一种六轴轻载工业机器人控制方法及装置与流程

本发明涉及工业机器人领域，具体涉及一种可重构模块化设计的六轴轻载工业机器人控制方法，及实施该方法的装置。

背景技术：

从21世纪初开始，受技术快速发展、人力成本不断上升、生产效率要求进一步提高等因素影响，全球工业机器人将迎来更为广阔的发展空间和更高的发展速度。对工业机器人的需求，已从汽车及汽车周边行业扩展到电子、医疗、食品、服务等众多行业。在区域分布上，随着亚洲地区制造业的发展，各项产业对于工业机器人的需求量增加，使得工业机器人市场需求逐渐由欧美地区转移到亚洲地区。我国工业机器人市场已呈现出蓬勃发展的态势。从2010年开始我国工业机器人需求量激增，但目前我国新增工业机器人中超过70％依赖国外进口。外资品牌占据了国内绝对的市场份额，像发那科、安川、ABB、库卡等外资品牌在中国的市场占有率高达90％！

这样的背景之下，对于我国工业机器人产业而言，可以说是既有机遇又有困难。就目前情况看来，国内的工业机器人厂商需要面对以下问题：控制精度差，长时间使用后运行精度降低，不能有效的进行补偿。

技术实现要素：

本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种可重构模块化设计的六轴轻载工业机器人控制方法，及实施该方法的装置，解决现有六轴工业机械手定位精度差，使用寿命短的问题。

本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：

一种六轴轻载工业机器人的控制方法，其包括以下步骤：

(1)设置底座，于底座上设置六轴连动机构；所述六轴连动机构包括第一轴、第二轴、第三轴、第四轴、第五轴和第六轴，其中所述第一轴设于底座上，第二轴通过第一连接件固定在第一轴上，所述第三轴与第二轴通过第一连杆相互连接，所述第四轴通过拐角连杆固定于第三轴上，所述第五轴和第六轴依次设于第四轴前部；

(2)设置与六轴连动机构电连接的控制箱，于控制箱内设置控制卡板；

(3)于控制卡板上设置人机交互模块、数据采集模块、中央处理模块和执行模块；

(4)于所述中央处理模块内嵌入有控制算法，所述控制算法包括：

其中：L₁、L₂、L₃、L₄、L₅、L₆分别为第一轴至第六轴尺寸，K_p为系统比例增益，K_i为积分项系数，K_d＝K_p*T_d，T_d为微分时间，u(t)为控制输出量；

(5)上电工作，各个模块进行初始化，所述人机交互模块，接收人工输入控制参数，数据采集模块采集各个电机转速信息，各轴的旋转及摆动角度，并将采集到的信号传输至中央处理模块，由中央处理模块中所嵌入的控制算法，对各轴的运动轨迹进行规划，然后由执行模块输出电机运行参数，数据采集模块同时采集各个电机的实时运行状态，中央处理模块通过对比预先设定的轨迹，实时做出插值调整，从而实现对六轴工业机器人的控制。

所述第一轴为中空圆柱体结构，于该中空圆柱体结构内部设有第一轴伺服电机。

所述第一连杆两端设有圆形通槽，且下端圆形通槽直径大于上端圆形通槽直径，所述第二轴设于下端圆形通槽内，所述第三轴设于上端圆形通槽内；第一连杆中部设有加强筋结构。

所述拐角连杆呈“7”型结构，于拐角连杆下部设有弧形拐角，所述第三轴固定于该弧形拐角内，所述弧形拐角上部中空，所述第四轴设于该中空内。

所述第二轴为旋转关节结构，其包括基座，于基座上部设有第二轴上外壳，第二轴下外壳，第二轴伺服电机和第二轴谐波减速机，其中所述第二轴下外壳与第二轴上外壳形成空腔，所述第二轴谐波减速机设于该空腔内，并与所述第二轴伺服电机相连接。

所述第四轴为移动关节结构，其包括第四轴上外壳，第四轴下外壳，第四轴伺服电机和第四轴谐波减速机，其中所述第四轴下外壳与第四轴上外壳形成空腔，所述第四轴伺服电机和第四轴谐波减速机设于该空腔内，且第四轴伺服电机与第四轴谐波减速机相互连接；将电机的转动用螺旋副转化为沿其自身轴线的往复移动。

所述第六轴为回转关节结构，其呈圆柱体结构，其包括第六轴上外壳，第六轴下外壳，第六轴伺服电机和第六轴谐波减速机，其中所述第六轴下外壳与第六轴上外壳形成空腔，所述第六轴伺服电机和第六轴谐波减速机设于该空腔内，且第六轴伺服电机与第六轴谐波减速机相互连接。

一种实施所述控制方法的装置，其包括底座，设于底座上的六轴连动机构，以及控制六轴连动机构运动的控制箱，所述六轴连动机构包括第一轴、第二轴、第三轴、第四轴、第五轴和第六轴，其中所述第一轴设于底座上，第二轴通过第一连接件固定在第一轴上，所述第三轴与第二轴通过第一连杆相互连接，所述第四轴通过拐角连杆固定于第三轴上，所述第五轴和第六轴依次设于第四轴前部；所述控制箱设有控制卡板，于卡板上设有工业机器人控制模块，该控制模块包括人机交互模块、数据采集模块、中央处理模块和执行模块，所述中央处理模块内嵌入有控制算法，该控制算法包括：

其中：L₁、L₂、L₃、L₄、L₅、L₆分别为第一轴至第六轴尺寸，K_p为系统比例增益，K_i为积分项系数，K_d＝K_p*T_d，T_d为微分时间，u(t)为控制输出量。

所述第一轴为中空圆柱体结构，于该中空圆柱体结构内部设有第一轴伺服电机；所述第一连杆两端设有圆形通槽，且下端圆形通槽直径大于上端圆形通槽直径，所述第二轴设于下端圆形通槽内，所述第三轴设于上端圆形通槽内；第一连杆中部设有加强筋结构；所述拐角连杆呈“7”型结构，于拐角连杆下部设有弧形拐角，所述第三轴固定于该弧形拐角内，所述弧形拐角上部中空，所述第四轴设于该中空内。

所述第二轴为旋转关节结构，其包括基座，于基座上部设有第二轴上外壳，第二轴下外壳，第二轴伺服电机和第二轴谐波减速机，其中所述第二轴下外壳与第二轴上外壳形成空腔，所述第二轴谐波减速机设于该空腔内，并与所述第二轴伺服电机相连接；所述第四轴为移动关节结构，其包括第四轴上外壳，第四轴下外壳，第四轴伺服电机和第四轴谐波减速机，其中所述第四轴下外壳与第四轴上外壳形成空腔，所述第四轴伺服电机和第四轴谐波减速机设于该空腔内，且第四轴伺服电机与第四轴谐波减速机相互连接；将电机的转动用螺旋副转化为沿其自身轴线的往复移动；所述第六轴为回转关节结构，其呈圆柱体结构，其包括第六轴上外壳，第六轴下外壳，第六轴伺服电机和第六轴谐波减速机，其中所述第六轴下外壳与第六轴上外壳形成空腔，所述第六轴伺服电机和第六轴谐波减速机设于该空腔内，且第六轴伺服电机与第六轴谐波减速机相互连接。

本发明的有益效果是：通过可重构模块化精良的结构设计优化，使得结构紧凑简单，并保证了足够的刚性，达到5㎏的负载能力。主要零件选用了优质的铝合金材料，其关键零件都有设计开模，形成模组化设计，使得定位精度更高。在第六轴采用长方体倒圆角结构，在旋转摩擦处增加了其刚性；采用第一连杆连接第二轴和第三轴，采取开模且中间加强筋结构，既保证刚度稳定，同时也降低了成本。

附图说明

图1为本发明整体结构示意图；

图2为第二轴剖视图；

图3为第四轴剖视图；

图4为第六轴剖视图；

图5为拐角连杆结构示意图；

图6为第一连杆结构示意图；

图7为本发明电机驱动电路图。

图中：1.底座 2.第一轴 3.第二轴 4.第三轴 5.第四轴

6.第五轴 7.第六轴 8.第一连接件 9.第一连杆

10.拐角连杆 11.圆形通槽 12.弧形拐角 13.基座

14.第二轴上外壳 15.第二轴下外壳

16.第二轴伺服电机 17.第二轴谐波减速机

18.第四轴上外壳 19.第四轴下外壳

20.第四轴伺服电机 21.第四轴谐波减速机

22.第六轴上外壳 23.第六轴下外壳

24.第六轴伺服电机 25.第六轴谐波减速机

具体实施方式

实施例：参见图1至图6，本实施例提供一种六轴轻载工业机器人的控制方法，其包括以下步骤：

(1)设置底座1，于底座1上设置六轴连动机构；所述六轴连动机构包括第一轴2、第二轴3、第三轴4、第四轴5、第五轴6和第六轴7，其中所述第一轴2设于底座1上，第二轴3通过第一连接件8固定在第一轴2上，所述第三轴4与第二轴3通过第一连杆9相互连接，所述第四轴5通过拐角连杆10固定于第三轴4上，所述第五轴6和第六轴7依次设于第四轴5前部；

(2)设置与六轴连动机构电连接的控制箱，于控制箱内设置控制卡板；

(3)于控制卡板上设置人机交互模块、数据采集模块、中央处理模块和执行模块；

(4)于所述中央处理模块内嵌入有控制算法，所述控制算法包括：

其中：L₁、L₂、L₃、L₄、L₅、L₆分别为第一轴至第六轴尺寸，K_p为系统比例增益，K_i为积分项系数，K_d＝K_p*T_d，T_d为微分时间，u(t)为控制输出量；

(5)上电工作，各个模块进行初始化，所述人机交互模块，接收人工输入控制参数，数据采集模块采集各个电机转速信息，各轴的旋转及摆动角度，并将采集到的信号传输至中央处理模块，由中央处理模块中所嵌入的控制算法，对各轴的运动轨迹进行规划，然后由执行模块输出电机运行参数，数据采集模块同时采集各个电机的实时运行状态，中央处理模块通过对比预先设定的轨迹，实时做出插值调整，从而实现对六轴工业机器人的控制。

所述第一轴2为中空圆柱体结构，于该中空圆柱体结构内部设有第一轴伺服电机。

所述第一连杆9两端设有圆形通槽11，且下端圆形通槽直径大于上端圆形通槽直径，所述第二轴3设于下端圆形通槽内，所述第三轴4设于上端圆形通槽内；第一连杆9中部设有加强筋结构。

所述拐角连杆10呈“7”型结构，于拐角连杆10下部设有弧形拐角12，所述第三轴4固定于该弧形拐角12内，所述弧形拐角12上部中空，所述第四轴5设于该中空内。

所述第二轴3为旋转关节结构，其包括基座13，于基座13上部设有第二轴上外壳14，第二轴下外壳15，第二轴伺服电机16和第二轴谐波减速机17，其中所述第二轴下外壳15与第二轴上外壳14形成空腔，所述第二轴谐波减速机17设于该空腔内，并与所述第二轴伺服电机16相连接。

所述第四轴5为移动关节结构，其包括第四轴上外壳18，第四轴下外壳19，第四轴伺服电机20和第四轴谐波减速机21，其中所述第四轴下外壳19与第四轴上外壳18形成空腔，所述第四轴伺服电机20和第四轴谐波减速机21设于该空腔内，且第四轴伺服电机20与第四轴谐波减速机21相互连接；将电机的转动用螺旋副转化为沿其自身轴线的往复移动。

所述第六轴7为回转关节结构，其呈圆柱体结构，其包括第六轴上外壳22，第六轴下外壳23，第六轴伺服电机24和第六轴谐波减速机25，其中所述第六轴下外壳23与第六轴上外壳22形成空腔，所述第六轴伺服电机23和第六轴谐波减速机24设于该空腔内，且第六轴伺服电机24与第六轴谐波减速机25相互连接。

一种实施所述控制方法的装置，其包括底座1，设于底座1上的六轴连动机构，以及控制六轴连动机构运动的控制箱，所述六轴连动机构包括第一轴2、第二轴3、第三轴4、第四轴5、第五轴6和第六轴7，其中所述第一轴2设于底座1上，第二轴3通过第一连接件8固定在第一轴2上，所述第三轴4与第二轴3通过第一连杆9相互连接，所述第四轴5通过拐角连杆10固定于第三轴4上，所述第五轴6和第六轴7依次设于第四轴5前部；所述控制箱设有控制卡板，于卡板上设有工业机器人控制模块，该控制模块包括人机交互模块、数据采集模块、中央处理模块和执行模块，所述中央处理模块内嵌入有控制算法，该控制算法包括：

其中：L₁、L₂、L₃、L₄、L₅、L₆分别为第一轴至第六轴尺寸，K_p为系统比例增益，K_i为积分项系数，K_d＝K_p*T_d，T_d为微分时间，u(t)为控制输出量。

所述第一轴2为中空圆柱体结构，于该中空圆柱体结构内部设有第一轴伺服电机；所述第一连杆9两端设有圆形通槽11，且下端圆形通槽直径大于上端圆形通槽直径，所述第二轴3设于下端圆形通槽内，所述第三轴4设于上端圆形通槽内；第一连杆9中部设有加强筋结构；所述拐角连杆10呈“7”型结构，于拐角连杆10下部设有弧形拐角12，所述第三轴4固定于该弧形拐角12内，所述弧形拐角12上部中空，所述第四轴5设于该中空内。

所述第二轴3为旋转关节结构，其包括基座13，于基座13上部设有第二轴上外壳14，第二轴下外壳15，第二轴伺服电机16和第二轴谐波减速机17，其中所述第二轴下外壳15与第二轴上外壳14形成空腔，所述第二轴谐波减速机17设于该空腔内，并与所述第二轴伺服电机16相连接。所述第四轴5为移动关节结构，其包括第四轴上外壳18，第四轴下外壳19，第四轴伺服电机20和第四轴谐波减速机21，其中所述第四轴下外壳19与第四轴上外壳18形成空腔，所述第四轴伺服电机20和第四轴谐波减速机21设于该空腔内，且第四轴伺服电机20与第四轴谐波减速机21相互连接；将电机的转动用螺旋副转化为沿其自身轴线的往复移动。所述第六轴7为回转关节结构，其呈圆柱体结构，其包括第六轴上外壳22，第六轴下外壳23，第六轴伺服电机24和第六轴谐波减速机25，其中所述第六轴下外壳23与第六轴上外壳22形成空腔，所述第六轴伺服电机23和第六轴谐波减速机24设于该空腔内，且第六轴伺服电机24与第六轴谐波减速机25相互连接。

参见图7，于伺服电机处设有电机驱动电路，该电路电机驱动电路包括驱动芯片，与驱动芯片连接的二极管D2～D9，电阻R7和电阻R8，电容C13和电容C14，两个非门和两个插件M1和M2。该电机驱动芯片具有较强的抗干扰性能，从而大大提高伺服电机的行走精度。

以上所述，仅为本发明的较佳可行实施例，并非用以局限本发明的专利范围，故凡运用本发明说明书内容所作的方法步骤及等效结构变化，均包含在本发明的保护范围。