一种轻载无线传输三核常速关节机器人控制系统的制作方法

一种轻载无线传输三核常速关节机器人控制系统的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种轻载无线传输三核常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、PLC控制器、图像采集模块、无线传输模块和ARM控制器，DSP芯片控制器和ARM控制器均与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，四台稀土永磁无刷直流伺服电机均与DSP芯片控制器通信连接，多个避障位移传感器、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均与所述DSP芯片控制器和ARM控制器通信连接。本发明的轻载无线传输三核常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，便于无线监控。
【专利说明】
一种轻载无线传输三核常速关节机器人控制系统
技术领域
[0001 ] 本发明涉及一种轻载无线传输三核常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关节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)在SCARA机器人进行零位置归位时，或者是机器人复位时，均依靠人工目测的方式， 使得机器人的零位置设定有误。
[0005] (2)虽然永磁直流伺服电机较直流电机、步进电机功能有所提高，但是普通永磁直 流伺服电机为有刷结构，因存在集电环炭刷结构，在电机运行时产生火花，特别是在高速时 将产生严重的环火，产生无线电干扰，不适合高速旋转，不适合运用于带载运行的SCARA机 器人。
[0006] (3 )永磁直流伺服电机为有刷结构，集电环和碳刷之间直接接触且高速相对运动， 这种机械结构使得有机械摩擦存在，产生较大的机械噪声，使得SCARA机器人的噪声污染增 大。
[0007] (4)永磁直流伺服电机为有刷结构，需要定期更换炭刷，电机只能采用开启式防护 形式，并且有刷直流电机效率低，不适合运用于带载运行的SCARA机器人。

【发明内容】

[0008] 本发明主要解决的技术问题是提供一种轻载无线传输三核常速关节机器人控制 系统，该轻载无线传输三核常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，噪声低，便于无线监控。
[0009] 为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：提供一种轻载无线传输三核常 速关节机器人控制系统，所述关节机器人采用稀土永磁无刷直流伺服电机X驱动机器人大 臂旋转运动、采用稀土永磁无刷直流伺服电机Y驱动机器人小臂旋转运动、采用稀土永磁无 刷直流伺服电机Z驱动机器人手腕旋转运动、采用稀土永磁无刷直流伺服电机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、PlC控制器、图像采集模块、无线 传输模块和ARM控制器，所述图像采集模块与无线传输模块之间通信连接，所述DSP芯片控 制器和PlC控制器均与所述主站控制计算机通信连接，所述DSP芯片控制器与ARM控制器通 信连接，所述无线传输模块和ARM控制器通信连接，所述PlC控制器与ARM控制器通信连接， 所述稀土永磁无刷直流伺服电机X、稀土永磁无刷直流伺服电机Y、稀土永磁无刷直流伺服 电机Z和稀土永磁无刷直流伺服电机R均与所述DSP芯片控制器通信连接，所述避障位移传 感器Sl、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AU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。
[0010] 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。
[00?1 ]在本发明一个较佳实施例中，所述稀土永磁无刷直流伺服电机X、稀土永磁无刷直 流伺服电机Y、稀土永磁无刷直流伺服电机Z和稀土永磁无刷直流伺服电机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。
[0012] 在本发明一个较佳实施例中，所述图像采集模块为CCD摄像头组件。
[0013] 在本发明一个较佳实施例中，所述图像采集模块内设置有解码芯片。
[0014] 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。
[0015] 本发明的有益效果是:本发明的轻载无线传输三核常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，便于无线监控。
【附图说明】
[0016] 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无刷直流伺服电机SCARA机器人二维结构图； 图3为基于三核四轴稀土永磁无刷直流伺服电机SCARA机器人控制器原理图； 图4为基于三核四轴稀土永磁无刷直流伺服电机SCARA机器人程序框图； 图5为基于三核四轴稀土永磁无刷直流伺服电机运动原理图； 图6为四轴电机加减速曲线图； 图7为本发明的轻载无线传输三核常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、稀土永磁无刷直流伺服电机X，8、稀土永磁无刷直流 伺服电机Y，9、稀土永磁无刷直流伺服电机Z，10、稀土永磁无刷直流伺服电机R，11、光电编 码器，12、避障位移传感器Sl，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Al，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EMl，22、磁电传感器EM2，23、磁电传感器EM3，24、磁电传 感器EM4，25、无线传输模块，26、图像采集模块，27、解码芯片。
【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:一种轻载无线传输三核常速关节机器人控 制系统，该机器人为基于四轴稀土永磁无刷直流伺服电机的SCARA机器人，即所述关节机器 人采用稀土永磁无刷直流伺服电机X7驱动机器人大臂旋转运动、采用稀土永磁无刷直流伺 服电机Y8驱动机器人小臂旋转运动、采用稀土永磁无刷直流伺服电机Z9驱动机器人手腕旋 转运动、采用稀土永磁无刷直流伺服电机RlO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Sl 12、避障位移传感器S2 13和加速度传感器Al 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、P1C控制器20、图像采集模块26、无线传输模块25和ARM控制器4,所述图像采集模块26 与无线传输模块25之间通信连接，所述DSP芯片控制器3和PlC控制器20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与ARM控制器4通信连接，所述无线传输模块25和 ARM控制器4通信连接，所述PlC控制器20与ARM控制器4通信连接，所述图像采集模块26内设 置有解码芯片27。
[0021 ] 所述稀土永磁无刷直流伺服电机X7、稀土永磁无刷直流伺服电机Y8、稀土永磁无 刷直流伺服电机Z9和稀土永磁无刷直流伺服电机RlO均与所述DSP芯片控制器3通信连接， 所述避障位移传感器Sl 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Al 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、PLC控制器20和ARM控制器4通信连接。
[0022]优选地，本发明的轻载无线传输三核常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。
[0023] 优选地，所述稀土永磁无刷直流伺服电机X 7、稀土永磁无刷直流伺服电机Y 8、稀 土永磁无刷直流伺服电机Z 9和稀土永磁无刷直流伺服电机RlO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。
[0024]优选地，所述机器人大臂上安装有磁电传感器EMl 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EMl 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。
[0025] 无刷直流伺服电机相对于有刷直流伺服电机，电机的体积更小，重量更轻，并且出 力大，响应快，速度高，惯量小，转动平滑，力矩稳定。容易实现智能化，通过自身携带的霍尔 传感器进行电子换相，非常方式灵活。由于电机不存在碳刷，不仅可以长期免维护，而且不 存在碳刷损耗，效率很高，运行温度低噪音小，电磁辐射很小，长寿命，可用于各种环境。稀 土永磁无刷直流伺服电动机由于采取稀土永磁材料替代了普通的永磁材料，使得电机具有 体积更小、转动惯量更小、启动转矩大等优点。因此稀土永磁直流无刷伺服电机可取代普通 直流电机和直流永磁伺服电机而用作SCARA机器人的执行原件。
[0026] 本发明采用 DSP 控制器 3(TMS320F2812)+PLC 控制器 20+ ARM 控制器 4(STM32F746) 三核进行系统控制。本发明的控制器原理图如图3:在电源打开状态下，ARM控制器4先对机 器人备用电源SOC(荷电状态)和主电源进行判断，如果备用能源较低，控制器将通过无线向 总站发出报警信号；如果备用电源和主电源工作正常，先由总站通过PLC控制器把搬运货物 大臂、小臂和手腕旋转角度以及升降高度或者是搬用货物的各个坐标信息输入给ARM控制 器4,然后由ARM控制器4计算出机器人伺服系统的参数;SCARA机器人携带的零位置传感器 EMl、EM2、EM3和EM4和基于CXD的图像采集系统开始工作，二者引导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、定位传感器和 加速度传感器均开启，SCARA机器人按照设定ARM优化的搬运路径快速搬运，DSP按照伺服参 数和传感器反馈实时调整SCARA机器人稀土永磁无刷直流伺服电机X、稀土永磁无刷直流伺 服电机Y、稀土永磁无刷直流伺服电机Z和稀土永磁无刷直流伺服电机R的PWM输出，实现四 台稀土永磁无刷直流伺服电机的实时伺服控制，CCD摄像头实时检测搬运结果，ARM对数字 图像的处理和存储并通过无线系统传输，主站控制计算机1通过图像对比技术自动检测搬 运结果。如果ARM对搬运某一个位置有疑问，将与DSP通讯，DSP发出停车指令使SCARA机器人 停车，然后主站控制计算机1通过图像对比对搬运信息进行判断，确认无误后通过无线装置 二次启动SCARA机器人继续未完成的任务;主站控制计算机1通过PLC实时与ARM通讯传输新 加入搬运货物位置信息，由ARM更新机器人伺服系统参数，并与DSP通讯。
[0027] 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： DSCARA机器人电源打开后，ARM会对备用电源SOC和主电源进行判断，如果备用电源 SOC较低时，DSP将禁止四台稀土永磁无刷直流伺服电机工作，电机输入Pmi波被封锁，同时 报警传感器将工作并通过无线向总站发出报警信号；如果电池 SOC正常，SCARA机器人进入 待工作状态，等待工作命令。
[0028] 2)-旦总站工作命令开始，PLC开始与ARM通讯，PLC控制器把大臂、小臂长度和升 降杆的长度等信息通过RS484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EMl、EM2、EM3和EM4和基于CCD的图像采集系统开始工作，EMl、EM2、EM3和 EM4各自寻找设定的零位置标志，当磁电传感器EMl、EM2、EM3和EM4均有信号输出时，ARM实 时传输复位图像给总站，总站确认无误后，通过无线装置与DSP通讯，DSP封锁四路稀土永磁 无刷直流伺服电机的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爲二沒2 =.:?二?'，手腕上升尚度.4 = ?。
[0029] 3)为了满足SCARA机器人的加减速需要，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] 4)SCARA机器人读取其工作模式，如果是人工工作模式，主站控制计算机1开始通 过PLC与ARM控制器通讯，由主站输入SCARA机器人大臂、小臂和手腕需要旋转的角度:?，芎， ^以及SCARA机器人手腕需要上升或者是下降的高度蛳给ARM控制器4，ARM控制器4根据 Denavi t-Hartenberg算法开始机器人正向求解: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巧，咚，私以及SCARA机器人手腕需要上升的高度计算出相邻两 杆件坐标系之间的位姿矩阵^，M12，M is，并用4*4二维数组标志，， 分别表示如下：
[0031] 然后通过公：
就可以求出手腕执行器完成任务后的位置和 姿态，然后ARM与DSP通讯，并传输人工输入参数。
[0032] 5)SCARA机器人读取其工作模式，如果是正常自动搬运工作模式，主站开始通过 PLC与ARM控制器通讯，由主站输入SCARA机器人大臂、小臂和手腕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Denavi t-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 的角度碎，并借助·%的值求出蜷的值，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^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:?,?. Λ以及SCARA机器人手腕需要上升的高度4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] 6)DSP控制器3接受SCARA机器人大臂、小臂和手腕需要旋转的角度和，咚，砵以及 SCARA机器人手腕需要上升的高度后，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控制器3发出中断请求，DSP控 制器3会对中断做第一时间响应，然后封锁四轴PffM波控制信号输出，禁止SCARA机器人的稀 土永磁无刷直流伺服电机X、稀土永磁无刷直流伺服电机Y、稀土永磁无刷直流伺服电机Z和 电机稀土永磁无刷直流伺服电机R工作，机器人自锁在原地，基于CCD的图像采集系统开启， 并ARM处理后通过无线装置向总站发出中断请求，为了防止信息误判，总站通过无线传输图 像二次判断运动范围内的障碍物信息，由总站人为处理障碍物，防止障碍物影响搬运工 作。
[0034] 7)如果总站二次通过图像采集结果确定无障碍物进入运动区域，将通过无线装置 与DSP通讯，按照图6的速度时间曲线，DSP把三个旋转角度今，咚，咚转化为三台稀土永磁无 刷直流伺服电机的加速度、速度和位置初始指令值，然后DSP结合电机X、电机Y和电机Z电机 电流反馈、光电编码器反馈和加速度传感器的反馈，经内部三闭环稀土永磁无刷直流伺服 电机控制程序实时调整电机X、电机Y和电机Z的PWM波控制信号，DSP控制器3根据三闭环输 入的偏差大小实时调整内部伺服控制程序的PID参数，通过调整稀土永磁无刷直流伺服电 机的驱动脉冲数目调整其旋转角度，通过调整稀土永磁无刷直流伺服电机控制信号的频率 实现角速度快慢的变化，使三轴稀土永磁无刷直流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，并通过无线实时向总站传输。
[0035] 8)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，SCARA机器人的大臂、小臂和手腕按照图6的运动曲线立 即停车，DSP控制器记录下当前旋转角度咚，苎，咚信息，并通过无线与主站通讯；等障碍物 消失后，主站通过无线装置向DSP输入新位置的旋转角度爸，劣，或，然后机器人按照图6的 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] 9)在移动过程中，加速度计时刻记录大臂、小臂和手腕旋转的角加速度，并通过二 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，在下一个采样周期，DSP控制器根据内部三闭环稀土永磁无刷直流伺服电机控制程 序调整稀土永磁无刷直流伺服电机X、稀土永磁无刷直流伺服电机Y、稀土永磁无刷直流伺 服电机2的^?控制信号，DSP控制器根据三闭环输入的偏差大小实时调整内部伺服控制程 序的PID参数，通过调整稀土永磁无刷直流伺服电机的驱动脉冲数目调整其旋转角度，通过 调整稀土永磁无刷直流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] 10)在SCARA机器人运动过程中，DSP控制器3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机器人稀土永磁无刷直流伺服电机X、稀土永磁无刷直流伺服电机Y、稀土永磁无刷直 流伺服电机Z分别要运行的角度、角度速度和角加速度，DSP控制器再结合角速度传感器反 馈、光电编码器反馈，根据其内部三闭环伺服控制程序得到三台稀土永磁无刷直流伺服电 机的PffM控制信号信号，DSP控制器根据三闭环输入的偏差大小实时调整内部伺服控制程序 的PID参数，通过调整稀土永磁无刷直流伺服电机的驱动脉冲数目调整其旋转角度，通过调 整稀土永磁无刷直流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] 11)在SCARA机器人完成三轴旋转角度:?,?,:?的伺服控制后，DSP控制器3二次检 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 度硌，巧:，砵与设定角度的误差超过设定阀值时，CXD图像采集系统实时采集搬运信息，经 ARM处理后通过无线装置向总站发出图像传输请求，总站通过图像对比技术自动检测搬运 结果，如果确实存在一定误差，总站通过无线装置开始与DSP控制器3通讯，DSP控制器3把三 个旋转角度偏差转化为三台稀土永磁无刷直流伺服电机位置微调的加速度、 速度和位置初始指令值，DSP控制器3再结合电机X、电机Y和电机Z电机电流反馈、光电编码 器反馈和加速度传感器的反馈，经DSP控制器3内部三闭环伺服控制程序调整电机X、电机Y 和电机Z的PWM波控制信号，DSP控制器3根据三闭环输入的偏差大小实时调整内部伺服控制 程序的PID参数，通过调整稀土永磁无刷直流伺服电机的驱动脉冲数目调整其旋转角度，通 过调整稀土永磁无刷直流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 永磁无刷直流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。
[0039] 12)当SCARA机器人的大臂、小臂和手腕完成角度:?，:巧，磉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转化为稀土永磁无刷直流 伺服电机R的加速度、速度和位置初始指令值，然后DSP结合电机R的电流反馈、光电编码器 反馈和传感器S5的反馈，经内部三闭环伺服控制程序实时调整电机R的PffM波控制信号，DSP 控制器根据三闭环输入的偏差大小实时调整内部伺服控制程序的PID参数，通过调整稀土 永磁无刷直流伺服电机的驱动脉冲数目调整其旋转角度，通过调整稀土永磁无刷直流伺服 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。
[0040] 13)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立即封锁四台稀土 永磁无刷直流伺服电机的控制信号，然后机器人原地自锁，ARM控制器通过无线装置与主站 进行通讯，CCD时刻采集周围信息并通过无线传输，主站对图像采集信息进行分析，并根据 采集结果二次重新启动SCARA机器人，通过PLC控制器二次向SCARA机器人输入搬运信息。 [0041 ] 14)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，主站将开启PLC控制器，由主站通过PLC控制器20与ARM通讯，PLC通过RS485向 ARM输入重要任务的位置伺服参数，ARM与DSP通讯，首先由DSP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。
[0042] 15)在SCARA机器人多次反复运动过程中，如果当磁电传感器EMl、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通过内部三闭环稀土永磁无刷直流伺服电机控制程序 对误差进行补偿，及时消除累计误差。
[0043] 16)在SCARA机器人搬运过程中，主站会对基于CCD的采集图像进行自动分析对比， 如发现问题某一位置存在问题时，主站先通过无线装置与DSP通讯，DSP首先完成当前任务 并在设定零位置停车，由主站自动检测搬运结果，自动检测完毕后通过ARM更新DSP下一个 伺服控制的位置参数。
[0044] 17)装在稀土永磁无刷直流伺服电机X、稀土永磁无刷直流伺服电机Y、稀土永磁无 刷直流伺服电机Z、稀土永磁无刷直流伺服电机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，记录稀土永磁无刷直流伺 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 EMl、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。
[0045] 18)SCARA机器人在运行过程ARM控制器4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 稀土永磁无刷直流伺服电机提供能量，并通过DSP内部三闭环伺服控制系统程序实时调整 四台稀土永磁无刷直流伺服电机的PWM输出，通过调整稀土永磁无刷直流伺服电机的驱动 脉冲数目调整其旋转角度，通过调整稀土永磁无刷直流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。
[0046] 19)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 稀土永磁无刷直流伺服电机的转矩出现脉动，由于本发明采用的稀土永磁无刷直流伺服电 机力矩与电机电流成正比例，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 整电流环的PID参数，减少了电机转矩扰动对SCARA机器人运动过程的影响。
[0047] 20)当SCARA机器人完成一系列任务，实现位置归零时，其携带的加速度传感器Al~ A3、磁电传感器EMl、EM2、EM3和EM4会时刻工作，先有加速度传感器检测其加速度，当加速度 超过预设阀值时，在下一个周期DSP控制器会修正上一个周期带来的误差，当磁电传感器 EMl、EM2、EM3、EM4均有信号输出时，CXD图像采集系统实时采集复位信息，经ARM处理后通过 无线装置向总站发出图像传输请求，总站通过图像对比技术自动复位结果，DSP封锁四路 稀土永磁无刷直流伺服电机的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并零位自锁，等待 下一批运动命令队列。
[0048]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. 一种轻载无线传输三核常速关节机器人控制系统，其特征在于，所述关节机器人采 用稀土永磁无刷直流伺服电机X驱动机器人大臂旋转运动、采用稀土永磁无刷直流伺服电 机Y驱动机器人小臂旋转运动、采用稀土永磁无刷直流伺服电机Z驱动机器人手腕旋转运 动、采用稀土永磁无刷直流伺服电机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、P1C控制器、图像采集模块、无线传输模块和ARM控制器，所述图像采集模块 与无线传输模块之间通信连接，所述DSP芯片控制器和P1C控制器均与所述主站控制计算机 通信连接，所述DSP芯片控制器与ARM控制器通信连接，所述无线传输模块和ARM控制器通信 连接，所述P1C控制器与ARM控制器通信连接，所述稀土永磁无刷直流伺服电机X、稀土永磁 无刷直流伺服电机Y、稀土永磁无刷直流伺服电机Z和稀土永磁无刷直流伺服电机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。2. 根据权利要求1所述的轻载无线传输三核常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所述的轻载无线传输三核常速关节机器人控制系统，其特征在于，所 述稀土永磁无刷直流伺服电机X、稀土永磁无刷直流伺服电机Y、稀土永磁无刷直流伺服电 机Z和稀土永磁无刷直流伺服电机R上匀设置有光电编码器，所述光电编码器与所述DSPS 片控制器电性连接。4. 根据权利要求1至3中任一项所述的教学用无线传输三核快速关节机器人控制系统， 其特征在于，所述图像采集模块为CCD摄像头组件。5. 根据权利要求4所述的教学用无线传输三核快速关节机器人控制系统，其特征在于， 所述图像采集模块内设置有解码芯片。6. 根据权利要求1至3中任一项所述的轻载无线传输三核常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。7. 根据权利要求4所述的轻载无线传输三核常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。
【文档编号】B25J9/04GK106041939SQ201610412077
【公开日】2016年10月26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