一种七自由度协作机器人智能控制器的制作方法

2021-01-19 19:01:58|

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本发明属智能控制领域，具体涉及一种七自由度协作机器人智能控制器。

背景技术：

随着制造业对制造系统的灵活性、速度、生产力和质量的需求进一步升级，机器人被广泛应用于工业制造中。引入人与机器之间的互联互动可以有效提升制造速度、制造效率并极大地提升大规模定制水平。现阶段传统工业机器人的控制水平、互联感知能力已不能满足现阶段制造需求，用户对于能够与人类协同并学习的协作机器人的需求开始变得越来越迫切。

目前的协作机器人市场中，各企业在达到标准的可靠性，安全性，易操作水平基础上，针对不同的负载和应用场合推出自己的协作机器人产品。然而，现阶段协作机器人以及其控制器由机器人厂家研制，接口封闭，无法通用化和标准化，弱化了协作机器人使用的灵活性，加大了机器人部署过程的周期和工作量，抬高了成本。作为决定机器人性能的核心组件产品，智能控制器被定制局限，在面对不同的行业要求时将不能高效地适应新环境新任务。以航天制造为例，该领域的生产有着多品种、小批量、性能指标精度高、载荷重、环境洁净度高以及材料特殊等特点，对于提高质量、降低成本、快速反应的需求明显区别于其他行业。为了适应市场中愈发多样的需求，协作机器人独立而通用的模块化发展方向被重视，需要开发出通用性强、模块化的机器人智能控制器。

技术实现要素：

本发明公开了一种七自由度协作机器人智能控制器，解决了当前协作机器人控制器的模块化问题。

一种七自由度协作机器人智能控制器，包括嵌入式硬件平台；运行在嵌入式硬件平台上的开放式控制系统，对上连接示教器，对下连接七自由度协作机器人。

优选地，所述嵌入式硬件平台包括：

一体化散热壳体；

电源隔离变换组件，用于为智能控制器供电，同时进行电压变换，输出电源为机器人供电；

主控组件，用于控制机器人的运动状态；

工作状态控制组件，用于控制智能控制器的工作状态；

总线接口组件，用于传输七自由度协作机器人和开放式工作系统之间的信息和指令。

优选地，其特征在于，所述电源隔离变换组件工作时无需外接散热器。

优选地，其特征在于，所述开放式控制系统包括：

嵌入式操作系统，用于控制器的计算及外设资源管理，通信接口实现，通过网络接口接收示教器的控制指令并提供机器人操作系统运行的软件包；

机器人操作系统，用于拖动示教控制包、碰撞检测控制包、跟随运动控制包、路径规划控制包、驱动软件包的运行调度与相互之间的通信管理；

拖动示教控制包，接收拖动指令，实时补偿机器人各关节重力矢量，记录拖动位置信息，根据示教指令，进行位置复现运动；

碰撞检测控制包，用于监测机器人的碰撞状态，将碰撞状态发送至机器人操作系统，使其及时改变机器人的运动状态；

路径规划控制包，接收示教器发出的运动指令，根据需要到达的位置计算机器人的运动路径，并执行机器人运动控制；

跟随运动控制包，接收示教器发出的跟随运动指令，计算机器人关节的旋转角度，发送控制指令到机器人，实现机器人末端跟随运动；

驱动软件包，当机器人操作系统发出路径规划、跟随运动指令时调用所需的驱动软件。

优选地，所述跟随运动控制包包括以下模块：

(1)键盘控制模块，其功能是进行键盘响应，工作时该模块响应键盘按键输入，生成跟随驱动消息，根据输入驱动不同自由度和运动方向；

(2)集成模块，用于集成七自由度机器人解析运动学模块、s曲线加减速控制模块、机器人关节空间运动滤波模块、机器人关节空间运动滤波模块；

(3)七自由度机器人解析运动学模块，用于构建机器人末端笛卡尔空间到关节空间的映射，能够根据指定的末端空间位姿，稳定解算出机器人的7个关节轴的角度，工作时该模块根据末端要达到的位置和姿态，通过逆运动学求解返回机器人在指定位姿下的关节角度；

(4)s曲线加减速控制模块，其功能是实现机器人末端在空间中的加减速控制，使机器人末端运动过程稳定连续，工作时该模块完成加速、减速、匀速阶段末端单自由度的轨迹规划，同时保证启动和停止阶段机器人不发生抖动和冲击；

(5)雅各比矩阵解算模块，其功能是得到指定末端速度下机器人关节的执行速度，为机器人提供关节速度规划的依据，工作时该模块根据末端速度和当前关节角度计算关节的运行速度；

(6)机器人关节空间运动滤波模块，其功能是基于机器人关节空间的动力学约束，构建约束限制的滤波器，使机器人末端连续运动时的关节运动保持连续，工作时对7个自由度关节角度进行滤波处理，保证运行过程柔顺，产生的轨迹能够满足关节最大运行速度和加速度的约束。

一种七自由度协作机器人智能控制器的控制方法，包括以下步骤：

(1)接收示教器控制指令；

(2)获取七自由度协作机器人的状态信息；

(3)生成机器人运动环境模型；

(4)生成与环境无碰撞的运动轨迹；

(5)控制机器人运动，调整机器人的位姿。

优选地，步骤(2)的实现方法为：采用can总线进行七自由度协作机器人智能控制器与机器人之间的通信，在can总线协议基础上实现数据传输机制，将机器人的工作模式设置、工作参数设置的接口和实现转移到框架下，获取机器人的运动状态信息。

优选地，步骤(4)的实现方法为：智能控制器基于总线接口组件传回的机器人数据，实时显示和更新机器人的实际工作状态，采用路径规划算法生成与环境无碰撞的运动轨迹。

优选地，步骤(5)的实现方法为：智能控制器接收到示教器指令，采用跟随运动控制算法，根据机器人末端要达到的位置和姿态，逆运动学求解得出机器人在指定位姿下的关节角度，转换成关节速度，控制机器人的运动；在拖动示教过程中，智能控制器实时补偿机器人各关节重力矢量，使用户可以拖动机器人完成末端点位的快速配置和编程；同时采用动力学控制算法监测机器人的碰撞状态并及时停止机器人的运动。

优选地，所述逆运动学求解过程中建模采用臂角约束法。

本发明解决了机器人智能控制器通用化程度低、体积大、成本高的问题，具体的有益效果如下：

1.集成了多种标准接口，针对不同类型的传感器硬件接口多种多样的情况，能够采集多种传感器的数据。构建了一种通用通信接口，用户和开发者只需要对通信的类型和通信的内容进行设置，就能够实现控制器与机器人的连接，缩减了机器人从部署到启用所需的时间。

2.规范底层通信接口的命名方式，降低了通信程序中不同模块的耦合性，增加了通信过程的状态监测，故障诊断和错误修复模块，提高了通信程序的容错能力。

3.本发明中将机器人的核心控制与规划模块集成在一块大小为200mm×120mm×50mm的控制板上，控制板的小型化可以降低控制系统的成本，使机器人的应用范围更广泛。

4.本发明中的智能控制器引入了独创的七自由度协作机器人末端跟随算法，七自由度机器人动力学控制技术，七自由度机器人运动规划算法，建立了更准确的动力学模型，提高了机器人的运动效率和运动精度，相比其他协作机器人，智能控制器通过建立更加精确的机器人动力学模型，实现对机器人更加准确地步长控制，为用户提供更友好的操作体验。

附图说明

图1为七自由度协作机器人智能控制器结构示意图；

图2为嵌入式硬件平台结构框图；

图3为开放式控制系统通信运行流程图；

图4为跟随控制软件算法结构框图；

图5为臂角约束法解算原理图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案做进一步详细说明。显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明要求保护的范围。

实施例一

本申请实施例公开了一种七自由度协作机器人智能控制器，所述智能控制器包括嵌入式硬件平台；运行在嵌入式硬件平台上的开放式控制系统，对上连接示教器，对下连接7自由度七自由度协作机器人。

所述cpu为armcortex-a17架构的四核处理器，其最高频率可达1.8ghz，内嵌mali-t760mp4图形处理，支持opengles1.1/2.0/3.0，openvg1.1，opencl，directx11，并能实现4kx2k的h.264和10bitsh.265视频硬解码。

所述cpu配置了2gb的ddr3双通道内存和16gb的emmc高速闪存，支持最新的无线802.11ac协议的2.4ghz/5ghz双频wi-fi，以及bluetooth4.0和千兆以太网。

所述cpu支持双mipi、lvds、hdmi、edp、vga多种显示输出接口，支持pwm、spi、uart、adc、12c、12s、gpio等扩展接口。

所述智能控制器尺寸为160×117×67.5(mm)的长方体结构，如图2所示。

所述嵌入式硬件平台采用一体化无风扇设计，包括一体化散热壳体、电源隔离变换组件，用于电压变换，为机器人供电；主控组件，用于控制机器人的运动状态；工作状态控制组件，用于控制开放式控制系统的工作状态；总线接口组件，用于传输七自由度协作机器人和开放式工作系统之间的信息和指令。

所述电源隔离变换组件为电源变换板ap1。

电源变换板ap1主要功能为24v隔离变换为5v。

所述主控组件采用嵌入式控制板ap2。

嵌入式控制板ap2采用嵌入式控制板，对usb口进行扩展，同时去除vga、optical、dc5v/2.5a、tfcard、phone接口端子后使用。

所述总线接口组件为总线接口板ap3，选用usb转can总线转换卡。

交流220v转24v电源输出接插件改为微型航空插头，牌号gx16-4p插头，额定电流15a。

所述智能控制器电源输入接插件为gx16-4p插座，智能控制器安装电源按钮开关，型号选择lanboo15a-22mm开关；智能控制器io输出接插件选用egg0b9芯插座，机器人输出接插件选用gx16-6p公头；智能控制器与机器人之间采用遨博自带电缆连接，接插件牌号gx16-6芯插座。

电源板ap1把24v隔离变换为5v，为控制板提供供电。输入端子选用4p接线端子(间距5.08mm)，5v输出端子选用2p接线端子(间距5.08mm)，24v输出端子选用2p接线端子(间距5.08mm)。

电源板ap1在母线两端入口处正端串联防反接二极管v2(1n5819)，并联瞬态抑制二极管v1(smcj40a)。防反接二极管1n5819反向耐压40v，通态平均电流1a，满足使用需求；瞬态抑制二极管smcj40a箝位电压40v，吸收功率1500w，防止母线浪涌冲击损坏后级电路；同时在二极管后端并联滤波电容，选用1只470uf，ph型铝电解电容，直径10mm，高度10mm。

电源模块u1选用tdk公司30w隔离电源模块ccg30-24-05s，效率为89％，模块体积25.4mm*25.4mm*9.9mm，电路工作在额定负载10w时，产生损耗1.2w，产生的5v隔离电通过接插件直连到fr_rk3288嵌入式控制板电源输入端。

电源隔离变换组件工作时无需外接散热器，

所述开放式控制系统通信接口对上采用以太网接口，并支持无线及物联网控制；对下采用各种总线接口，包括can、rs485以及ethercat等，如图3所示。

所述开放式控制系统包括：

嵌入式操作系统，用于控制器的计算及外设资源管理，通信接口实现，通过网络接口接收示教器的控制指令并提供机器人操作系统运行的软件包；

机器人操作系统，用于拖动示教控制包、碰撞检测控制包、跟随运动控制包、路径规划控制包、驱动软件包的运行调度与相互之间的通信管理；

拖动示教控制包，接收拖动指令，实时补偿机器人各关节重力矢量，记录拖动位置信息，根据示教指令，进行位置复现运动；

碰撞检测控制包，用于监测机器人的碰撞状态，将碰撞状态发送至机器人操作系统，使其及时改变机器人的运动状态；

路径规划控制包，接收示教器发出的运动指令，根据需要到达的位置计算机器人的运动路径，并执行机器人运动控制；

跟随运动控制包，接收示教器发出的跟随运动指令，计算机器人关节的旋转角度，发送控制指令到机器人，实现机器人末端跟随运动；

驱动软件包，当机器人操作系统发出路径规划、跟随运动指令时调用所需的驱动软件。

所述跟随运动控制包其结构如图4所示，包括以下模块：

(1)键盘控制模块，其功能是进行键盘响应，工作时该模块响应键盘按键输入，生成跟随驱动消息，根据输入驱动不同自由度和运动方向。

(2)集成模块，用于集成七自由度机器人解析运动学模块、s曲线加减速控制模块、机器人关节空间运动滤波模块、机器人关节空间运动滤波模块。

(6)机器人关节空间运动滤波模块，其功能是基于机器人关节空间的动力学约束，构建约束限制的滤波器，使机器人末端连续运动时的关节运动保持连续，工作时对7个自由度关节角度进行滤波处理，保证运行过程柔顺，产生的轨迹能够满足关节最大运行速度和加速度的约束；

所述功能模块由软件单元承担其具体功能，程序单元包括：

(1)通用函数设计单元，其功能为定义基本的位姿改变和矩阵操作功能。

(2)运动学结算单元，其功能为计算指定位置和姿态下机器人关节角度。

(3)雅克比矩阵解算单元，其功能为计算雅克比矩阵，并将末端速度转换为关节速度。

(4)机器人关节运动滤波/插补单元，其功能为对关节轨迹进行动力学限制的滤波。

(5)机器人末端的s曲线加减速控制单元，其功能为末端启动，运行和停止过程的加减速控制。

(6)集成单元，其功能为完成对加减速，滤波，雅克比解算，逆运动学解算等功能的集成。

(7)键盘控制单元，其功能为监听键盘输入，生成跟随运动驱动消息。

所述模块实现的软件功能主要包括五个部分：

(1)虚拟场景设置，生成机器人执行拍摄的工作场景，将障碍物三维模型加载到虚拟工作空间，作为机器人运动规划的参考。

(2)自主路径规划，依据机器人工作的场景信息，规划从机器人从当前位姿到目标位姿的无碰撞运动路径。

(3)远程运动微调，接收上位机指令，实现用户在远程对机器人运动控制，调整机器人末端位姿。

(4)拖动示教，实时补偿机器人各关节重力矢量，使用户可以轻便地拖动机器人完成拍摄点的快速配置和编程。

(5)碰撞检测，基于机器人动力学模型，监测机器人的碰撞状态并及时停止机器人的运动，确保机器人运行时对产品和用户的安全。

所述智能控制器控制器集成了机器人运动学模型，动力学模型，图像处理和ros编程的内容，实现语言为c++。

实施例二

本申请实施例公开了七自由度协作机器人智能控制器的控制方法，智能控制器接受上位机软件的指令，将指令转化为机器人的运动路径并执行，实现对机器人运动过程的控制与规划，监控机器人的运动过程和程序运行过程，保证多媒体记录过程机器人的稳定、可靠运行，使机器人能够准确地实现图像采集，其主要步骤为：

(1)接收示教器控制指令；

(2)获取七自由度协作机器人的状态信息；

(3)生成机器人运动环境模型；

(4)生成与环境无碰撞的运动轨迹；

(5)控制机器人运动，调整机器人的位姿。

步骤(2)的实现方法为：采用can总线进行七自由度协作机器人智能控制器与机器人之间的通信，在can总线协议基础上实现数据传输机制，将机器人的工作模式设置、工作参数设置的接口和实现转移到框架下，获取机器人的运动状态信息。

步骤(4)的实现方法为：智能控制器基于总线接口组件传回的机器人数据，实时显示和更新机器人的实际工作状态，采用路径规划算法生成与环境无碰撞的运动轨迹。

步骤(5)的实现方法为：智能控制器接收到示教器指令，采用跟随运动控制算法，根据机器人末端要达到的位置和姿态，逆运动学求解得出机器人在指定位姿下的关节角度，转换成关节速度，控制机器人的运动；在拖动示教过程中，智能控制器实时补偿机器人各关节重力矢量，使用户可以拖动机器人完成末端点位的快速配置和编程；同时采用动力学控制算法监测机器人的碰撞状态并及时停止机器人的运动。

所述逆运动学求解过程中建模采用臂角约束法，能够得到对应末端位姿形态的公式化的精确逆运动学反解，解析形式的运动学模型选取臂角约束法，臂角约束增加机器人构型在空间中的约束，实现7对7形式上的解耦，能够得到解析形式的运动学模型，如图5所示。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明范围的情况下，在其他实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽范围。

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