一种精密机器人控制系统的制作方法

本实用新型涉及机器人技术领域，尤其涉及一种精密机器人控制系统。

背景技术：

工业机器人是由机器人和周边设备、工具组成的一套自动化作业系统。随着社会的不断发展，由于机器人具有可长时间工作、重复性好等的优势，工业机器人开始广泛的在工业化生产中应用。

现有的工业机器人通常是多轴的机械臂。其主要由齿轮箱以及相应的动力系统组成。在控制系统的控制下，令机器臂执行相应的动作从而完成生产。

在实现本实用新型的过程中，申请人发现现有技术中存在如下问题：为了更便于进行机器动作的学习以及进行更精密的工作，通常需要工业机器人具有相应的力量跟随功能。亦即能够根据对于外界施加的力量作出正确的反馈。例如，在人手的牵引下进行相应的动作。

为了实现这一功能，感知机器臂受到的力矩是非常重要的一部分。在现有的工业机器人中，通常会使用相应的六轴力矩传感器来获取相应的力矩数据。但是，在每个轴上均安装这样的六轴力矩传感器需要付出非常高昂的成本。

现有还有一些使用对电机电流等检测方式，间接测试每个机器臂受到的力矩的作用。但是这样又会降低了检测的精度，可能需要较长的反馈时间。

技术实现要素：

为了克服上述技术问题，本实用新型目的旨在提供一种精密机器人控制系统，其解决了现有的精密机器人控制系统在实现力量跟踪时，实现成本较高的问题。

本实用新型实施例提供一种精密机器人控制系统，应用于由机器人基座和多轴机器臂组成的精密机器人中。所述精密机器人控制系统包括：

光电编码器，所述光电编码器设置相邻的机器臂上，用于检测所述机器臂之间的相对转动角度；

红外摄像机，所述红外摄像机设置在所述机器人基座上，跟随所述多轴机器臂转动；

红外标记点，所述红外标记点设置在所述机器臂的外表面；

电流取样电路，所述电流取样电路与驱动多轴机器臂的电机连接，获取电机的电流变化信号；

压电传感器，所述压电传感器通过万向环固定在所述机器臂的一端，用于获取正对传感器方向上的压力变化；

控制器，所述控制器分别与所述光电编码器、红外摄像机、电流取样电路以及压电传感器连接，并输出相应的控制信号至所述电机。

可选地，所述控制器包括：位置控制单元、力矩控制单元以及主控制单元；

所述红外摄像机以及光编码器与位置自控制单元连接，所述电流取样电路以及压电传感器与力矩控制单元连接；

所述位置控制单元和所述力矩控制单元以并行传输方式，与所述主控制单元连接。

可选地，所述光电编码器为绝对型光电编码器；所述光电编码器的码盘设置在机器臂相接的一面，为二进制形式码盘。

可选地，所述红外摄像机设置在所述机器人基座的外表面，具有预定的拍摄频率。

可选地，所述红外标记点具有相互独立的标记信息，沿预定的间隔绕所述机器臂的外表面设置。

可选地，所述万向环上还设置有伺服电机；所述控制器与所述伺服电机连接，控制所述万向环的转动方向。

可选地，所述控制系统还包括至少一个网络接口；所述网络接口与所述控制器连接，用于建立数据传输通道。

可选地，所述网络接口为总线接口或者无线网络接口。

可选地，所述控制系统还包括电源管理电路；所述电源管理电路与所述精密机器人的供电电源连接，具有至少两个电压输出端口。

可选地，所述控制系统还包括用于显示当前机器臂运行轨迹的显示器；所述显示器设置在所述基座上，与所述控制器连接。

在本实用新型实施例中，控制系统可以通过红外标记点和红外摄像机额外提供的数据信息辅助确定当前机器臂在空间中的位置信息和姿态。因此，只需要使用简单的压电传感器即可完成上述的力矩跟随功能，不需要使用昂贵的六轴力矩传感器，从而有效的缩减的工业机器人的制造成本和难度。

附图说明

图1是本实用新型实施例提供的控制系统的结构示意图；

图2是本实用新型实施例提供的控制器的结构示意图。

具体实施方式

为了便于理解本实用新型，下面结合附图和具体实施方式，对本实用新型进行更详细的说明。需要说明的是，当元件被表述“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上、或者其间可以存在一个或多个居中的元件。当一个元件被表述“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件、或者其间可以存在一个或多个居中的元件。本说明书所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。

除非另有定义，本说明书所使用的所有的技术和科学术语与属于本实用新型的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本说明书中在本实用新型的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是用于限制本实用新型。本说明书所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

为了方便说明并且理解本实用新型的技术方案，以下说明所使用的方位词均以附图所展示的方位为准。

本实用新型实施例中提供的精密机器人是指具有多个轴的机器臂，例如3轴、4轴或者5轴机器臂。这些机器臂相互之间由齿轮箱连接，每个机器臂都作为一个轴，与其连接的机器臂可以绕轴向方向转动，从而实现整个机器臂在整个立体空间内的全范围运动。

相邻的机器臂之间可以相对转动，最末端的机器臂通常可以固定设置有各种不同类型的工装或者夹具，用于完成相应的加工或者装配工序。这些机器臂在生产厂房中，通常通过基座固定在生产线的两侧，以完成生产操作的过程。

通常的，这些精密机器人都是采用负反馈方式实现闭环控制。因此，为了实现上述的力矩跟踪过程，每个轴的机器臂需要获知当前的力矩以及位置信息，从而准确的对外界施加的力量作出反应。

图1为本实施例提供的精密机器人控制系统。如图1所示，所述精密机器人关节模具包括：光电编码器10、红外摄像机20，红外标记点30、电流取样电路40、压电传感器50以及控制器60。

其中，所述光电编码器10设置相邻的机器臂上，用于检测所述机器臂之间的相对转动角度。

具体的，所述光电编码器10可以选用绝对型光电编码器。所述光电编码器的码盘设置在机器臂相接的一面，为二进制形式码盘。亦即，所述码盘可以设置在机器臂的末端，当与其连接的另一机器臂则设置有相应的光发射单元。当两者之间发生旋转时，便可以通过码盘上的编码读出当前机器臂的旋转角度。

所述红外摄像机20设置在所述机器人基座上，跟随所述多轴机器臂转动，从而始终保持对多轴机器臂的拍摄。所述红外标记点30设置在所述机器臂的外表面。

由于额外设置的红外标记点30。因此，红外摄像机20拍摄获得的红外图像中，各个红外标记点30的位置将跟随多轴机器臂的姿态和位置发生相应的变动，控制器可以根据这些变动来大致的确定此时多轴机器臂的具体姿态和位置。

所述电流取样电路40与驱动多轴机器臂的电机连接，获取电机的电流变化信号。所述电流取样电路40具体可以采用任何合适类型，符合使用要求的电流取样电路。其具体为本领域常用技术，为陈述简便，在此不作赘述。所述控制器可以通过读取电机的工作电流来协助判断电机的工作状态以及受到的阻力情况。

所述压电传感器50通过万向环固定在所述机器臂的一端，用于获取正对传感器方向上的压力变化。所述压电传感器50是一个简单的传感器单元，其只能感知在正向方向(即正对传感器方向)上的压力变化，并转化为相应的电流信号。

所述控制器60分别与所述光电编码器、红外摄像机、电流取样电路以及压电传感器连接，并输出相应的控制信号至所述电机，控制机器臂进行相应的动作。所述控制器60具体可以使用任何合适的类型的核心控制器，执行相应的逻辑运算以后实现相应的闭环控制功能，其具体的算法等均可以采用现有常用的闭环控制算法完成，在此不作赘述。

在实际使用过程中，控制器60可以根据红外摄像机拍摄获得的红外图像，快速便捷的确定当前的机器臂的姿态，从而确定压电传感器50当前承受的力矩的方向。亦即分开识别力矩的方向(由红外图像获得)以及数值(由压电传感器获得)。通过这样的方式，只需要使用感知一个方向的压电传感器即可替代现有的六轴力矩传感器，整体控制系统的成本能够得到有效的控制。

在一些实施例中，所述红外摄像机设置在所述机器人基座的外表面，具有预定的拍摄频率，跟随基座的转轴进行旋转，从而确保能够完整的拍摄机器臂的动作。

具体的，所述红外标记点可以设置为多个，每个不同的红外标记点都可以具有相互独立的标记信息，沿预定的间隔绕所述机器臂的外表面设置。当红外摄像机的拍摄角度确定时，便可以根据拍摄到的红外标记点的数量以及相对位置关系确定当前的机器臂姿态。

在本实施例中，所述压电传感器是放置在万向环中，能够在任意角度范围内转动以便于仅可能的贴近机器臂的挥动或者摆动方向，便于控制器进行运算。为了进一步的实现对压电传感器的精确控制，确保检测到的力矩数据的精确性，较佳的是，所述万向环上还可以设置有伺服电机。所述控制器与所述伺服电机连接，控制所述万向环的转动方向，从而改变压电传感器的朝向，更好的实现力矩检测。

在另一些实施例中，为了实现机器人的模块化设计，减轻和适当分担对于处理器的运算效果。如图2所示，所述控制器可以包括：位置控制单元61、力矩控制单元62以及主控制单元63。

其中，所述红外摄像机以及光编码器与位置自控制单元连接，用于实现机器臂的姿态和位置计算。所述电流取样电路以及压电传感器与力矩控制单元连接，实现对于机器臂的力矩感知。

所述位置控制单元61和所述力矩控制单元62以并行传输方式，与所述主控制单元63连接。所述主控制单元63根据上述两个控制单元的计算结果，实现相应的功能操作。例如，记忆某个由人手指引完成的操作。

在本实施例中，两个子控制单元61和62通过并行传输的方式，可以确保数据之间的正确对应关系，不会出现错误匹配而导致计算错误的情况发生。

在实际使用过程中，所述控制系统还可以进一步的根据实际的使用需求，添加一种或者多种额外的接口或者外围设备，以实现更多的控制功能，提高机器人在使用过程中的便捷程度。例如，如图1所示，所述控制系统还可以包括至少一个网络接口70。所述网络接口70与所述控制器连接，用于建立数据传输通道。在一些实施例中，所述网络接口可以是总线接口或者无线网络接口，用以组建由多个精密机器人构成的控制网络。

在另一些实施例中，所述控制系统还可以包括电源管理电路。所述电源管理电路与所述精密机器人的供电电源连接，具有至少两个电压输出端口，为相应的传感器或者控制器供电。

为了加强与用户之间的交互，如图1所示，所述控制系统还可以包括用于显示当前机器臂运行轨迹的显示器80。所述显示器80可以设置在所述基座上，与所述控制器60连接。所述显示器80具体可以采用任何合适类型显示设备，包括但不限于LED显示器、LCD显示屏以及电磁触摸屏等。

综上所述，本实用新型实施例提供的控制系统，采用了红外摄像机和红外标记点配合的方式来实现对于精密机器人的姿态检测，具有实现成本低的优势。结合对精密机器人的姿态信息、力矩信息以及位置信息，即可实现精密机器人的闭环控制，实现多种不同的控制功能，完成相应的加工或者装配操作，具有良好的应用前景。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。