基於無線網絡的多機器人搬運控制系統的製作方法
2023-05-31 09:40:36 1
專利名稱：基於無線網絡的多機器人搬運控制系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及多機器人協調控制系統，特別涉及基於無線網絡的多機器人搬運控制系統。
背景技術：
傳統上6自由度機器人系統包括串聯機構機器人和並聯機構機器人兩類。前者(圖1)特點是採用開鏈式機構，作業空間大，但具有剛度低，承載能力低的缺點。後者(圖2)的特點採用閉鏈式機構，具有剛度、承載能力大，精度高的優點，但是操作空間狹小(見黃真，孔令富，方躍法，「並聯機器人機構學理論及控制」，機械工業出版社，1997)。在有些作業場合，比如大型船體分段的6自由度對接，即需要高達上千噸的承載能力，又需要能容納下長達幾米甚至幾十米船體分段的操作空間，不論是串聯機器人還是並聯機器人目前都達不到這種要求。
圖3是由多個3自由度移動機器人C1、C2、C3和C4等構成的6自由度多機器人搬運平臺，這類系統不但具備了6自由度位姿自動調整功能，而且具有承載能力大、剛度大和作業空間大的優點。每個移動機器人具有沿X、Y和Z方向的3個運動自由度(圖4)，即dx、dy和dz。通過多機器人的協調運動可以完成被搬運物體的6自由度調整，即沿X、Y和Z軸的線位移px，py，pz和繞X、Y和Z軸的角位移φ，α，θ(圖3)。對於圖3所示的多機器人系統來說，保證各個機器人協調一致的動作是對該系統控制功能的基本要求，要達到這項要求，就需要控制系統的通訊具備良好的實時性和可靠性。目前還不存在針對圖3所示的多機器人搬運平臺專門設計的控制系統。
發明內容
本發明的目的是提供一種基於無線網絡的多機器人搬運控制系統。
為實現上述目的，一種基於無線網絡的多機器人搬運控制系統，包括上位機控制子系統，用於響應用戶的操作命令、規劃搬運任務並監控下位機控制子系統；多個下位機控制子系統，用於機器人關節運動軌跡規劃、完成運動伺服並為上位機傳遞機器人運行狀態參數；上位機控制子系統和下位機控制子系統通過無線網絡相連。
本發明的系統可用於6自由度多機器人搬運平臺的實時控制，給出的控制方案除具有實時性高，抗幹擾性強的優點外，而且還可實現遠程監控，易於信息自動化管理。
圖1為6自由度串聯結構工業機器人示意圖；圖2為6自由度並聯結構工業機器人示意圖；圖3為6自由度多機器人搬運平臺示意圖；圖4為3自由度移動機器人示意圖；圖5為多機器人搬運平臺控制系統的上位機模塊連接圖；圖6為3自由度移動機器人控制系統的下位機模塊連接圖
具體實施例方式
本發明是針對多機器人搬運平臺的基於無線通訊模式的離散控制系統，該系統由上位機控制子系統(圖5)和多個下位機控制子系統(圖6)構成。上位機控制子系統負責響應用戶的操作命令、規劃搬運任務並監控下位機控制子系統；下位機子系統負責機器人關節運動軌跡規劃、完成運動伺服並為上位機傳遞機器人運行狀態參數。上位機控制子系統和下位機控制子系統通過無線網絡相連。由於無線網絡採用了特殊的跳頻和加密算法，使得系統的通訊速率、抗幹擾能力比起常規的串行通訊大大提高，方便了系統的實時控制。另外，由於是無線傳輸，上位機和下位機在物理設備上是分離的，因此在通訊距離允許的範圍內，上位機系統和下位機系統的位置可以隨意調整，這一方面簡化了系統的線路鋪設，另一方面更便於系統的信息自動化管理。
圖5為上位機控制子系統的模塊圖。其核心部件是工業PC機I1。通過PC總線，I1同無線網卡R1連接。R1通過無線載波與無線網橋(即無線網絡接入點)AP相連。其工作原理如下工業計算機I1裝有通用作業系統，應用軟體提供友好的人機界面來響應用戶操作。根據用戶設置的搬運物體的位移量px、py、pz、Φ、α和β，應用軟體根據特定算法計算各個機器人的的位移dx、dy和dz，通過連接在PC總線上的無線網卡R1發給無線網橋AP，再由AP下傳到各個3自由度機器人的下位機控制子系統。同時，AP向R1發送由各個3自由度機器人上傳的信息。
圖6為下位機控制子系統的模塊圖。其核心部件是PC/104單元P1。通過PC/104總線，P1分別同多軸運動控制卡C2，以及無線網卡接入單元C1連接。其中，C1與無線網卡W1連接；C2分別連接機器人3個運動關節的伺服放大器A1、A2和A3；而A1、A2和A3分別連接對應的M1、M2和M3關節驅動器。其工作原理是PC/104單元P1裝有實時作業系統，以使應用軟體能及時響應外部事件。無線網卡W1從無線網橋AP(圖5)獲得上位機下傳的機器人關節位移命令dx、dy和dz並發送給PC/104單元P1；P1再將命令傳給多軸運動控制卡C2，C2完成關節軌跡規劃並和伺服放大器A1、A2、A3一起控制M1，M2和M3完成各個關節位移；同時，P1把得到的控制系統信息通過W1上傳給AP。
實施例在實施例中，按圖4搭建了由四臺CAS-II型3自由度移動機器人構成6自由度多機器人搬運平臺，通過圖5和圖6所示的控制系統實現了對搬運平臺的控制。其中，圖5中工業計算機I1採用ADVANTECH-610，內裝Windows 2000作業系統和上位機應用軟體；無線網卡R1採用清華同方TFW1200-PCI；無線網橋AP採用清華同方TFW2000。圖6中PC/104單元P1採用研華PCM-3345，內裝RT-Linux嵌入式實時作業系統和下位機應用軟體；無線網卡接入模塊C1採用研華PCM-3110C；無線網卡W1採用清華同方TFW1000-PCMCIA；多軸控制卡C2採用美國Delta Tau公司的PMAC2A-PC/104；伺服放大器A1、A2和A3均採用日本安川YASKAWACACR-SR15SZ1SD-Y214型單軸驅動伺服包，用於驅動CAS-II型機器人的3個關節電機M1、M2和M3。經實際測定，從上位機控制子系統發出運動命令到下位機響應命令所需時間最多為15毫秒，能夠滿足本系統實時控制的要求；而關節控制精度為0.1毫米，滿足本系統的運動精度控制要求。
權利要求
1.一種基於無線網絡的多機器人搬運控制系統，其特徵在於包括上位機控制子系統，用於響應用戶的操作命令、規劃搬運任務並監控下位機控制子系統；多個下位機控制子系統，用於機器人關節運動軌跡規劃、完成運動伺服並為上位機傳遞機器人運行狀態參數；上位機控制子系統和下位機控制子系統通過無線網絡相連。
2.按權利要求1所述的系統，其特徵在於所述上位機控制子系統包括工業PC機I1，通過PC總線，I1同無線網卡R1連接，R1通過無線載波與無線網橋AP相連。
3.按權利要求1所述的系統，其特徵在於所述下位機控制子系統包括PC/104單元P1，通過PC/104總線，P1分別同多軸運動控制卡C2，以及無線網卡接入單元C1連接，其中，C1與無線網卡W1連接，C2分別連接機器人3個運動關節的伺服放大器A1、A2和A3，而A1、A2和A3分別連接對應的M1、M2和M3關節驅動器。
全文摘要
一種基於無線網絡的多機器人搬運控制系統，包括上位機控制子系統，用於響應用戶的操作命令、規劃搬運任務並監控下位機控制子系統；多個下位機控制子系統，用於機器人關節運動軌跡規劃、完成運動伺服並為上位機傳遞機器人運行狀態參數；上位機控制子系統和下位機控制子系統通過無線網絡相連。本發明的系統可用於6自由度多機器人搬運平臺的實時控制，給出的控制方案除具有實時性高，抗幹擾性強的優點外，而且還可實現遠程監控，易於信息自動化管理。
文檔編號G05D3/00GK1603068SQ0313929
公開日2005年4月6日 申請日期2003年9月29日 優先權日2003年9月29日
發明者景奉水, 譚民, 梁自澤, 徐德, 王躍 申請人:中國科學院自動化研究所