一种重载五核快速关节机器人控制系统的制作方法

一种重载五核快速关节机器人控制系统的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种重载五核快速关节机器人控制系统，所述的控制系统包括主站控制计算机和控制器，所述控制器包括DSP芯片控制器、永磁同步电机闭环控制芯片、语音识别处理器、PLC控制器和ARM控制器，DSP芯片控制器和ARM控制器均与所述主站控制计算机通信连接，DSP芯片控制器与ARM控制器之间通信连接，四台稀土永磁同步伺服电机均与所述DSP芯片控制器通信连接，多个避障位移传感器、定位传感器、陀螺仪和加速度传感器均与所述DSP芯片控制器和ARM控制器通信连接。本发明的重载五核快速关节机器人控制系统计算速度快，使关节机器人手臂转向灵活、动作稳定精确、体积小巧，性能稳定，系统抗干扰能力强。
【专利说明】
一种重载五核快速关节机器人控制系统
技术领域
[0001] 本发明涉及一种重载五核快速关节机器人控制系统，属于装配作业的四关节机 器人手臂应用领域。
【背景技术】
[0002] 在工业生产中，工业机器人可以代替人类做一些比较单调、比较频繁和重复率较 高的长时间作业，或是在危险、恶劣环境下的作业，一般用作搬取零件和装配工作，在微电 子制造业、塑料工业、汽车工业、电子产品工业、药品工业和食品工业等领域得到广泛的应 用，它对于提高生产自动化水平、劳动生产率和经济效益、保证产品质量、保障人身安全、改 善劳动环境，减轻劳动强度、节约原材料消耗以及降低生产成本等有着十分重要的意义。 [0003] SCARA工业机器人即装配作业的机器人手臂是一种圆柱坐标型的工业机器人，它 依靠旋转关节大臂和小臂来实现X-Y平面内的快速定位，依靠一个手腕移动关节和一个手 腕旋转关节在Z方向上做伸缩和旋转运动，其具有四个运动自由度，该系列的操作手在其动 作空间的四个方向具有有限刚度，而在剩下的其余两个方向上具有无限大刚度。这种结构 特性使得SCARA机器人擅长从一点抓取物体，然后快速的安放到另一点，因此SCARA机器人 在自动装配生产线上得到了广泛的应用。SCARA机器人结构紧凑、动作灵活，速度快、位置精 度高，它的使用大大提高了机器人对复杂装配任务的适应性，同时也降低了成本，提高了工 作空间利用率。
[0004] SCARA机器人在搬运货物过程中要时刻判断主控制器输入的位置参数，并判断周 围的环境时刻避障，然后由运动控制器反复控制其精确的加速和减速进行搬运货物，稍微 的误差累计就有可能在多回合运动中导致运输失败。国内对SCARA机器人的使用虽然有几 十年，但是由于国内工业机器人发展起步比较晚，受较多关键技术的影响，SCARA机器人的 发展也受所影响，传统的机器人原理如图1所示，在长期使用期间出现众多问题： (1)虽然永磁无刷直流伺服电机较步进电机、直流电机和直流伺服电机性能有所提高， 但是其在启动或者是低速运动时转矩脉动较大，无法满足高精度SCARA机器人系统要求。 [0005] (2)无刷直流伺服电机的控制需要位置信息反馈进行电子换向，对于本控制系统 来说需要12个位置传感器进行位置反馈，使得系统硬件复杂程度增加。
[0006] (3)虽然永磁无刷直流伺服电机较步进电机、直流电机和直流伺服电机性能有所 提高，但是其效率相对较低，无法满足SCARA机器人节能系统。
[0007] (4)虽然永磁无刷直流伺服电机较步进电机、直流电机和直流伺服电机性能有所 提高，但是其带载能力相对较弱，无法满足重载SCARA机器人系统要求。
[0008] (5)当机器人遇到紧急情况需要停车或者是停车后启动均是通过按键完成，机器 人的智能程度不高。

【发明内容】

[0009] 本发明主要解决的技术问题是提供一种重载五核快速关节机器人控制系统，该重 载五核快速关节机器人控制系统计算速度快，使关节机器人手臂转向灵活、动作稳定精确、 体积小巧，性能稳定，可以提高机器人的工作承载能力，方便机器人插入临时动作。
[0010]为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：提供一种重载五核快速关节机 器人控制系统，所述关节机器人采用稀土永磁同步伺服电机X驱动机器人大臂旋转运动、采 用稀土永磁同步伺服电机Y驱动机器人小臂旋转运动、采用稀土永磁同步伺服电机Z驱动机 器人手腕旋转运动、采用稀土永磁同步伺服电机R驱动机器人手腕升降运动，所述机器人大 臂上安装有避障位移传感器S1、避障位移传感器S2、陀螺仪和加速度传感器A1，所述机器人 小臂上安装有避障位移传感器S3、避障位移传感器S4、陀螺仪和加速度传感器A2,所述机器 人手腕上安装有定位传感器S5、陀螺仪和加速度传感器A3,所述的控制系统包括主站控制 计算机和控制器，所述控制器包括DSP芯片控制器、永磁同步电机闭环控制芯片、语音识别 处理器、P1C控制器和ARM控制器，所述DSP芯片控制器、永磁同步电机闭环控制芯片、P1C控 制器和语音识别处理器均与所述主站控制计算机通信连接，所述DSP芯片控制器、永磁同步 电机闭环控制芯片、语音识别处理器和ARM控制器彼此通信连接，所述P1C控制器与ARM控制 器通信连接，所述稀土永磁同步伺服电机X、稀土永磁同步伺服电机Y、稀土永磁同步伺服电 机Z和稀土永磁同步伺服电机R均与所述DSP芯片控制器通信连接，所述避障位移传感器S1、 避障位移传感器S2、避障位移传感器S3、避障位移传感器S4、定位传感器S5、加速度传感器 A1、加速度传感器A2和加速度传感器A3均同时与所述DSP芯片控制器和ARM控制器通信连 接。
[0011]在本发明一个较佳实施例中，还包括为所述关节机器人和控制系统提供电源的主 电源和备用电源，所述关节机器人中的各个所述电机和传感器以及控制系统中的控制器均 与所述主电源和/或备用电源电性连接。
[0012]在本发明一个较佳实施例中，所述稀土永磁同步伺服电机X、稀土永磁同步伺服电 机Y、稀土永磁同步伺服电机Z和稀土永磁同步伺服电机R上匀设置有光电编码器，所述光电 编码器与所述DSP芯片控制器电性连接。
[0013] 在本发明一个较佳实施例中，所述机器人大臂上安装有磁电传感器EM1，所述机器 人小臂上安装有磁电传感器EM2,所述机器人手腕上安装有磁电传感器EM3和EM4,所述磁电 传感器EM1、磁电传感器EM2、磁电传感器EM3和EM4均与所述DSP芯片控制器和ARM控制器通 信连接。
[0014] 本发明的有益效果是:本发明的重载五核快速关节机器人控制系统计算速度快， 使关节机器人手臂转向灵活、动作稳定精确、体积小巧，性能稳定，系统抗干扰能力强，噪声 低，方便机器人插入临时动作，主站与ARM控制器之间通过PLC进行通讯，使得总站与ARM控 制器之间可以实时进行数据通讯和调用，使得临时任务加入运动队列非常简单，主站通过 基于语音识别处理器向ARM控制器输入临时任务或者是紧急启停命令，减少了紧急状态下 通过键盘输入命令的时间，可有效提高机器人工作效率，基于PLC控制器和基于语音识别的 两种输入方式使得机器人更改任务更加方便，永磁同步电机闭环控制芯片和DSP控制器可 以对稀土永磁同步伺服电机进行实时控制，减少了伺服控制软件的编写，使得控制比较简 单，大大提高了运算速度，解决了单片机软件运行较慢的瓶颈，缩短了开发周期短，并且程 序可移植能力强。
【附图说明】
[0015] 为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使 用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于 本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它 的附图，其中： 图1为传统SCARA机器人控制器原理图 图2为基于四轴稀土永磁同步伺服电机SCARA机器人二维结构图 图3为基于五核四轴稀土永磁同步伺服电机SCARA机器人控制器原理 图4为基于五核四轴稀土永磁同步伺服电机SCARA机器人程序框图。
[0016] 图5为基于五核四轴稀土永磁同步伺服电机运动原理图 图6为四轴电机加减速曲线图； 图7为本发明的重载五核快速关节机器人控制系统结构示意图。
[0017]附图中各部件的标记如下：1、主站控制计算机，2、控制器，3、DSP芯片控制器，4、 ARM控制器，5、主电源，6、备用电源，7、稀土永磁同步伺服电机X，8、稀土永磁同步伺服电机 Y，9、稀土永磁同步伺服电机Z，10、稀土永磁同步伺服电机R，11、光电编码器，12、避障位移 传感器S1，13、避障位移传感器S2,14、避障位移传感器S3,15、避障位移传感器S4,16、定位 传感器S5，17、加速度传感器Α1，18、加速度传感器Α2，19、加速度传感器A3，20、PLC控制器， 21、磁电传感器ΕΜ1，22、磁电传感器ΕΜ2，23、磁电传感器ΕΜ3，24、磁电传感器ΕΜ4，25、语音识 别处理器，26、永磁同步电机闭环控制芯片，27、陀螺仪。
【具体实施方式】
[0018] 下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施 例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通 技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范 围。
[0019] 请参阅图2至图7,本发明实施例包括:一种重载五核快速关节机器人控制系统，该 机器人为基于四轴稀土永磁同步伺服电机的SCARA机器人，即所述关节机器人采用稀土永 磁同步伺服电机X 7驱动机器人大臂旋转运动、采用稀土永磁同步伺服电机Y 8驱动机器人 小臂旋转运动、采用稀土永磁同步伺服电机Z 9驱动机器人手腕旋转运动、采用稀土永磁同 步伺服电机R 10驱动机器人手腕升降运动，所述机器人大臂上安装有避障位移传感器S1 12、避障位移传感器S2 13、陀螺仪27和加速度传感器A1 17,所述机器人小臂上安装有避障 位移传感器S3 14、避障位移传感器S4 15、陀螺仪27和加速度传感器A2 18,所述机器人手 腕上安装有定位传感器S5 16、陀螺仪27和加速度传感器A3 19。
[0020] 所述的控制系统包括主站控制计算机1和控制器2,所述控制器2包括DSP芯片控制 器3、永磁同步电机闭环控制芯片26、语音识别处理器25、P1C控制器20和ARM控制器4,所述 DSP芯片控制器3、永磁同步电机闭环控制芯片26、P1C控制器20和语音识别处理器25均与所 述主站控制计算机1通信连接，所述DSP芯片控制器3、永磁同步电机闭环控制芯片26、语音 识别处理器25和ARM控制器4彼此通信连接，所述P1C控制器20与ARM控制器4通信连接。所述 稀土永磁同步伺服电机X7、稀土永磁同步伺服电机Y8、稀土永磁同步伺服电机Z9和稀土永 磁同步伺服电机R10均与所述DSP芯片控制器3通信连接，所述避障位移传感器S1 12、避障 位移传感器S2 13、避障位移传感器S3 14、避障位移传感器S4 15、定位传感器S5 16、加速 度传感器A1 17、加速度传感器A2 18和加速度传感器A3 19均同时与所述DSP芯片控制器3、 语音识别处理器25、PLC控制器20和ARM控制器4通信连接。
[0021] 优选地，本发明的重载五核快速关节机器人控制系统还包括为所述关节机器人和 控制系统提供电源的主电源5和备用电源6,所述关节机器人中的各个所述电机和传感器以 及控制系统中的控制器2均与所述主电源5和/或备用电源6电性连接。
[0022] 优选地，所述稀土永磁同步伺服电机X 7、稀土永磁同步伺服电机Y 8、稀土永磁同 步伺服电机Z 9和稀土永磁同步伺服电机R10上匀设置有光电编码器11，所述光电编码器11 与所述DSP芯片控制器3电性连接。
[0023]优选地，所述机器人大臂上安装有磁电传感器EM1 21，所述机器人小臂上安装有 磁电传感器EM2 22,所述机器人手腕上安装有磁电传感器EM3 23和EM4 24,所述磁电传感 器EM1 21、磁电传感器EM2 22、磁电传感器EM3 23和EM4 24均与所述DSP芯片控制器3和ARM 控制器4通信连接。这些磁电传感器分别读取各自的零位设置标志，当四者均探测到信号 时，SCARA机器人实现精确复位，提高了复位的精确度。
[0024] 本发明采用DSP控制器3(TMS320F2812)+永磁同步电机闭环控制芯片26(即 IRMCK203控制器）+语音识别处理器25(芯片型号为LD3320)+PLC控制器20+ ARM控制器4 (STM32F746)五核进行系统控制。
[0025] 在电源打开状态下，ARM控制器先动态编辑LD3320的关键词语列表，增加机器人语 音识别率，然后对机器人备用电源S0C(荷电状态)和主电源进行判断，如果备用能源较低， 控制器会发出报警信号；如果备用电源和主电源工作正常，先由总站通过PLC控制器或者是 基于LD3320的语音识别系统把搬运货物大臂、小臂和手腕旋转角度以及升降信息输入给 ARM，然后由ARM计算出机器人伺服系统的参数队列；SCARA机器人携带的零位置传感器EM1、 EM2、EM3和EM4开始工作，使机器人复位到设定零位置，机器人进入自锁状态;一旦搬运命令 开始后，机器人携带的避障传感器、定位传感器、加速度传感器和陀螺仪均开启，SCARA机器 人按照设定ARM优化的搬运路径快速搬运，DSP与IRMCK203通讯，IRMCK203按照伺服参数和 传感器反馈实时调整SCARA机器人稀土永磁同步伺服电机X、稀土永磁同步伺服电机Y、稀土 永磁同步伺服电机Z和稀土永磁同步伺服电机R的PWM输出，实现四台稀土永磁同步伺服电 机的实时伺服控制，DSP和ARM实时采集机器人运动信息并存储货物位置信息;如果ARM对搬 运某一个位置有疑问，将与DSP通讯，DSP通过IRMCK203使SCARA机器人停车，然后人工对DSP 存储信息进行判断，确认无误后总站通过PLC控制器二次人工启动SCARA机器人继续未完成 的任务。在机器人运动过程中，如果遇到紧急情况，主站将通过麦克风装置向控制器输入控 制命令，语音识别器LD3320识别后与ARM通讯，ARM处理后与DSP通讯，DSP把主站命令转化为 各个稀土永磁同步伺服电机的控制信号。
[0026]参照图1，图2，图3和图4、图5、图6，其具体的功能实现如下： 1)SCARA机器人电源打开后，为了提高机器人语音识别效果，进一步降低误识别率，ARM 控制器先向LD3320输入SCARA机器人常用的一些命令和指令，用来吸收错误识别，从而达到 降低LD3320误识别率的目的。
[0027] 2)ARM先对备用电源S0C和主电源状态进行判断，如果备用电源S0C较低时，DSP将 禁止控制四台稀土永磁同步伺服电机的IRMCK203工作，电机输入PWM波控制信号被封锁，同 时报警传感器将工作通过PLC控制器向总站并发出报警信号；如果电池 S0C正常，SCARA机器 人进入待工作状态，等待工作命令。
[0028] 3)-旦总站工作命令开始，总站可以选择基于LD3320语音识别系统或者是PLC控 制器与ARM通讯，任何一个控制器都可以把大臂、小臂长度和升降杆的长度等信息通过 RS485传入到ARM控制器，然后机器人开始校正零位置，SCARA机器人携带的磁电传感器EM1、 EM2、EM3和EM4开始工作，并各自寻找设定的零位置标志，当磁电传感器EM1、EM2、EM3和EM4 均有信号输出时，D S P通过IRMCK 2 0 3封锁四路稀土永磁同步伺服电机的PWM波控制信号， SCARA机器人自动引导零位置复位完成，，此时ARM控制器设定各个旋转角度4 =為=各=0 ，手腕上升尚度_?^·*二?。
[0029] 4 )为了满足S C A R A机器人的加减速运动需要，本发明采用如图6的运动时间梯形 图，此梯形图包含的面积就是机器人大臂、小臂和手腕要旋转的角度或者是手腕升降的高 度，为了方便控制，本发明采用单一加速度模式。
[0030] 5)SCARA机器人读取其工作模式，如果是人工工作模式，总站可以选择基于LD3320 语音识别系统或者是PLC控制器与ARM通讯，由主站输入SCARA机器人大臂、小臂和手腕需要 旋转的角度螂，垮，负以及SCARA机器人手腕需要上升或者是下降的高度右给ARM控制器， ARM控制器根据Denavit-Hartenberg算法开始机器人位置和姿态正向求解:ARM控制器首先 根据SCARA机器人大臂、小臂和手腕需要旋转的角度罈，巧，涔以及SCARA机器人手腕需要上 升的高度4计算出相邻两杆件坐标系之间的位姿矩阵Mel，％，#?，#?，并用各自用4*4 ^维数组标志，*^08, ，^^?4分别表不如下：
[0031] ARM控制器然后通过公式财=财就可以求出手腕执彳丁器完成任务 后的位置和姿态，并与DSP通讯，传输人工输入参数给DSP。
[0032] 6)SCARA机器人读取其工作模式，如果是正常自动搬运工作模式，主站可以选择基 于LD3320语音识别系统或者是PLC控制器与ARM通讯，由主站输入SCARA机器人所处的初始 位置和给定位置三维坐标给ARM控制器，ARM控制器根据Denavit-Hartenberg算法开始机器 人逆向求解:ARM控制器首先根据大臂、小臂长度以及最终的三维坐标中的X和Y坐标求出大 臂需要旋转的角度珥，并借助珥的值求出咚的值，并根据三维坐标中的Z坐标求出手腕上升 或降低的高度4，最终求出旋转角度巧，由于在求解A的时候方程具有双解，所以SCARA机 器人求出大臂、小臂和手腕需要旋转的角度巧，4，^W&scara机器人手腕需要上升的高 度右:后，ARM控制器会对求解结果进行优化，然后ARM控制器与DSP通讯，把机器人最有伺服 运动参数传输给DSP控制器。
[0033] 7)DSP控制器接受SCARA机器人大臂、小臂和手腕需要旋转的角度爲，咚，與以及 SCARA机器人手腕需要上升的高度4后，大臂、小臂和手腕上的传感器S1~S5、EM1、EM2和EM3 将开启，首先SCARA机器人要对零位置进行判断，确认初始位置无误后，SCARA机器人对各个 旋转臂旋转角度内的障碍物进行判断，如存在障碍物将向DSP发出中断请求，DSP会对中断 做第一时间响应，然后DSP禁止四轴IRMCK203工作，四轴稀土永磁同步伺服电机ΠΜ波控制 信号被封锁，SCARA机器人禁止稀土永磁同步伺服电机X、稀土永磁同步伺服电机Y、稀土永 磁同步伺服电机Z和电机稀土永磁同步伺服电机R工作，机器人自锁在原地，DSP控制器二次 判断运动范围内的障碍物信息，防止信息误判。
[0034] 8)如果DSP控制器确定无障碍物进入运动区域，DSP控制器按照图6的速度时间曲 线对运动位置进行分解，DSP首先把三个旋转角度咚，咚，巧转化为三台稀土永磁同步伺服 电机的加速度、速度和位置初始指令值，然后DSP与IRMCK203通讯，IRMCK203结合电机X、电 机Y和电机Z的光电编码器反馈，经IRMCK203内部伺服调节程序生成电机X、电机Y和电机Z的 PWM波控制信号，PWM波控制信号经驱动桥放大后驱动各个电机运动。DSP控制器根据输入偏 差大小实时调整IRMCK203内部伺服控制程序的PI参数，IRMCK203控制器通过调整稀土永磁 同步伺服电机的驱动脉冲数目调整其旋转角度，通过调整稀土永磁同步伺服电机控制信号 的频率实现角速度快慢的变化，使三轴稀土永磁同步伺服电机时刻同步工作，DSP时刻记录 机器人已经运动的位置参数。
[0035] 9)在SCARA机器人移动过程中，传感器S1~S4时刻对运动范围内的移动障碍物进行 判断，如果有障碍物进入运动范围，DSP立即通过IRMCK203使SCARA机器人的大臂、小臂和手 腕按照图6的减速运动曲线立即停车，DSP控制器记录下当前旋转角度咚，咚，巧信息。等障 碍物消失后，重新计算对新位置的旋转角度成，與，涔，然后DSP控制IRMCK203按照图6的运 动曲线重新经过三段运动轨迹:加速运动、勾速运动和减速运动，最终到达设定点。
[0036] 10)在移动过程中，DSP时刻记录加速度计反馈的大臂、小臂和手腕旋转的角加速 度，控制器通过二次积分得到大臂、小臂和手腕的旋转角度，并与设定的位置角度值相比 较，如果偏差大于设定阀值，DSP把这个偏差转化为三台稀土永磁同步伺服电机新的加速 度、速度和位置初始指令值，在下一个采样周期，DSP与IRMCK203通讯，IRMCK203结合电机X、 电机Y和电机Z电机光电编码器反馈的反馈，经IRMCK203内部伺服调节程序生成电机X、电机 Y和电机Z的PWM波控制信号，PWM波控制信号经驱动桥放大后驱动各个电机运动。DSP控制器 根据输入偏差大小实时调整IRMCK203内部伺服控制程序的PI参数，IRMCK203控制器通过调 整稀土永磁同步伺服电机的驱动脉冲数目调整其旋转角度，通过调整稀土永磁同步伺服电 机控制信号的频率实现角速度快慢的变化，进而消除上一个采样周期产生的误差，使SCARA 机器人按照设定轨迹完成任务。
[0037] 11)在SCARA机器人运动过程中，DSP会时刻储存所经过的SCARA机器人所处的位置 或者是经过的参考点，并根据这些距离信息由DSP计算得到相对下一个参考点SCARA机器人 稀土永磁同步伺服电机X、稀土永磁同步伺服电机Y、稀土永磁同步伺服电机Z分别要运行的 角度、角度速度和角加速度，IRMCK203结合电机X、电机Y和电机Z电机光电编码器反馈的反 馈，经内部伺服调节程序生成电机X、电机Y和电机冗的!5丽波控制信号，P丽波控制信号经驱 动桥放大后驱动各个电机运动。DSP控制器根据输入偏差大小实时调整IRMCK203内部伺服 控制程序的PI参数，通过调整稀土永磁同步伺服电机的驱动脉冲数目调整其旋转角度，通 过调整稀土永磁同步伺服电机控制信号的频率实现角速度快慢的变化，使SCARA机器人按 照设定速度快速前行。
[0038] 12)在SCARA机器人运动过程中，ARM和DSP实时记录机器人大臂、小臂和手腕旋转 的角度，如果总站发现机器人运行速度较慢，可以通过LD3320语音识别系统向ARM输入加速 命令，ARM处理后与DSP通讯，DSP根据加速时间要求，把剩余的角度转化为稀土永磁同步伺 服电机X、稀土永磁同步伺服电机Y、稀土永磁同步伺服电机Z分别要运行的角度、角度速度 和角加速度指令，IRMCK203控制器再结合光电编码器的反馈，根据其内部三闭环伺服控制 程序重新调整三台稀土永磁同步伺服电机的PWM控制信号信号，使机器人快速完成任务。 [0039] 13)在SCARA机器人运动过程中，ARM和DSP实时记录机器人大臂、小臂和手腕旋转 的角度，如果总站发现机器人需要紧急检修，可以通过LD3320语音识别系统向ARM输入停车 命令，ARM处理后与DSP通讯，DSP根据停车时间要求，IRMCK203控制器再结合光电编码器的 反馈，根据其内部三闭环伺服控制程序重新调整三台稀土永磁同步伺服电机的PWM控制信 号信号，使机器人迅速完成停车，DSP控制器通过加速度和陀螺仪传感器实时记录机器人旋 转的角度并储存。主站完成检修完毕后，通过LD3320语音识别系统向ARM输入启动命令，ARM 处理后与DSP通讯，DSP根据加速时间要求，把剩余的角度转化为稀土永磁同步伺服电机X、 稀土永磁同步伺服电机Y、稀土永磁同步伺服电机Z分别要运行的角度、角度速度和角加速 度指令，IRMCK203控制器再结合光电编码器的反馈，根据其内部三闭环伺服控制程序重新 调整三台稀土永磁同步伺服电机的PWM控制信号信号，使机器人快速完成剩余任务。
[0040] 14)在SCARA机器人完成三轴旋转角度咚，巧，爲的伺服控制后，DSP二次检测加速 度传感器的积分值，如果发现SCARA机器人在运动过程受到外界干扰后三个旋转角度咚，芎 ，巧与设定角度的误差超过设定阀值时，DSP把三个旋转角度偏差Δ巧，A磉转化为三台 稀土永磁同步伺服电机位置微调的加速度、速度和位置初始指令值，然后DSP与IRMCK203通 讯，IRMCK203结合电机X、电机Y和电机Z电机光电编码器反馈的反馈，经IRMCK203内部伺服 调节程序生成电机X、电机Y和电机Z的PWM波控制信号，PWM波控制信号经驱动桥放大后驱动 各个电机运动。DSP控制器根据输入偏差大小实时调整IRMCK20 3内部伺服控制程序的PI参 数，IRMCK203控制器通过调整稀土永磁同步伺服电机的驱动脉冲数目调整其旋转角度，通 过调整稀土永磁同步伺服电机控制信号的频率实现角速度快慢的变化，通过三轴稀土永磁 同步伺服电机的再次工作使机器人大臂、小臂和手腕到达设定位置。
[0041] 15)当SCARA机器人的大臂、小臂和手腕完成角度&，硌，芎的角度补偿到达设定位 置后，手腕上的传感器EM4将再次开启，首先SCARA机器人要对零位置进行判断，确认初始位 置无误后，DSP按照图6的速度时间曲线，把手腕要升降的距离召转化为稀土永磁同步伺服 电机R的加速度、速度和位置初始指令值，然后DSP与IRMCK203通讯，IRMCK203结合电机R光 电编码器的反馈，经内部伺服调节程序生成电机R的PWM波控制信号，PWM波控制信号经驱动 桥放大后驱动各个电机运动。DSP控制器根据输入偏差大小实时调整IRMCK203内部伺服控 制程序的PI参数，DSP控制器通过调整稀土永磁同步伺服电机的驱动脉冲数目调整其旋转 角度，通过调整稀土永磁同步伺服电机控制信号的频率实现角速度快慢的变化，使手腕平 稳在设定时间内到达设定位置。
[0042] 16)在运动过程中如果SCARA机器人发现位置参数求解出现死循环将向ARM发出中 断请求，ARM会对中断做第一时间响应，ARM控制器将立即与DSP通讯，DSP立即通过IRMCK203 封锁四台稀土永磁同步伺服电机的控制信号，机器人原地自锁，主站通过PLC或者是基于 LD3320语音识别系统向ARM控制器输入新的工作位置信息。
[0043] 17)在SCARA机器人多次反复运动过程中，如果主站发现有临时重要任务需要加入 工作队列中，主站将再次基于LD3320的语音识别系统，由主站通过LD3320控制器与ARM通 讯，主站输入的语音指令经LD3320识别后与ARM通讯，ARM控制器把语音指令转化为重要任 务的位置伺服参数，ARM与DSP通讯，首先由DSP控制IRMCK203完成当前未完成的任务，同时 ARM更新DSP原有的伺服运动控制参数队列，并传输新的伺服位置参数给DSP，使DSP下一个 伺服运动控制完成重要临时任务。
[0044] 18)在SCARA机器人多次反复运动过程中，如果当磁电传感器EM1、EM2、EM3和EM4读 到传感信号时，DSP控制器将以零位置参数代替现有的位置参数进行新的位置伺服控制，并 计算出误差，在下一个采样周期，DSP通过IRMCK203内部三闭环稀土永磁同步伺服电机控制 程序对误差进行补偿，及时消除累计误差。
[0045] 19 )装在稀土永磁同步伺服电机X、稀土永磁同步伺服电机Y、稀土永磁同步伺服电 机Z、稀土永磁同步伺服电机R上的光电编码器会输出其位置信号A和位置信号B，光电编码 器的位置信号A脉冲和B脉冲逻辑状态每变化一次，DSP和ARM内的位置寄存器会根据电机的 运行方向加1或者是减1;光电编码器的位置信号A脉冲和B脉冲和Z脉冲同时为低电平时，就 产生一个INDEX信号给DSP和ARM内部寄存器，记录稀土永磁同步伺服电机的绝对位置，然后 换算成SCARA机器人大臂、小臂或者是手腕在三维坐标系统中的具体位置，ARM控制器实时 通过PLC与主站通讯，把重要的位置参数传输给主站。当磁电传感器EMI、EM2和EM3读到传感 信号时，DSP控制器将以零位置参数代替现有的位置参数，及时消除累计误差。
[0046] 20)SCARA机器人在运行过程ARM控制器时刻对AC交流主电源进行监控，如果控制 器发现主电源出现故障突然断电时，ARM会与DSP通讯，并开通备用电源，由备用电源为四轴 稀土永磁同步伺服电机提供能量，DSP通过IRMCK203内部伺服调节程序实时调整四台稀土 永磁同步伺服电机的ΠΜ输出，IRMCK203控制器通过调整稀土永磁同步伺服电机的驱动脉 冲数目调整其旋转角度，通过调整稀土永磁同步伺服电机控制信号的频率实现角速度快慢 的变化，使SCARA机器人完成这次搬运任务，然后SCARA机器人通过PLC与主站进行通讯，并 通知主站进行检修。
[0047] 21)在SCARA机器人多轴伺服系统工作过程中，如果DSP伺服控制器检测到某一个 稀土永磁同步伺服电机的转矩出现脉动，由于本发明采用的稀土永磁同步伺服电机采用直 接转矩控制，因此控制器会很容易补偿此干扰，并根据干扰大小DSP实时调整IRMCK203内部 的PI参数，减少了电机转矩扰动对SCARA机器人运动过程的影响。
[0048] 22)当SCARA机器人完成任务，实现位置归零时，其携带的加速度传感器A1~A3、陀 螺仪27、磁电传感器EM1、EM2、EM3和EM4会时刻工作，先有加速度传感器和陀螺仪检测其加 速度和速度，当加速度和速度超过预设阀值时，在下一个周期DSP控制器会通过IRMCK203修 正上一个周期带来的误差，当磁电传感器EM1、EM2、EM3、EM4均有信号输出时，DSP通过 IRMCK203封锁四路稀土永磁同步伺服电机的PWM波控制信号，SCARA机器人自动引导零位置 复位完成，SCARA机器人按照图6的速度-时间运动曲线实现从某一点到零位的归位，然后零 位自锁，等待下一批工作命令。
[0049]以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发 明说明书内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其它相关的技术领 域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
【主权项】
1. 一种重载五核快速关节机器人控制系统，其特征在于，所述关节机器人采用稀土永 磁同步伺服电机X驱动机器人大臂旋转运动、采用稀土永磁同步伺服电机Y驱动机器人小臂 旋转运动、采用稀土永磁同步伺服电机Z驱动机器人手腕旋转运动、采用稀土永磁同步伺服 电机R驱动机器人手腕升降运动，所述机器人大臂上安装有避障位移传感器S1、避障位移传 感器S2、陀螺仪和加速度传感器Al，所述机器人小臂上安装有避障位移传感器S3、避障位移 传感器S4、陀螺仪和加速度传感器A2，所述机器人手腕上安装有定位传感器S5、陀螺仪和加 速度传感器A3,所述的控制系统包括主站控制计算机和控制器，所述控制器包括DSP芯片控 制器、永磁同步电机闭环控制芯片、语音识别处理器、PlC控制器和ARM控制器，所述DSP芯片 控制器、永磁同步电机闭环控制芯片、PlC控制器和语音识别处理器均与所述主站控制计算 机通信连接，所述DSP芯片控制器、永磁同步电机闭环控制芯片、语音识别处理器和ARM控制 器彼此通信连接，所述PlC控制器与ARM控制器通信连接，所述稀土永磁同步伺服电机X、稀 土永磁同步伺服电机Y、稀土永磁同步伺服电机Z和稀土永磁同步伺服电机R均与所述DSP芯 片控制器通信连接，所述避障位移传感器S1、避障位移传感器S2、避障位移传感器S3、避障 位移传感器S4、定位传感器S5、加速度传感器Al、加速度传感器A2和加速度传感器A3均同时 与所述DSP芯片控制器和ARM控制器通信连接。2. 根据权利要求1所述的重载五核快速关节机器人控制系统，其特征在于，还包括为所 述关节机器人和控制系统提供电源的主电源和备用电源，所述关节机器人中的各个所述电 机和传感器以及控制系统中的控制器均与所述主电源和/或备用电源电性连接。3. 根据权利要求1所述的重载五核快速关节机器人控制系统，其特征在于，所述稀土永 磁同步伺服电机X、稀土永磁同步伺服电机Y、稀土永磁同步伺服电机Z和稀土永磁同步伺服 电机R上匀设置有光电编码器，所述光电编码器与所述DSP芯片控制器电性连接。4. 根据权利要求1至3任一项所述的重载五核快速关节机器人控制系统，其特征在于， 所述机器人大臂上安装有磁电传感器EMl，所述机器人小臂上安装有磁电传感器EM2,所述 机器人手腕上安装有磁电传感器EM3和EM4,所述磁电传感器EMl、磁电传感器EM2、磁电传感 器EM3和EM4均与所述DSP芯片控制器和ARM控制器通信连接。
【文档编号】B25J9/18GK105945959SQ201610419537
【公开日】2016年9月21日
【申请日】2016年6月14日
【发明人】张好明
【申请人】江苏若博机器人科技有限公司