一种六轴协作机器人多回路控制系统及其控制方法与流程

本发明属于机器人自动控制领域，具体涉及一种基于同步感应器和距离传感器及机器视觉的六轴协作机器人多回路控制系统及控制方法。

背景技术：

在机器人的研究领域中，机器人控制系统是最重要的部分。目前，大部分机器人主要采用精密减速机和伺服电机配合来保证运动精度，并按事先示教的路径轨迹运动。这种控制方式属于完全开环的控制方式，其运动的轨迹精度和定位精度主要依靠机械精度来保证，并且沿着设定的固定轨迹运动。

但由于加工制造高精度的精密减速机对加工设备及工艺水平要求极高，且制造成本也很难控制，并且由于机械不可逆的机械磨损，随着使用年限的增加，其精度会逐渐降低，进而严重影响机器人的性能。

另外，随着工业自动化水平的不断提高，机器人和工厂流水线的配合越来越必要。由于目标物体随着流水线一起运动，其摆放位置和角度并不固定，目前机器人基于示教的按固定轨迹运动的方式基本无法胜任流水线式的工作方式。

技术实现要素：

针对以上问题，本发明提出了一种六轴协作机器人多回路控制系统及控制方法，其构思合理，能解决现有技术中机械制造成本高，疲劳磨损，且很难和流水线配合的问题。

本发明的技术方案如下：

上述的六轴协作机器人多回路控制系统，包括同步感应器、距离传感器、机器视觉装置以及机器人控制单元；所述同步感应器用于测量各个关节角度绝对值且装于机器人的尾部内侧；所述距离传感器用于测量机器人的手臂末端到工作面距离，其匹配安装于所述机器视觉装置的下部；所述机器视觉装置用于定位物体方位且匹配安装于机器人的手臂末端；所述机器人控制系统用于控制机器人的运动及加工，其包括多轴伺服控制模块、采集图像模块、电源板、臂内电机驱动器、电机和人机交互设备；所述多轴伺服控制模块、采集图像模块和电源板集成为一体；所述多轴伺服控制模块用于执行运动指令并发出各轴电机扭矩指令，其与所述采集图像模块通过PCI双向电连接且还与所述人机交互设备双向电连接；所述采集图像模块用于获得工件的Z轴坐标，其与所述机器视觉装置电连接且还与所述距离传感器电连接；所述电源板一端连接220V交流电源，另一端连接臂内电机驱动器；所述臂内电机驱动器安装于机器人的手臂内，其与所述多轴伺服控制模块电连接且还与所述电机电连接；所述电机也安装在机器人的尾部内侧且与所述同步感应器电连接。

所述六轴协作机器人多回路控制系统，其中：所述机器视觉装置采用的是相机，所述相机采用大景深的镜头FUJINON HF16HA-1B和黑白相机BFLY-PGE-13E4C-CS。

一种六轴协作机器人多回路控制方法，基于六轴协作机器人多回路控制系统，其具体流程如下：(1)将距离传感器和机器视觉装置并列安装在六轴协作机器人末端，保证距离传感器的探测点在镜头的成像视野范围内；(2)建立坐标系，即在机器人开始工作前，先通过软件建立待加工工件的特征点模板，以机器人末端中心作为坐标原点建立坐标系；(3)探测工件的z轴坐标，即在传送带启动前，将工件放在机器人末端的正下方，通过距离传感器测量工件到机器人末端的垂直距离；(4)计算传送带的传输速度，即启动传送带，将工件放在传送带上，相机每隔0.1s拍摄一幅图片，相机连续两幅图捕捉到工件时，通过这两幅图像计算出工件对应的平面坐标以及此时工件相对于模板的偏转角，由此计算出传送带的速度；(5)计算机器人抓取工件时的位置坐标，即通过软件设定机器人的运动速度，并得出机器人抓取工件时的坐标；(6)将抓取点的坐标及工件相对于模板的偏转角通过逆解得到六个轴的旋转角；(7)由机器人控制器对六个轴进行运动控制，通过同步感应器进行精确反馈使六个轴分别旋转，此时手抓张开抓取工件。

所述六轴协作机器人多回路控制方法，其中：所述机器视觉装置采用大景深的镜头FUJINON HF16HA-1B和黑白相机BFLY-PGE-13E4C-CS。

所述六轴协作机器人多回路控制方法，其中：所述步骤(4)中工件的两个平面坐标分别记为(x1，y1)和(x2，y2)；所述传送带的速度v1＝(x2-x1)/0.1＝10(x2-x1)。

所述六轴协作机器人多回路控制方法，其中：所述步骤(5)中机器人经过时间t抓取到工件，则计算得出时间

$t=\frac{\sqrt{x{1}^2+y{1}^2+z{1}^2}*(\sqrt{{(v1*cos\mathrm{\α})}^2+(v{2}^2-v{1}^2)}-v1*cos\mathrm{\α})}{(v{2}^2-v{1}^2)}---\left(3\right);$

由此可得机器人抓取工件时的坐标为

$(x1+v1*\frac{\sqrt{x{1}^2+y{1}^2+z{1}^2}*(\sqrt{{(v1*cos\mathrm{\α})}^2+(v{2}^2-v{1}^2)}-v1*cos\mathrm{\α})}{(v{2}^2-v{1}^2)},y1,z1)---\left(4\right);$

所述步骤(6)中的抓取点的坐标为

$(x1+v1*\frac{\sqrt{x{1}^2+y{1}^2+z{1}^2}*(\sqrt{{(v1*cos\mathrm{\α})}^2+(v{2}^2-v{1}^2)}-v1*cos\mathrm{\α})}{(v{2}^2-v{1}^2)},y1,z1)---\left(5\right).$

上述公式(3)和(4)中，d为直线OA与直线AB的夹角，x1，y1，z1为相机抓取第一幅图时工件的空间坐标值，v1为传送带的传送速度，v2为机器人的运动速度。

有益效果：

本发明六轴协作机器人多回路控制系统结构设计简单、合理，采用同步传感器位置反馈，可以降低机器人对高精度电机和减速机的依赖，显著降低成本；可以补偿因为机器人长期运转造成的机械零部件的疲劳磨损导致的精度降低，使机器人的使用寿命显著增加。

本发明六轴协作机器人多回路控制方法构思合理，控制简单，相比传统的机器人很难和流水线配合，本发明采用机器视觉并结合距离传感器和同步感应器，可以获得流水线上工件的精确位置并进行在线加工，能大幅提高在线加工效率和加工质量，降低了生产成本。

附图说明

图1为本发明六轴协作机器人多回路控制系统的结构框图；

图2为本发明六轴协作机器人多回路控制系统中六轴协作机器人配合传送带工作时的结构示意图；

图3为本发明六轴协作机器人多回路控制系统的六轴协作机器人配合传送带工作时需要建立的坐标系图；

图4为本发明六轴协作机器人多回路控制系统的机器人抓取工件时的几何关系图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，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他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1、2所示，本发明六轴协作机器人多回路控制系统，包括同步感应器1、距离传感器2、机器视觉装置3以及机器人控制系统4。

该同步感应器1用于测量各个关节角度绝对值且安装于机器人5的尾部

该距离传感器2用于测量机器人5手臂末端到工作面距离，其匹配安装于机器视觉装置3的下部。

该机器视觉装置3用于定位物体方位且安装于机器人5的手臂末端，其与传送带6的位置相适应；其中，该机器视觉装置3采用的是相机，相机采用大景深的镜头FUJINON HF16HA-1B和黑白相机BFLY-PGE-13E4C-CS。

该机器人控制单元4用于控制机器人的运动及加工，其包括多轴伺服控制模块41、采集图像模块42、电源板43、臂内电机驱动器44、电机45和人机交互设备46；该多轴伺服控制模块41、采集图像模块42和电源板43集成为一体；该多轴伺服控制模块41是用于执行运动指令并发出各轴电机扭矩指令，其与采集图像模块42通过PCI双向电连接，同时还与人机交互设备46双向电连接；该采集图像模块42用于获得工件的Z轴坐标，其与机器视觉装置3电连接且还与距离传感器2电连接；该电源板43一端连接220V交流电源，另一端连接臂内电机驱动器44；该臂内电机驱动器44安装于机器人5的手臂内，其与多轴伺服控制模块41电连接且还与电机45电连接；该电机45安装在机器人5的尾部内侧且与同步感应器1电连接。

本发明六轴协作机器人多回路控制方法，具体流程如下：

(1)将距离传感器和机器视觉装置并列安装在六轴协作机器人末端，保证距离传感器的探测点在镜头的成像视野范围内。其中，机器视觉装置采用大景深的镜头FUJINON HF16HA-1B和黑白相机BFLY-PGE-13E4C-CS。

(2)建立坐标系

即在机器人开始工作前，先通过软件建立待加工工件的特征点模板，以机器人末端中心作为坐标原点(0，0，0)建立坐标系，坐标系的建立如图3所示；为了计算方便，通过软件调整使传送带的运动方向平行于坐标系的X轴。

(3)探测工件的z轴坐标

在传送带启动前，将工件放在机器人末端的正下方，通过距离传感器测量工件到机器人末端的垂直距离，记为z1。

(4)计算传送带的传输速度

即启动传送带，将工件放在传送带上，相机每隔0.1s拍摄一幅图片；相机连续两幅图捕捉到工件时，记录工件的平面坐标及偏转角度分别为(x1，y1)和(x2，y2)以及此时工件相对于模板的偏转角为α1；由此可以计算出传送带的速度为v1＝(x2-x1)/0.1＝10(x2-x1)。

(5)计算机器人抓取工件时的位置坐标

即通过软件设定机器人的运动速度为v2(v2＞v1)。假设机器人经过时间t抓取到工件；由图4可知，

$\mathrm{\α}=\arcsin (\sqrt{y{1}^2+z{1}^2}/\sqrt{x{1}^2+y{1}^2+z{1}^2})---\left(1\right);$

由余玄定理可知

$cos\mathrm{\α}=\[x{1}^2+y{1}^2+z{1}^2+{(v1*t)}^2-{(v2*t)}^2\]/\[2*\sqrt{x{1}^2+y{1}^2+z{1}^2}*(v1*t)\]---\left(2\right);$

由此方程计算得出时间

$t=\frac{\sqrt{x{1}^2+y{1}^2+z{1}^2}*(\sqrt{{(v1*cos\mathrm{\α})}^2+(v{2}^2-v{1}^2)}-v1*cos\mathrm{\α})}{(v{2}^2-v{1}^2)}---\left(3\right);$

由此可得机器人抓取工件时的坐标为

$(x1+v1*\frac{\sqrt{x{1}^2+y{1}^2+z{1}^2}*(\sqrt{{(v1*cos\mathrm{\α})}^2+(v{2}^2-v{1}^2)}-v1*cos\mathrm{\α})}{(v{2}^2-v{1}^2)},y1,z1)---\left(4\right).$

(6)将抓取点的坐标

及工件相对于模板的偏转角为α1通过逆解得到六个轴的旋转角为(θ1，θ2，θ3，θ4，θ5，θ6)。

(7)由机器人控制器对六个轴进行运动控制，通过同步感应器进行精确反馈使六个轴分别旋转(θ1，θ2，θ3，θ4，θ5，θ6)，此时手抓张开抓取工件。

本发明构思合理，能解决现有技术中机械制造成本高，疲劳磨损，且很难和流水线配合的问题。