所述基座固定板1和三葉板5相固定連接。所述基座固定筒2的側邊開設有矩形的開口（未圖示），以供安裝所述電氣通訊面板。

所述主動臂10、從動臂25及第一驅動模組7分別設置有三個，且前述三個主動臂10、從動臂25及第一驅動模組7對應組成三個執行機構組，每個執行機構組圍繞所述固定平臺Ⅰ和運動平臺Ⅲ的周向彼此相隔120度均勻分布。所述三葉板5具有均勻分布的三個葉片51，三個所述第一驅動模組7分別固定安裝在所述三葉板5的三個葉片51的下方，每個所述第一驅動模組7的遠離所述主動臂10的一側設置有風扇9，以在第一驅動模組7工作時對第一驅動模組7進行散熱，所述風扇9與所述第一驅動模組7的外側罩設有第一護罩8。

所述第二驅動模組4的外側罩設有第二護罩6，且該第二護罩6與所述三葉板5相固定連接。所述三葉板5的中心位置處開設有一個圓形的通孔52，該通孔52用於放置第二驅動模組4。在所述通孔52的外圍一圈設置有沿圓形軌跡分布的6個第一螺紋孔53，以供螺釘穿過該6個第一螺紋孔53將第二護罩6與三葉板5固定連接。在前述6個第一螺紋孔53的外側一定距離處，還設置有沿圓形軌跡分布的6個第二螺紋孔54，以供螺釘穿過該6個第二螺紋孔54將基座固定筒2與三葉板5固定連接。所述三葉板5的三個葉片51上均設置有自通孔52朝向葉片51外側延伸的凹槽55，該凹槽55用於放置第一驅動模組7的電線。

所述中軸包括內部中空設置的中軸管13和與所述中軸管13相連且一端收容在所述中軸管13內的滾珠花鍵14。所述中軸管13由碳纖維材料製成，且所述中軸管13的上端設置有軸箍16、下端與所述運動平臺Ⅲ通過萬向節15相連；所述滾珠花鍵14的下端通過所述軸箍16收容在所述中軸管13內、上端與所述第二驅動模組4通過萬向節15相連。所述中軸管13下端的萬向節15與所述滾珠花鍵14上端的萬向節15可保證所述中軸在Delta並聯機器人運動範圍內實現軸向伸縮和徑向旋轉功能，且利用碳纖維材料製作中軸管13，可使得中軸管13軸向強度和模量提高，從而增加了操作中的精度和效率。

由於所述中軸管13與所述滾珠花鍵14相組合之後可實現軸向伸縮和徑向旋轉，因而，所述三葉板5的中心點與運動平臺Ⅲ中心點之間的距離設置為700mm~1050mm；當然，該距離也可根據Delta並聯機器人的實際尺寸作相應調整，於此不予限制。另外，所述中軸管13的軸心線到三個所述從動臂25的中心線的距離相等，以此保證Delta並聯機器人能夠穩定的旋轉，提高穩定性。

所述驅動模組由減速機、步進電機、編碼器、模塊化含驅動運動控制器組成，其內包含所有運動控制和步進伺服精準運行所必需的硬體和軟體，可接受並儲存用戶編程。該種高性能的模塊化含驅動運動控制器可以自主執行運動軌跡規劃控制並能夠產生足夠的電流驅動步進電機達到3000轉每分鐘以上速度。當然，在其他實施例中，該步進電機也可由其它類型的電機替代，不失其通用性。

所述主動臂10與所述第一驅動模組7的減速機相連接，從而第一驅動模組7的動力輸出可通過減速機傳送至所述主動臂10，繼而帶動所述主動臂10上下擺動。所述主動臂10呈環狀設置，且其寬度自所述第一驅動模組7的輸出軸一側朝向從動臂25一側逐漸縮小，由此以減輕主動臂10的重量，繼而減少第一驅動模組7的負載。所述主動臂10的中空部位設置有兩個內支撐柱26，以增強主動臂10的剛性。所述主動臂10的靠近第一驅動模組7輸出軸的一側設置有蓋板22，而靠近從動臂25的一側設置有轉動軸27，且該轉動軸27的兩端向外突伸。

所述從動臂25包括相互平行設置的兩條拉杆12及設置在該兩條拉杆12兩端的關節軸承11，且每條拉杆12的其中一端的關節軸承11與所述主動臂10的轉動軸27相配合連接、另一端的關節軸承11與所述運動平臺Ⅲ相配合連接。本實施例中，三個所述主動臂10上自第一驅動模組7輸出軸的圓心到與主動臂10自由端相連的關節軸承11的圓心之間的距離相等，當然，該距離可根據實際需要進行調整。

所述運動平臺Ⅲ包括用於固定中軸管13底端的萬向節15的軸承壓板28、位於軸承壓板28的下方並與所述從動臂25下端的關節軸承11相連接以固定拉杆12的拉杆支架17、位於所述拉杆支架17的下方用以安裝工件抓取工具20的安裝座19及位於所述拉杆支架17與所述安裝座19之間以固定所述安裝座19的工具固定板18。所述軸承壓板28鑲嵌在所述拉杆支架17中，所述工件抓取工具20可以是吸盤、氣動抓手、電動抓手等抓取工具，也可以是點焊、點膠、切割等工具，以用來抓取或吸附輕小物體，具體來說，本實施例中，所述工件抓取工具20為吸盤。本實施例中，所述主動臂10的轉動軸27與所述從動臂25上端的關節軸承11轉動連接，所述從動臂25下端的關節軸承11與所述拉杆支架17固定連接，從而在第一驅動模組7驅動所述主動臂10上下擺動時，所述主動臂10可帶動所述從動臂25沿三維方向運動，進而帶動所述運動平臺Ⅲ沿三維方向平動。

在三個所述主動臂10均處於水平位置時，假設所述工件抓取工具20所處的水平面為基準面，在此基準面上以工件抓取工具20此時所在點為圓心，工件抓取工具20在該基準面上可走的離圓心最遠的距離作為半徑，那麼工件抓取工具20在該基準面上所形成的運動軌跡就是一個圓；而隨著中軸管13與滾珠花鍵14的軸向伸縮，工件抓取工具20在基準面上所形成的運動軌跡的直徑也會隨之減小，由此可見，Delta並聯機器人的運動平臺Ⅲ的運動軌跡大體呈漏鬥狀。

請參閱圖4所示，Delta並聯機器人的電控系統採用了分布式控制系統（DCS），該分布式控制系統將三個第一驅動模組7、一個第二驅動模組4及用戶接口控制器21之間通過4根導線串行連接，且該4根導線包括2根電源線和2根差分通訊總線，從而免去了傳統機器人的電氣控制櫃和控制面板，取代了傳統的直流伺服電機加中央控制器的方式，極大簡化了接線方式。差分通訊總線協議包括但不限於CAN總線、485總線、422總線等。

另外，用戶接口控制器21還可經由乙太網、WIFI或者藍牙等多種通訊方式與用戶個人終端24進行有線或無線連接，實現用戶個人終端24與Delta並聯機器人的電性連接；再者，除了可通過傳統的工控機進行編程控制，用戶還可在智能移動終端（如個人平板，手機等）上通過用戶接口控制器21直接對Delta並聯機器人進行編程或調試。

請參閱圖5所示，Delta並聯機器人的電控系統的控制方法，主要包括以下步驟：

用戶自行操作部分：

A、用戶使用安裝在用戶自有的個人終端24上的軟體或者雲端，通過用戶接口控制器21對Delta並聯機器人進行編程或調試；

B、編程或調試完成後，將執行機構Ⅱ的軌跡控制程序（即運行程序）預先下載到用戶接口控制器21內並保存；

C、Delta並聯機器人開始工作運行時，用戶發出指令至用戶接口控制器21。

並聯機器人自行控制部分：

S1、用戶接口控制器21接收用戶指令；

S2、用戶接口控制器21根據接收到的用戶指令將預先保存的運行程序（即軌跡控制程序）分段分別通過差分通訊總線發給各第一驅動模組7和第二驅動模組4；

S3、各第一驅動模組7和第二驅動模組4按照運行程序中的時序依次執行各自的運行程序；

S4、用戶接口控制器21檢測是否有剩餘段運行程序待執行，若是，則進入步驟S2，若否，則結束。

當然，該控制方法還可進一步包括步驟S5、用戶接口控制器21檢測所有段運行程序是否已全部執行完畢，若否，則進入步驟S2，若是，則結束。

需要說明的是：將預先保存的運行程序分段，是因為每個驅動模組內部的緩存是有限的，假定每個驅動模組內部只能存500行程序，那麼如果第一驅動模組7和/或第二驅動模組4的運行程序超過500行，則不可能將運行程序一次存入對應的緩存區內，故需要對該運行程序進行分段處理，以便將運行程序分次存入緩存區內。因此，在接到用戶指令後，用戶接口控制器21先將第一段運行程序分別發給各第一驅動模組7和第二驅動模組4（每個驅動模組各發490行，保持一定餘量），經過一段時間後，用戶接口控制器21再將第二段運行程序分別發給各第一驅動模組7和第二驅動模組4，如此循環直至所有段運行程序全部發送完畢。此處的「一段時間」是指執行490行運行程序所需要花費的大致時間。當然，分段的處理方法由具體的運行程序量來決定。

在上述步驟S2中，用戶接口控制器21同時還通過差分通訊總線提供時間校準信號給各第一驅動模組7和第二驅動模組4，以保證各第一驅動模組7和第二驅動模組4在執行各自的運行程序過程中是基於同一時間基準的。

本實施方式中，用戶指令通過數字輸入/輸出的觸發方式發送至用戶接口控制器21。

另外，三個第一驅動模組7、一個第二驅動模組4及用戶接口控制器21均具有標準的4接線埠，從而在維護和修理時僅需要插拔幾個相同的4線插頭、以及裝卸相應的固定螺絲，因此一個普通的機械修理人員足夠完成所有的安裝和維修。

相較於現有技術，本發明的機器人電控系統的控制方法，一方面，通過將三個第一驅動模組7、一個第二驅動模組4及用戶接口控制器21之間用4根導線串行連接，從而免去了傳統機器人的電氣控制櫃和控制面板，取代了傳統的直流伺服電機加中央控制器的方式，極大的簡化了接線方式，提高了可靠性；另一方面，可通過用戶接口控制器21在個人終端24的軟體編程和調試界面實現對機器人的編程或調試，使得任何稍有軟體使用知識的人員即可編程控制使用機器人，具有低成本、易維護、易使用等優點。

由於本發明的機器人的電氣接口和機械接口簡單，沒有電氣控制櫃，沒有工控PC機，沒有昂貴的運動控制卡，沒有分體式的大功率電機驅動器，沒有控制操作面板，主控制導線只有4根，因此成本降低了75%以上，結構緊湊，易於安裝維護，可操作性強。

以上實施例僅用以說明本發明的技術方案而非限制，儘管參照較佳實施例對本發明進行了詳細說明，本領域的普通技術人員應當理解，可以對本發明的技術方案進行修改或者等同替換，而不脫離本發明技術方案的精神和範圍。