用於教學機器人控制系統的信號傳輸裝置製造方法

2023-06-08 20:44:21

用於教學機器人控制系統的信號傳輸裝置製造方法
【專利摘要】針對教學機器人控制系統的信號傳輸裝置連線複雜易插錯的難題，本實用新型提供一種用於教學機器人控制系統的信號傳輸裝置，包括PC機、PCI總線、中央控制板和六個機器人關節控制單元，機器人關節控制單元均含有運動控制卡。其中，中央控制板為NPM公司生產的PPCI-L112型板卡，運動控制卡均為NPM公司的MNET-M381-TST。PC機通過PCI總線與中央控制板相連接，中央控制板和六個機器人關節控制單元中的運動控制卡依次串連在一起。通過本產品能夠將原先需要集中安插的一百多條信號線分散在六個機器人關節控制單元之間上，單個區域所需要連接的數據線成倍地減小，從而避免了插接錯誤的概率。
【專利說明】用於教學機器人控制系統的信號傳輸裝置
【技術領域】
[0001]本實用新型屬於信號傳輸【技術領域】，具體涉及用於教學機器人控制系統的信號傳輸裝置。
【背景技術】
[0002]作為控制系統設計和研究的理想平臺的教學機器人是一個多輸入多輸出的動力學複雜系統。但是，目前的教學機器人的控制系統基本採用PCI總線+DSP為主控制器的連接方式的，該連接方式的配線非常複雜——所有關節的伺服電機驅動器的I/O信號及電機都需要與教學機器人控制系統中的主控制器進行連接，配線複雜，電櫃體積大，笨重，造成教學機器人控制系統的可靠性降低，維修困難，並且價格昂貴，不利於教學機器人的普及與應用。以我校的教學機器人為例，見圖3，該教學機器人具有六個自由度，即含有六個關節，每個關節的配線條數超過20條，這樣一來插接在教學機器人主控制器上的數據線上百條，導致配線工作量很大且易因配線失誤插錯而危險性提高。此外，搭載六個自由度的教學機器人的主控制器也需要專門訂製，導致成本居高不下——接口越多，越難採購，且價格越聞。
[0003]為解決教學機器人控制系統的配線複雜、連線易插錯、價格高昂等問題，需要一種接線簡單的教學機器人控制系統，以滿足高等院校機器人學、機電一體化、控制工程基礎等相關專業進行教學演示的需要。
實用新型內容
[0004]本實用新型所要解決的技術問題是:提供一種結構簡單，連線少，可靠性高，價格低且適用於教學演示需要的用於教學機器人控制系統的信號傳輸裝置。
[0005]本實用新型解決上述技術問題採用的方案是:
[0006]用於教學機器人控制系統的信號傳輸裝置，包括PC機1、PCI總線2、中央控制板3和六個機器人關節控制單元，其中，PC機I通過PCI總線2與中央控制板3相連接；六個機器人關節控制單元依次記為第一機器人關節控制單元410、第二機器人關節控制單元420、第三機器人關節控制單元430、第四機器人關節控制單元440、第五機器人關節控制單元450和第六機器人關節控制單元460 ;每個機器人關節控制單元內均含有一個編碼器和一個IO信號接收器，六個編碼器依次為第一編碼器414、第二編碼器424、第三編碼器434、第四編碼器444、第五編碼器454和第六編碼器464，六個IO信號接收器依次為第一 IO信號接收器415、第二 IO信號接收器425、第三IO信號接收器435、第四IO信號接收器445、第五IO信號接收器455和第六IO信號接收器465 ;其中:中央控制板3為NPM公司生產的PPC1-Ll 12 型板卡。
[0007]第一機器人關節控制單元410內還設有第一運動控制卡411、第一伺服驅動器412和第一交流伺服電機413 ;其中，第一運動控制卡411分別與第一伺服驅動器412、第一 IO信號接收器415連接且雙向通訊，第一伺服驅動器412與第一交流伺服電機413連接且雙向通訊，第一編碼器414固定在第一交流伺服電機413上,第一編碼器414的輸出端與第一伺服驅動器412的輸入端相連接；第一運動控制卡411的通訊接口與中央控制板3的通訊接口連接並雙向通訊。
[0008]第二機器人關節控制單元420內還設有第二運動控制卡421、第二伺服驅動器422和第二交流伺服電機423 ;其中，第二運動控制卡421分別與第二伺服驅動器422、第二 IO信號接收器425連接且雙向通訊，第二伺服驅動器422與第二交流伺服電機423連接且雙向通訊，第二編碼器424固定在第二交流伺服電機423上，第二編碼器424的輸出端與第二伺服驅動器422的輸入端相連接；第二運動控制卡421與第一運動控制卡411相連接。
[0009]第三機器人關節控制單元430內還設有第三運動控制卡431、第三伺服驅動器432和第三交流伺服電機433 ;其中，第三運動控制卡431分別與第三伺服驅動器432、第三IO信號接收器435連接且雙向通訊，第三伺服驅動器432與第三交流伺服電機433連接且雙向通訊，第三編碼器434固定在第三交流伺服電機433上，第三編碼器434的輸出端與第三伺服驅動器432的輸入端相連接；第三運動控制卡431與第二運動控制卡421相連接。
[0010]第四機器人關節控制單元440內還設有第四運動控制卡441、第四伺服驅動器442和第四交流伺服電機443 ;其中，第四運動控制卡441分別與第四伺服驅動器442、第四IO信號接收器445連接且雙向通訊，第四伺服驅動器442與第四交流伺服電機443連接且雙向通訊，第四編碼器444固定在第四交流伺服電機443上，第四編碼器444的輸出端與第四伺服驅動器442的輸入端相連接；第四運動控制卡441與第三運動控制卡431相連接。
[0011]第五機器人關節控制單元450內還設有第五運動控制卡451、第五伺服驅動器452和第五交流伺服電機453 ;其中，第五運動控制卡451分別與第五伺服驅動器452、第五IO信號接收器455連接且雙向通訊，第五伺服驅動器452與第五交流伺服電機453連接且雙向通訊，第五編碼器454固定在第五交流伺服電機453上,第五編碼器454的輸出端與第五伺服驅動器452的輸入端相連接；第五運動控制卡451與第四運動控制卡441相連接。
[0012]第六機器人關節控制單元460內還設有第六運動控制卡461、第六伺服驅動器462和第六交流伺服電機463 ;其中，第六運動控制卡461分別與第六伺服驅動器462、第六IO信號接收器465連接且雙向通訊，第六伺服驅動器462與第六交流伺服電機463連接且雙向通訊，第六編碼器464固定在第六交流伺服電機463上，第六編碼器464的輸出端與第六伺服驅動器462的輸入端相連接；第六運動控制卡461與第五運動控制卡451相連接；
[0013]第一運動控制卡411、第二運動控制卡421、第三運動控制卡431、第四運動控制卡
441、第五運動控制卡451和第六運動控制卡461為NPM公司的MNET-M381-TST；
[0014]第一伺服驅動器412、第二伺服驅動器422、第三伺服驅動器432、第四伺服驅動器
442、第五伺服驅動器452和第六伺服驅動器462為臺灣東元AC伺服TSTA型驅動器；
[0015]第一交流伺服電機413、第二交流伺服電機423、第三交流伺服電機433、第四交流伺服電機443、第五交流伺服電機453和第六交流伺服電機463為臺灣東元AC伺服TSTA型伺服電機。
[0016]有益的技術效果
[0017]本產品的中央控制板3NPM公司生產的PPC1-L112型板卡與第一運動控制卡411、第二運動控制卡421、第三運動控制卡431、第四運動控制卡441、第五運動控制卡451和第六運動控制卡461NPM公司的MNET-M381-TST之間採用Motionnet的通訊方式，故可使用串接的方式連接，而避免傳統的並接情況下所有的連接線全部要集中於中央控制板3上，導致插口密集、插拔不便且容易插錯的問題——由於本產品插口分散，使得原先需要集中安插的一百多條信號線分散在六個機器人關節控制單元之間上，單個區域所需要連接的數據線成倍地減小，從而避免了插接錯誤的概率。此外，當部分插口在使用中壞損時，只要替換相應的板卡即可完成零時維護，替換的成本低，且不影響教學演示。
[0018]本產品的各個硬體模塊均為直接從市場上直接採購並逐個串連拼接而成，無需專用電路或額外的專用設計與定製，從而降低了採購與維護的成本。相比較傳統結構的主控制器的硬體一旦損壞就得徹底維修，本產品只需備用一套中央控制板和運動控制卡，就能滿足日常維護的需要，且費用低廉。
[0019]此外，本產品還具有如下優勢:
[0020]1.控制系統採用串行方式進行設計，適合長距離進行高速通訊，連接線路非常簡單方便，縮短了配線時間，節省了配線的空間，大幅度降低了成本；
[0021]2.機器人系統如果需要增加N個關節進行複雜控制演示，只要在此控制系統中增加N個運動控制卡，並直接順序連接在上一級板卡上，控制系統不需要改動太大，大大降低了後期的維護成本和升級需要，提高了系統的可擴展性；
[0022]3.這種控制系統如果某個板卡有錯誤或損壞，只需要將相應的板卡進行替換，通過插口插拔方式進行操作，簡單可靠，便於維護。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0023]下面結合附圖和實施例對本實用新型進一步說明。
[0024]圖1是本實用新型的連接示意圖。
[0025]圖2是圖1中伺服驅動器的驅動電源連接圖。
[0026]圖3是原有結構的連接示意圖。
[0027]圖中的序號為:PC機1、PCI總線2、中央控制板3、第一機器人關節控制單元410、第一運動控制卡411、第一伺服驅動器412和第一交流伺服電機413、第一編碼器414、第一IO信號接收器415、第二機器人關節控制單元420、第二運動控制卡421、第二伺服驅動器422和第二交流伺服電機423、第二編碼器424、第二 IO信號接收器425、第三機器人關節控制單元430、第三運動控制卡431、第三伺服驅動器432和第三交流伺服電機433、第三編碼器434、第三IO信號接收器435、第四機器人關節控制單元440、第四運動控制卡441、第四伺服驅動器442和第四交流伺服電機443、第四編碼器444、第四IO信號接收器445、第五機器人關節控制單元450、第五運動控制卡451、第五伺服驅動器452和第五交流伺服電機453、第五編碼器454、第五IO信號接收器455、第六機器人關節控制單元460、第六運動控制卡461、第六伺服驅動器462和第六交流伺服電機463、第六編碼器464、第六IO信號接收器465。
【具體實施方式】
[0028]參見圖1，用於教學機器人控制系統的的信號傳輸裝置，包括PC機1、PCI總線2、中央控制板3和六個機器人關節控制單元，其中，PC機I通過PCI總線2與中央控制板3相連接；六個機器人關節控制單元依次記為第一機器人關節控制單元410、第二機器人關節控制單元420、第三機器人關節控制單元430、第四機器人關節控制單元440、第五機器人關節控制單元450和第六機器人關節控制單元460 ;每個機器人關節控制單元內均含有一個編碼器和一個IO信號接收器，六個編碼器依次為第一編碼器414、第二編碼器424、第三編碼器434、第四編碼器444、第五編碼器454和第六編碼器464，六個IO信號接收器依次為第一 IO信號接收器415、第二 IO信號接收器425、第三IO信號接收器435、第四IO信號接收器445、第五IO信號接收器455和第六IO信號接收器465 ;其中:中央控制板3為NPM公司生產的PPC1-Ll 12型板卡。
[0029]第一機器人關節控制單元410內還設有第一運動控制卡411、第一伺服驅動器412和第一交流伺服電機413 ;其中，第一運動控制卡411分別與第一伺服驅動器412第一 IO信號接收器415連接且雙向通訊，第一伺服驅動器412與第一交流伺服電機413連接且雙向通訊，第一編碼器414固定在第一交流伺服電機413上,第一編碼器414的輸出端與第一伺服驅動器412的輸入端相連接；第一運動控制卡411的通訊接口與中央控制板3的通訊接口連接並雙向通訊。
[0030]第二機器人關節控制單元420內還設有第二運動控制卡421、第二伺服驅動器422和第二交流伺服電機423 ;其中，第二運動控制卡421分別與第二伺服驅動器422、第二 IO信號接收器425連接且雙向通訊，第二伺服驅動器422與第二交流伺服電機423連接且雙向通訊，第二編碼器424固定在第二交流伺服電機423上，第二編碼器424的輸出端與第二伺服驅動器422的輸入端相連接；第二運動控制卡421與第一運動控制卡411相連接。
[0031]第三機器人關節控制單元430內還設有第三運動控制卡431、第三伺服驅動器432和第三交流伺服電機433 ;其中，第三運動控制卡431分別與第三伺服驅動器432、第三IO信號接收器435連接且雙向通訊，第三伺服驅動器432與第三交流伺服電機433連接且雙向通訊，第三編碼器434固定在第三交流伺服電機433上，第三編碼器434的輸出端與第三伺服驅動器432的輸入端相連接；第三運動控制卡431與第二運動控制卡421相連接。
[0032]第四機器人關節控制單元440內還設有第四運動控制卡441、第四伺服驅動器442和第四交流伺服電機443 ;其中，第四運動控制卡441分別與第四伺服驅動器442、第四IO信號接收器445連接且雙向通訊，第四伺服驅動器442與第四交流伺服電機443連接且雙向通訊，第四編碼器444固定在第四交流伺服電機443上，第四編碼器444的輸出端與第四伺服驅動器442的輸入端相連接；第四運動控制卡441與第三運動控制卡431相連接。
[0033]第五機器人關節控制單元450內還設有第五運動控制卡451、第五伺服驅動器452和第五交流伺服電機453 ;其中，第五運動控制卡451分別與第五伺服驅動器452、第五IO信號接收器455連接且雙向通訊，第五伺服驅動器452與第五交流伺服電機453連接且雙向通訊，第五編碼器454固定在第五交流伺服電機453上,第五編碼器454的輸出端與第五伺服驅動器452的輸入端相連接；第五運動控制卡451與第四運動控制卡441相連接。
[0034]第六機器人關節控制單元460內還設有第六運動控制卡461、第六伺服驅動器462和第六交流伺服電機463 ;其中，第六運動控制卡461分別與第六伺服驅動器462、第六IO信號接收器465連接且雙向通訊，第六伺服驅動器462與第六交流伺服電機463連接且雙向通訊，第六編碼器464固定在第六交流伺服電機463上，第六編碼器464的輸出端與第六伺服驅動器462的輸入端相連接；第六運動控制卡461與第五運動控制卡451相連接；
[0035]第一運動控制卡411、第二運動控制卡421、第三運動控制卡431、第四運動控制卡441、第五運動控制卡451和第六運動控制卡461為NPM公司的MNET-M381-TST；
[0036]第一伺服驅動器412、第二伺服驅動器422、第三伺服驅動器432、第四伺服驅動器
442、第五伺服驅動器452和第六伺服驅動器462為臺灣東元AC伺服TSTA型驅動器；
[0037]第一交流伺服電機413、第二交流伺服電機423、第三交流伺服電機433、第四交流伺服電機443、第五交流伺服電機453和第六交流伺服電機463為臺灣東元AC伺服TSTA型伺服電機。
[0038]進一步地說，伺服驅動器選用臺灣東元AC伺服TSTA系列的驅動器，與外設連接如下:單相交流220V信號通過電源開關、噪聲濾波器NF、接觸器MC送入驅動器，對驅動器的控制迴路和主迴路進行供電。其中控制迴路接s、r埠，主迴路接三相R、S、T。P與PC 口外接放電電阻，驅動器通過三相U、V、W 口以及地電平FG 口與電機的U、V、W和地相連，從而驅動電機運轉。TSTA伺服驅動器的供電電路如圖2所示，三相220V交流電連接L1、L2、L3，L1、L2、L3接三相斷路器QFl的輸入端，QFl的額定電流選30A，QFl的輸出端接幹擾過濾器NF的輸入端，NF的額定電流選30A，NF的輸出端連接到三相交流接觸器KMl的主觸頭的輸入端和單相斷路器QF2的輸入端，KMl的額定電流選30A，QF2的額定電流選2A，指示燈LI連接到KMl主觸頭的輸入端的任意兩個埠上，KMl主觸頭的一個第一個輸入埠連接到常開開關Kl，Kl的輸入與KMl輔助觸頭的常開觸頭的一端連接，Kl的輸出與KMl輔助觸頭的常開觸頭的另一端連接，同時Kl的輸入連接到常閉開關K2的輸入端，K2的輸出端連接到KMl的線圈輸入端，KMl的線圈輸出端連接到KMl主觸頭輸出端的第二個埠，指示燈L2輸入連接到KMl主觸頭輸出端的第二個埠，L2的輸出連接到KMl主觸頭輸出端的第三個埠，KMl主觸頭的輸出端的三個埠連接到伺服驅動器主迴路R、S、T上。QF2的輸出埠連接到伺服驅動器控制迴路r、s上，同時，QF2的輸出埠與指示燈L3連接。
【權利要求】
1.用於教學機器人控制系統的信號傳輸裝置，包括PC機(I)、PCI總線(2)、中央控制板(3)和六個機器人關節控制單元，其中，PC機(I)通過PCI總線(2)與中央控制板(3)相連接；六個機器人關節控制單元依次記為第一機器人關節控制單元(410)、第二機器人關節控制單元(420)、第三機器人關節控制單元(430)、第四機器人關節控制單元(440)、第五機器人關節控制單元(450 )和第六機器人關節控制單元(460 );每個機器人關節控制單元內均含有一個編碼器和一個IO信號接收器，六個編碼器依次為第一編碼器(414)、第二編碼器(424)、第三編碼器(434)、第四編碼器(444)、第五編碼器(454)和第六編碼器(464)，六個IO信號接收器依次為第一 IO信號接收器(415)、第二 IO信號接收器(425)、第三IO信號接收器(435)、第四IO信號接收器(445)、第五IO信號接收器(455)和第六IO信號接收器(465)； 其特徵在於:中央控制板(3)為NPM公司生產的PPC1-L112型板卡； 第一機器人關節控制單元(410)內還設有第一運動控制卡(411)、第一伺服驅動器(412)和第一交流伺服電機(413);其中，第一運動控制卡(411)分別與第一伺服驅動器(412)、第一 IO信號接收器(415)連接且雙向通訊，第一伺服驅動器(412)與第一交流伺服電機(413)連接且雙向通訊，第一編碼器(414)固定在第一交流伺服電機(413)上，第一編碼器(414)的輸出端與第一伺服驅動器(412)的輸入端相連接；第一運動控制卡(411)的通訊接口與中央控制板(3)的通訊接口連接並雙向通訊； 第二機器人關節控制單元(420)內還設有第二運動控制卡(421)、第二伺服驅動器(422)和第二交流伺服電機(423);其中，第二運動控制卡(421)分別與第二伺服驅動器(422)、第二 IO信號接收器(425)連接且雙向通訊，第二伺服驅動器(422)與第二交流伺服電機(423)連接且雙向通訊，第二編碼器(424)固定在第二交流伺服電機(423)上，第二編碼器(424)的輸出端與第二伺服驅動器(422)的輸入端相連接；第二運動控制卡(421)與第一運動控制卡(411)相連 接； 第三機器人關節控制單元(430)內還設有第三運動控制卡(431)、第三伺服驅動器(432)和第三交流伺服電機(433);其中，第三運動控制卡(431)分別與第三伺服驅動器(432)、第三IO信號接收器(435)連接且雙向通訊，第三伺服驅動器(432)與第三交流伺服電機(433)連接且雙向通訊，第三編碼器(434)固定在第三交流伺服電機(433)上，第三編碼器(434)的輸出端與第三伺服驅動器(432)的輸入端相連接；第三運動控制卡(431)與第二運動控制卡(421)相連接； 第四機器人關節控制單元(440)內還設有第四運動控制卡(441)、第四伺服驅動器(442)和第四交流伺服電機(443);其中，第四運動控制卡(441)分別與第四伺服驅動器(442)、第四IO信號接收器(445)連接且雙向通訊，第四伺服驅動器(442)與第四交流伺服電機(443 )連接且雙向通訊，第四編碼器(444 )固定在第四交流伺服電機(443 )上，第四編碼器(444)的輸出端與第四伺服驅動器(442)的輸入端相連接；第四運動控制卡(441)與第三運動控制卡(431)相連接； 第五機器人關節控制單元(450)內還設有第五運動控制卡(451)、第五伺服驅動器(452)和第五交流伺服電機(453);其中，第五運動控制卡(451)分別與第五伺服驅動器(452)、第五IO信號接收器(455)連接且雙向通訊，第五伺服驅動器(452)與第五交流伺服電機(453)連接且雙向通訊，第五編碼器(454)固定在第五交流伺服電機(453)上，第五編碼器(454)的輸出端與第五伺服驅動器(452)的輸入端相連接；第五運動控制卡(451)與第四運動控制卡(441))相連接； 第六機器人關節控制單元(460)內還設有第六運動控制卡(461)、第六伺服驅動器(462)和第六交流伺服電機(463);其中，第六運動控制卡(461)分別與第六伺服驅動器(462)、第六IO信號接收器(465)連接且雙向通訊，第六伺服驅動器(462)與第六交流伺服電機(463 )連接且雙向通訊，第六編碼器(464 )固定在第六交流伺服電機(463 )上，第六編碼器(464)的輸出端與第六伺服驅動器(462)的輸入端相連接；第六運動控制卡(461)與第五運動控制卡(451)相連接； 第一運動控制卡(411)、第二運動控制卡(421)、第三運動控制卡(431)、第四運動控制卡(441)、第五運動控制卡(451)和第六運動控制卡(461)為NPM公司的MNET-M381-TST ；第一伺服驅動器(412)、第二伺服驅動器(422)、第三伺服驅動器(432)、第四伺服驅動器(442)、第五伺服驅動器(452)和第六伺服驅動器(462)為臺灣東元AC伺服TSTA型驅動器； 第一交流伺服電機(413)、第二交流伺服電機(423)、第三交流伺服電機(433)、第四交流伺服電機(443)、第五交流伺服電機(453)和第六交流伺服電機(463)為臺灣東元AC伺服TSTA型伺服電 機。
【文檔編號】G05B19/042GK203799215SQ201420206046
【公開日】2014年8月27日 申請日期:2014年4月25日 優先權日:2014年4月25日
【發明者】裴九芳, 程晉石, 王海, 戚一 申請人:安徽工程大學