专利名称：一种开放式机器人系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种机器人系统，尤其是一种开放式机器人系统。
背景技术：
目前商品化的机器人系统大多采用封闭结构的专用控制器采用专用 计算机作为上层主控计算机，使用专用机器人语言作为编程工具，采用专用 控制器进行各关节伺服控制，并将控制算法固化在程序存储器中，这种封闭 系统很难甚至不可能进行修改，如果作业任务和作业对象都是固定的，这种 封闭式的机器人系统具有简单、可靠和高效的优点，然而，现代化工业生产 要求工业机器人能适应不同应用场合和多品种小批量的生产，此时现有的封 闭式机器人系统因为系统的可扩展性、可配置性、可移植性差，所以对不同 任务的适应能力差。
发明内容
本发明的目的是提供一种具有开放结构控制器的机器人系统。 为达到上述目的，本发明采用的技术方案是 一种开放式机器人系统， 它包括多关节机器人本体、用于控制多关节机器人本体的控制器，所述的控制 器包括主控模块、通过第一总线与所述主控模块相通信的运动控制模块、与所 述运动控制模块相通信并控制所述多关节机器人本体的本体控制模块，所述的 主控模块包括工控机、通过第二总线与所述工控机相通信的示教盒，所述的示 教盒用于提供用户操作终端和显示从所述工控机传递的信息，所述的运动控制 模块包括通过第一总线与所述工控机相通信的运动控制卡、与所述运动控制卡 相通信的多个伺服控制装置，所述的本体控制模块包括多个与所述伺服控制装 置相通信并用于驱动运动的电机、与所述电机相通信并用于向所述运动控制模 块反馈有关电机输出信息的码盘，所述的工控机通过第二总线与所述示教盒相 通信输出轨迹再现数据，所述的运动控制模块通过第一总线从所述工控机接收 轨迹再现数据用于完成对所述电机的力矩控制、速度控制以及位置控制。
所述多关节机器人本体的周边设置有与所述本体控制模块相通信的辅助设 备，所述的辅助设备包括变位机、龙门架，所述本体控制模块控制所述的变位机、所述的龙门架与所述的多关节机器人本体进行联动插补。
所述的控制器还包括安全保护模块，所述的安全保护模块与所述的运动控 制模块、所述的主控模块相通信，用于监测系统的安全工作。
所述的安全保护模块包括与所述示教盒、所述运动控制卡相通信并用于控 制伺服控制装置的动力电信号的安全主控模块、与所述安全主控模块相通信的 控制面板，所述的控制面板用于提供用户操作终端和显示从所述安全主控模块 传递的有关当前系统工作状态的信息，当系统出现故障时，所述的安全主控模 块产生急停信号，或者从所述示教盒或所述控制面板输入急停信号以切断所述 伺服控制装置的动力电信号。
每个所述的伺服控制装置上设置有调节硬件地址的拨码开关，所述的拨码 开关控制每个伺服控制装置具有不同的硬件地址，具有硬件地址为0的伺服控 制装置与具有其他硬件地址的伺服控制装置之间通过第五总线相通信，所述的 工控机通过第六总线从具有硬件地址为0的伺服控制装置输入与伺服控制装置
相连的各个电机的起始位置信息。
所述的第五总线为RS485型总线，所述的第六总线为RS232型总线。
所述的运动控制卡通过所述第一总线从所述工控机接收轨迹再现数据，用 于对所述电机完成位置控制，所述的伺服控制装置从所述运动控制卡接收给定 速度数据，用于对所述电机完成速度控制和力矩控制。
所述的运动控制卡通过所述第一总线从所述工控机接收轨迹再现数据，用 于对所述电机完成位置控制和速度控制，所述的伺服控制装置从所述运动控制 卡接收给定力矩数据，用于对所述电机完成力矩控制。
所述的工控机通过所述第一总线连接有双端数据存储器，所述双端数据存 储器通过第三总线与所述运动控制卡相通信。
所述的控制器还包括与所述工控机相通信的网络控制模块，所述的网络控 制模块用于远程操作所述的多关节机器人本体。
所述的第二总线为RS485型总线。
所述的第一总线上连接有具有标准总线接口的安全光栅，所述的安全光栅 用于检测现场信号以协调工作流程。
由于上述技术方案的运用，本发明具有如下优点
开放式机器人系统中的控制器采用模块化结构和标准接口技术，它主要 包括主控模块、通过第一总线与所述主控模块相通信的运动控制模块、设置
在多关节机器人本体上并与所述运动控制模块相通信的本体控制模块，该控 制器可以很容易扩展其他功能模块如用于远程操作的网络控制模块和集成 各种外部传感器，在不同的应用场合控制器的设计可以由用户进行修改，或 者更换相应模块，这种开放式机器人系统因为系统的可扩展性、可配置性、 可移植性好，所以对不同任务的适应能力强。
附图1为本发明的结构框附图2为本发明中工控机提取电机起始位置信息的结构示意附图3为适甩于本发明的优选实施方式的软件结构示意其中
1、主控模块；2、第一总线；3、运动控制模块；4、本体控制模块；5、 示教盒；6、工控机；7、第二总线；8、运动控制卡；9、伺服控制装置；10、 电机；11、码盘；12、多关节机器人本体；13、网络控制模块；14、双端数据 存储器；15、第三总线；17、第五总线；18、安全保护模块；19、安全主控模 块；20、第六总线；21、控制面板。
具体实施例方式
下面结合附图来进一步阐述本发明的结构和工作原理。
参见附图l所示， 一种开放式机器人系统，它包括多关节机器人本体12、 用于控制多关节机器人本体12的控制器，所述的控制器包括主控模块1、通过 第一总线2与所述主控模块1相通信的运动控制模块3、设置在多关节机器人本 体12上并与所述运动控制模块3相通信的本体控制模块4、与所述工控机6相 通信并用于远程操作所述的多关节机器人本体12的网络控制模块13、与所述的 运动控制模块3以及所述的主控模块1相通信并用于监测系统安全工作的安全 保护模块18，所述的主控模块1包括工控机6、通过第二总线7与所述工控机6 相通信的示教盒5，所述的示教盒5用于提供用户操作终端和显示从所述工控机 6传递的信息，所述的运动控制模块3包括通过第一总线2与所述工控机6相通 信的运动控制卡8、与所述运动控制卡8相通信的多个伺服控制装置9，在本实 施例中，所述的第二总线7选用RS485型总线，所述的运动控制卡8为PMAC卡，所述的伺服控制装置9选用松下Minas A4系列，所述的运动控制卡8与所述的
伺服控制装置9之间设置有电平转换装置，该装置选用24V I/O卡，所述的工 控机6通过所述第一总线2连接有双端数据存储器14,所述双端数据存储器14 通过第三总线15与所述运动控制卡8相通信，所述的本体控制模块4包括多个 与所述伺服控制装置9相通信并用于驱动运动的电机10、与所述电机IO相通信 并用于向所述运动控制模块3反馈有关电机输出信息的码盘11，所述的运动控 制卡8通过所述第一总线2从所述工控机6接收给定位置量，用于对所述电机 10完成位置控制，所述的伺服控制装置9从所述运动控制卡8接收给定速度量， 用于对所述电机10完成速度控制和力矩控制，所述的安全保护模块18包括与 所述示教盒5、所述运动控制卡8相通信并用于控制伺服控制装置9的动力电信 号的安全主控模块19、与所述安全主控模块19相通信的控制面板21，所述的 控制面板21用于提供用户操作终端和显示从所述安全主控模块19传递的有关 当前系统工作状态的信息，当系统出现故障时，所述的安全主控模块19产生急 停信号，或者从所述示教盒5或所述控制面板21输入急停信号以切断所述伺服 控制装置9的动力电信号。所述的多关节机器人本体12的周边设置有与所述本 体控制模块4相通信的辅助设备，所述的辅助设备包括变位机、龙门架，所述 本体控制模块4控制所述的变位机、所述的龙门架与所述的多关节机器人本体 12进行联动插补。
在附图2中，每个所述的伺服控制装置9上设置有调节硬件地址的拨码开 关，所述的拨码开关控制每个伺服控制装置9具有不同的硬件地址，具有硬件 地址为0即ID=0的伺服控制装置9与具有硬件地址为1即ID=1的伺服控制装 置9之间通过第五总线17相通信，具有硬件地址为1即ID=1的伺服控制装置9 与具有硬件地址为2即ID=2的伺服控制装置9之间通过第五总线17相通信， 其余伺服控制装置的连接方式依次类推，所述的工控机6通过第六总线20从具 有硬件地址为0的伺服控制装置9输入与伺服控制装置9相连的各个电机的起 始位置信息，本实施例中，所述的第五总线17选用RS485型总线，所述的第六 总线20选用RS232型总线。
该控制器具有开放性，可进行功能扩展，如在第一总线2上扩展一些标准 总线设备，如用于现场检测信号的安全光栅等，用户可以根据自己配置的设备 编制相应的程序。
在采用模块化设计控制器的硬件的同时，相应的软件系统也由模块化的结 构来实现，模块采用面向对象的端口设计方法，对象内部状态和方法对其他模块隐藏，只有对象的端口对其他对象可见，本系统中工控机6采用Windows 2000 或Windows XP操作系统和￥0++语言，软件结构如附图3所示。
首先建立一函数库，该函数库向应用程序提供一组标准服务，通过此函数 库的访问即可完成用户所需功能，同时该函数库将应用程序与底层软硬件隔离。 本结构中将基于函数库的各软件模块进行了分类，分别为运动操作类、算法 操作类、运动控制卡操作类、机器人网络操作服务类和总线设备操作类。
运动操作类软件模块完成机器人运动操作的软件实现，工控机6与示教盒5 串口通信，工控机6接收来自示教盒5的指令和数据以及向示教盒5发送当前 机器人所处位姿、速度等信息，工控机6中的示教模块通过再现示教得到运动 任务，机器人语言输入与解释模块通过机器人语言得到运动任务，运动任务包 含目标点、运动速度、插补方式等信息。规划与插补模块根据运动任务完成任 务规划、轨迹规划和轨迹插补，得到机器人轨迹再现数据。最终再现模块启动 运动控制卡再现程序并将轨迹再现数据顺序送入双端数据存储器，供运动控制 卡8读取并控制机器人完成相应运动。
算法操作类软件模块包括内置算法调节模块和用户算法模块，在不同的场 合如焊接、切割、搬运等，用户可以根据具体的应用修改或编写相应算法程序， 该开放式机器人系统通过一些调整即能完成所需的控制功能，给用户以很大方 便。
运动控制卡操作类软件模块包括程序下载模块、程序上载模块和运动控制 卡终端模块，这些模块是使工控机6与可编程的运动控制卡8相通信有关，以 协助运动控制卡8控制机器人本体和周边的辅助设备完成各自的运动。
机器人网络操作服务类软件模块与网络控制模块13相配合作用，提供规范 的网络机器人操作服务。
总线设备操作类软件模块主要完成系统内传感器信号的采集，如电流、电 压等，以及系统内I/O量的读写和逻辑控制，如报警、上电允许，以协助相应 的硬件如用于现场检测信号的安全光栅完成相应的功能。
运动控制卡8与工控机6相通信，接受轨迹再现数据后，主要控制机器人 本体和周边的辅助设备完成运动以及对系统的一些逻辑控制，运动控制卡8中 的软件模块包括通讯模块、运动程序模块、逻辑控制程序模块，逻辑控制程序 模块对系统的工作状态如上电允许或急停进行检测和逻辑控制。
开放式机器人系统中的控制器采用模块化结构和标准接口技术，该控制器
可以很容易扩展其他功能模块和集成各种外部传感器，在不同的应用场合控制 器的设计可以由用户进行修改，或者更换相应模块，这种开放式机器人系统因 为系统的可扩展性、可配置性、可移植性好，所以对不同任务的适应能力强。
权利要求
1、一种开放式机器人系统，它包括多关节机器人本体(12)、用于控制多关节机器人本体(12)的控制器，其特征在于所述的控制器包括主控模块(1)、通过第一总线(2)与所述主控模块(1)相通信的运动控制模块(3)、与所述运动控制模块(3)相通信并控制所述多关节机器人本体(12)的本体控制模块(4)，所述的主控模块(1)包括工控机(6)、通过第二总线(7)与所述工控机(6)相通信的示教盒(5)，所述的示教盒(5)用于提供用户操作终端和显示从所述工控机(6)传递的信息，所述的运动控制模块(3)包括通过第一总线(2)与所述工控机(6)相通信的运动控制卡(8)、与所述运动控制卡(8)相通信的多个伺服控制装置(9)，所述的本体控制模块(4)包括多个与所述伺服控制装置(9)相通信并用于驱动运动的电机(10)、与所述电机(10)相通信并用于向所述运动控制模块(3)反馈有关电机输出信息的码盘(11)，所述的工控机(6)通过第二总线(7)与所述示教盒(5)相通信输出轨迹再现数据，所述的运动控制模块(3)通过第一总线(2)从所述工控机(6)接收轨迹再现数据用于完成对所述电机(10)的力矩控制、速度控制以及位置控制。
2、 根据权利要求1所述的一种开放式机器人系统，其特征在于所述多关 节机器人本体(12)的周边设置有与所述本体控制模块(4)相通信的辅助设备， 所述的辅助设备包括变位机、龙门架，所述本体控制模块(4)控制所述的变位 机、所述的龙门架与所述的多关节机器人本体(12)进行联动插补。
3、 根据权利要求1所述的一种开放式机器人系统，其特征在于所述的控 制器还包括安全保护模块(18)，所述的安全保护模块(18)与所述的运动控制 模块(3)、所述的主控模块(1)相通信，用于监测系统的安全工作。
4、 根据权利要求3所述的一种开放式机器人系统，其特征在于所述的安 全保护模块(18)包括与所述示教盒(5)、所述运动控制卡(8)相通信并用于 控制伺服控制装置(9)的动力电信号的安全主控模块(19)、与所述安全主控 模块(19)相通信的控制面板(21)，所述的控制面板(21)用于提供用户操作 终端和显示从所述安全主控模块(19)传递的有关当前系统工作状态的信息， 当系统出现故障时，所述的安全主控模块(19)产生急停信号，或者从所述示 教盒(5)或所述控制面板(21)输入急停信号以切断所述伺服控制装置(9) 的动力电信号。
5、 根据权利要求1所述的一种开放式机器人系统，其特征在于每个所述的伺服控制装置(9)上设置有调节硬件地址的拨码开关，所述的拨码开关控制 每个伺服控制装置(9)具有不同的硬件地址，具有硬件地址为0的伺服控制装 置(9)与具有其他硬件地址的伺服控制装置(9)之间通过第五总线(17)相 通信，所述的工控机(6)通过第六总线(20)从具有硬件地址为0的伺服控制 装置(9)输入与伺服控制装置(9)相连的各个电机的起始位置信息。
6、 根据权利要求5所述的一种开放式机器人系统，其特征在于所述的第 五总线(17)为RS485型总线，所述的第六总线(20)为RS232型总线。
7、 根据权利要求l所述的一种开放式机器人系统，其特征在于所述的运 动控制卡(8)通过所述第一总线(2)从所述工控机(6)接收轨迹再现数据， 用于对所述电机(10)完成位置控制，所述的伺服控制装置(9)从所述运动控 制卡(8)接收给定速度数据，用于对所述电机(10)完成速度控制和力矩控制。
8、 根据权利要求l所述的一种开放式机器人系统，其特征在于所述的运 动控制卡(8)通过所述第一总线(2)从所述工控机(6)接收轨迹再现数据， 用于对所述电机(10)完成位置控制和速度控制，所述的伺服控制装置(9)从 所述运动控制卡(8)接收给定力矩数据，用于对所述电机(10)完成力矩控制。
9、 根据权利要求1所述的一种开放式机器人系统，其特征在于所述的工 控机(6)通过所述第一总线(2)连接有双端数据存储器(14)，所述双端数据 存储器(14)通过第三总线(15)与所述运动控制卡(8)相通信。
10、 根据权利要求1所述的一种开放式机器人系统，其特征在于所述的 控制器还包括与所述工控机(6)相通信的网络控制模块(13)，所述的网络控 制模块(13)用于远程操作所述的多关节机器人本体(12)。
11、 根据权利要求1所述的一种开放式机器人系统，其特征在于所述的 第二总线(7)为RS485型总线。
12、 根据权利要求1所述的一种开放式机器人系统，其特征在于所述的 第一总线(2)上连接有具有标准总线接口的安全光栅,所述的安全光栅用于检 测现场信号以协调工作流程。
全文摘要
本发明涉及一种开放式机器人系统，它包括多关节机器人本体、用于控制多关节机器人本体的控制器，所述的控制器包括主控模块、通过第一总线与所述主控模块相通信的运动控制模块、与所述运动控制模块相通信并控制所述多关节机器人本体的本体控制模块，该控制器可以很容易扩展其他功能模块如用于远程操作的网络控制模块和集成各种外部传感器，在不同的应用场合控制器的设计可以由用户进行修改，或者更换相应模块，这种开放式机器人系统因为系统的可扩展性、可配置性、可移植性好，所以对不同任务的适应能力强。
文档编号B25J9/00GK101200064SQ20071013515
公开日2008年6月18日 申请日期2007年10月26日 优先权日2007年10月26日
发明者辉 任, 刘少辉, 伟 朱, 赵娇娇, 贺 马 申请人:昆山华恒工程技术中心有限公司