一種內置控制器的機器人的製作方法

2023-07-25 22:49:51

本發明涉及機器人領域，具體涉及一種內置控制器的機器人。

背景技術：

目前機器人在工業生產中的應用越來越廣泛，其中輕便型機器人和協作型機器人由於靈活的工作方式和較低的安裝環境要求，得到越來越多的應用，這些機器人通常需要工作於較為狹窄空間內或是需要固定於移動平臺上。

但是，傳統設計的機器人都需要一個用於負責機器人供電和控制的電控櫃才可以正常工作。過大的電控櫃既不方便機器人的運輸與固定，也降低了機器人在狹小空間內工作的適用性。

由其是在移動平臺的使用上，由於過大的電控櫃無法固定於移動平臺或移動機器人上，使得機器人在移動平臺或與移動機器人協同工作的領域受到嚴重限制。

技術實現要素：

本發明要解決的技術問題在於，針對現有技術的上述缺陷，提供一種內置控制器的機器人，提高機器人的便攜性和對狹小工作環境適應性。

本發明解決其技術問題所採用的技術方案是：提供一種內置控制器的機器人，該機器人包括機器人本體，該機器人還包括若干驅動機器人本體運動的驅動器，以及設置在機器人本體內部的內置控制器，該內置控制器分別與各驅動器通信連接並通過驅動器控制機器人本體運動，該內置控制器包括一實時作業系統，該實時作業系統包括運動控制單元和用戶接口單元；其中，

該用戶接口單元獲取外部的控制信號，以及通過內置控制器獲取各驅動器的反饋信息，該用戶接口單元將獲得的信息發送到運動控制單元中；

該運動控制單元通過控制信號或/和反饋信息，獲得機器人下一步動作，分解成對應的控制命令，並通過內置控制器發送到各驅動器中。

其中，較佳方案是：該實時作業系統包括一通信單元，該通信單元與運動控制單元進行數據交換，該內置控制器通過通信單元與各驅動器進行通信連接。

其中，較佳方案是：該機器人包括設置在內置控制器中的EtherCAT主站模塊，以及分別設置在各驅動器中的EtherCAT從站模塊，該EtherCAT主站模塊與通信單元進行數據交換，以及與各EtherCAT從站模塊進行數據交換。

其中，較佳方案是：該運動控制單元與用戶接口單元之間通過共享內存的方式連接，該運動控制單元與通信單元之間通過共享內存的方式連接。

其中，較佳方案是：該內置控制器包括若干通訊接口，並通過通訊接口分別與外部器件、驅動器、人機互動器件進行通訊連接，該實時作業系統包括若干驅動對應通訊接口工作的驅動程序。

其中，較佳方案是：該運動控制單元包括示教模塊，該示教模塊在機器人本體進入示教功能後，控制其保持當前姿態，所述的姿態通過外力進行改變，並在外力撤銷後，該示教模塊控制機器人本體保持外力撤銷時的姿態。

其中，較佳方案是：該運動控制單元包括碰撞檢測模塊，該碰撞檢測模塊包括一力量預設範圍，該碰撞檢測模塊檢測到機器人本體在運動過程中產生碰撞，且碰撞的力量超過力量預設範圍，發出預警信息。

其中，較佳方案是：該用戶接口單元包括若干控制信號輸出端，該控制信號輸出端為觸控屏幕、按鈕、菜單、輸入框或腳本語言，該控制信號輸出端產生控制信號並發送到運動控制單元中，該運動控制單元將腳本語言轉化為對應的控制命令，該機器人本體根據控制命令改變機器人的姿態、朝向以及工作狀態。

其中，較佳方案是：該用戶接口單元包括一腳本語言模塊，該腳本語言模塊發送腳本語言到運動控制單元中，該運動控制單元將腳本語言轉化為對應的控制命令，該機器人本體根據控制命令改變機器人的姿態、朝向以及工作狀態。

其中，較佳方案是：該機器人本體包括支撐座、機械臂和關節，該關節設置在機械臂之間，該驅動器為關節驅動器，該關節通過關節驅動器進行驅動，並帶動機械臂的運動；該內置控制器與關節驅動器連接，並設置在支撐座、機械臂或關節的內部。

本發明的有益效果在於，與現有技術相比，本發明通過設計一種內置控制器的機器人，將用於控制機器人運動和工作的主要控制器件置於機器人本體內，解決機器人應用中，控制器體積過大、生產成本高的問題，尤其對於輕便型和協作型機器人，解決其對於狹小空間或移動平臺適應性差的問題。

附圖說明

下面將結合附圖及實施例對本發明作進一步說明，附圖中：

圖1是本發明內置控制器機器人的結構框圖；

圖2是本發明實時作業系統的結構框圖；

圖3是本發明實時作業系統的具體結構框圖；

圖4是本發明運動控制單元的結構框圖；

圖5是本發明用戶接口單元的結構框圖；

圖6是本發明內置控制器的硬體結構框圖；

圖7是本發明內置控制器機器人的結構示意圖；

圖8是本發明內置控制器機器人的最小系統的結構示意圖。

具體實施方式

現結合附圖，對本發明的較佳實施例作詳細說明。

在本發明中，內置控制器式機器人是指將用於控制機器人運動和工作的主要控制器件置於機器人本體內部，解決機器人應用中，控制器體積過大、生產成本高的問題，尤其對於輕便型和協作型機器人，解決其對於狹小空間或移動平臺適應性差的問題。

如圖1和圖2所示，本發明提供內置控制器的機器人的優選實施例。

一種內置控制器2的機器人，該機器人包括機器人本體、若干驅動機器人本體運動的驅動器11，以及設置在機器人本體內部的內置控制器2，該內置控制器2分別與各驅動器11通信連接並通過驅動器11控制機器人本體運動，該內置控制器2包括一實時作業系統20，該實時作業系統20包括運動控制單元21和用戶接口單元22。

具體描述如下：該用戶接口單元22獲取外部的控制信號，以及通過內置控制器2獲取各驅動器11的反饋信息，該用戶接口單元22將獲得的信息發送到運動控制單元21中；該運動控制單元21通過控制信號或/和反饋信息，獲得機器人下一步動作，分解成對應的控制命令，並通過內置控制器2發送到各驅動器11中。進一步地，該運動控制單元21將控制信號和反饋信息結合，獲得機器人下一步動作。

其中，實時作業系統20以內置控制器2為硬體基礎，擁有工業級實時運算處理能力，同時，包含機器人的所有物理埠的驅動程序，以及一些特殊的埠的驅動程序。進一步地，實時作業系統20通過獨特的實時控制算法，使實時作業系統20的響應時間能滿足工業級實時系統的要求。

進一步地，驅動機器人本體運動的驅動器11也是設置在機器人內部，實現全面內置，提高內置機器人的便攜程度。

如圖3所示，本發明提供實時作業系統的較佳實施例。

實時作業系統20包括一通信單元23，該通信單元23與運動控制單元21進行數據交換，該內置控制器2通過通信單元23與各驅動器11進行通信連接。

進一步地，機器人包括設置在內置控制器2中的EtherCAT主站模塊24，以及分別設置在各驅動器11中的EtherCAT從站模塊111，該EtherCAT主站模塊24與通信單元23進行數據交換，以及與各EtherCAT從站模塊111進行數據交換。具體地，EtherCAT主站模塊24通過EtherCAT工業現場總線下發至相應的EtherCAT從站模塊111中。

在本實施例中，還提供一種共享內存的連接方案。

運動控制單元21與用戶接口單元22之間通過共享內存的方式連接，以及，該運動控制單元21與通信單元23之間通過共享內存的方式連接。具體地，存在一共享內存模塊24，共享內存模塊24分別設置在運動控制單元21與用戶接口單元22之間，以及設置在運動控制單元21與通信單元23之間，保證數據在各功能單元間穩定高效的數據流通。其中，共享內存是一種高效的進程間通信方式，進程可以直接讀寫內存，而不需要任何數據的拷貝。為了在多個進程間交換信息，內核專門留出了一塊內存區，可以由需要訪問的進程將其映射到自己的私有地址空間。進程就可以直接讀寫這一塊內存而不需要進行數據的拷貝，從而大大提高效率。

如圖4所示，本發明提供運動控制單元的較佳實施例。

運動控制單元21負責控制機器人的啟動觸發條件、停止觸發條件，以及從起始點到終點的整條空間軌跡的規劃和插補，以及機器人運動學的相關運算，同時包含安全設置和示教功能。

具體地，運動控制單元21包括示教模塊211，該示教模塊211在機器人本體進入示教功能後，控制其保持當前姿態，所述的姿態通過外力進行改變，並在外力撤銷後，該示教模塊211控制機器人本體保持外力撤銷時的姿態。進一步地，機器人本體姿態不能被重力改變其姿態。以及，運動控制單元21包括碰撞檢測模塊212，該碰撞檢測模塊212包括一力量預設範圍，該碰撞檢測模塊212檢測到機器人本體在運動過程中產生碰撞，且碰撞的力量超過力量預設範圍，發出預警信息。

在本實施例中，運動控制單元21接受用戶指令或腳本指令，轉化成軌跡或控制命令，並實時運算運動學方程，將其轉化成實際關節32運動數據傳送給EtherCAT主站模塊24。以及，運動控制單元21通過獨特設計的共享內存技術與EtherCAT主站通訊，實時傳輸路徑信息至各驅動器11中。

如圖5所示，本發明提供用戶接口單元的較佳實施例。

用戶接口單元22是人機互動的一個窗口，通過用戶接口單元22提供的按鈕222和腳本語言225，用戶可任意改變機器人的姿態、朝向以及工作狀態，同時顯示機器人當前的狀態信息和警告信息。

具體地，用戶接口單元22包括若干控制信號輸出端，該控制信號輸出端為觸控屏幕221、按鈕222、菜單223、輸入框224或腳本語言225，該控制信號輸出端產生控制信號並發送到運動控制單元21中，該運動控制單元21將腳本語言225轉化為對應的控制命令，該機器人本體根據控制命令改變機器人的姿態、朝向以及工作狀態。以及，用戶接口單元22包括一腳本語言225模塊，該腳本語言225模塊發送腳本語言225到運動控制單元21中，該運動控制單元21將腳本語言225轉化為對應的控制命令，該機器人本體根據控制命令改變機器人的姿態、朝向以及工作狀態。

在本實施例種，用戶接口單元22還提供一個用於顯示當前機器人姿態和朝向的3D模型，便於用戶更好了解機器人的姿態。

如圖6所示，本發明提供內置控制器的較佳實施例。

該內置控制器2包括若干通訊接口，並通過通訊接口分別與外部器件、驅動器11、人機互動器件進行通訊連接，該實時作業系統20包括若干驅動對應通訊接口工作的驅動程序。

具體地，內置控制器2的硬體主要包括SOC主控晶片、各種外設接口晶片、存儲設備以及電源模塊。內置控制器2包含了用於通信的RS232接口、用於特殊控制的USB接口、用於顯示的VGA接口、用於存儲數據的FLASH晶片、DDR晶片，以及為EtherCAT通信專門設計的高速乙太網接口。同時，內置控制器2使用高複雜度的硬體設計，儘可能壓縮控制器電路板尺寸。

如圖7和圖8所示，本發明提供機器人本體的較佳實施例。

該機器人本體包括支撐座33、機械臂31和關節32，該關節32設置在機械臂31之間，該驅動器11為關節驅動器，該關節32通過關節驅動器進行驅動，並帶動機械臂31的運動；該內置控制器2與關節驅動器連接，並設置在支撐座33、機械臂31或關節32的內部。

具體地，機器人本體包括三大部分，第一部分包括支撐座33、機械臂31、關節32和線纜，支撐座33將機器人本體固定支持，機械臂31與關節32連接並通過線纜進行通信，通過關節驅動器對關節32進行控制，從而控制機械臂31的運動；第二部分包括一電控櫃34，由於內置控制器2設置在機器人本體內，電控櫃34隻要集成I/O接口以及電源即可，使電控櫃34小型化，同時參考圖8，其為內置控制器2機器人的最小系統總成圖，只需要外界電源36(優選為48V)內置控制器2機器人就可完成用戶預設軌跡或預設腳本的任務；第三部分包括一顯示器35或示教器，或者顯示器35與示教器一體式設計，通過顯示器35查看內置控制器2機器人的信息，或者輸入相關控制信號，以及示教器用於進行示教。

在本發明中，首先設計一個可以滿足任務需求的硬體平臺，即內置控制器2，使其有足夠的性能支撐所有的上層任務，並為其配備必要的外設資源，如通訊埠；其次，在硬體平臺上安裝工業級處理運算能力的實時作業系統20，完成相關運動任務，並通過共享內存技術使其與內部的功能單元通信；最後，加入EtherCAT實時主站模塊，並獲取及下發控制指令至EtherCAT總線，達到控制機器人正常運行的效果。

在本發明中，提供機器人的控制方法，具體描述如下：

用戶接口單元22主要通過內置控制器2的顯示接口顯示機器人的相關信息，通過內置控制器2的觸控接口獲取用戶輸入的命令或編寫的腳本。其中，顯示機器人的相關信息主要包括一個可以描述機器人當前姿態的3D模型，以及機器人當前位置、溫度、電流、電壓、力矩和工作狀態等信息的面板。獲取用戶輸入命令的方式主要是：通過獲取觸控按鈕222信息、獲取機器人運動方向標的信息、自定義編程的腳本文件。

運動控制單元21主要將用戶輸入信息與機器人各部件的反饋信息相結合，運算得出機器人下一步的動作，並分解成相關命令分發給各個部件或關節驅動器；同時其包含了零力示教及碰撞檢測的功能。

通信單元23主要是指獲取機器人控制系統的命令，將其轉化為EtherCAT總線專有格式的數據，並實時下發至各EtherCAT從站部件，其通訊周期保證在1ms以內。

進一步地，每一個機器人的工作流程，都由用戶接口單元22發起，該用戶接口單元22通過獲取用戶觸控數據或讀取用戶預設腳本文件，獲得機器人下一步工作所需相關信息，並將其傳遞給機器人的運動控制單元21，運動控制單元21通過一系列運算和控制邏輯，將其轉化為機器人各個部件(如關節驅動器)可執行的命令，然後通過EtherCAT主站下發至各個EtherCAT從站，及機器人各個執行部件。與此同時，機器人各個部件也會通過EtherCAT總線將其執行信息及結果反饋給EhterCAT主站，主站實時獲取並傳輸信息至機器人控制系統，一部分信息被用於控制運動控制單元21的反饋信號，另一部分信息則被繼續向上層系統傳輸至用戶接口單元22，並最終通過顯示接口呈現給用戶。

以上所述者，僅為本發明最佳實施例而已，並非用於限制本發明的範圍，凡依本發明申請專利範圍所作的等效變化或修飾，皆為本發明所涵蓋。