專利名稱：用于碼垛機器人的控制系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種控制系統(tǒng)，特別涉及一種用于碼垛機器人的控制系統(tǒng)。
背景技術：
與非標準設計的專用碼垛機相比，碼垛機器人占地面積小、應用靈活、成本較低。碼垛機器人在各行業(yè)中的應用，大 大降低了從事搬運工作的工人的勞動強度，同時提高了整個生產過程的工作效率，因此碼垛機器人在國內外相關領域獲得了廣泛的應用。在世界范圍內，專業(yè)從事碼垛機器人生產的有日本的Fuji Yusoki Kogyo、OkuraYusoki等公司。其他通用型工業(yè)機器人產品系列中也有用于碼垛作業(yè)的型號，如日本Μ0Τ0ΜΑΝ、德國KUKA、瑞典ABB等機器人品牌。碼垛機器人的控制系統(tǒng)不同于一般工業(yè)機器人，有其自身的特點。主要體現(xiàn)在自由度通常較少，動作相對簡單；速度要求較高；有較為固定的使用模式(碼垛與拆垛)，編程方式較少完全采用示教再現(xiàn)方式。經過對現(xiàn)有技術文獻檢索之后發(fā)現(xiàn)，尚無針對碼垛機器人控制系統(tǒng)的相關技術專利，比較接近的專利技術有中國專利CN200810129766. 4，該專利提供了一種用于機器人的碼垛作業(yè)的機器人編程裝置，該裝置能夠在虛擬空間內生成機器人的碼垛程序，然后由該公司的機器人實現(xiàn)碼垛作業(yè)。這實質上是一種碼垛作業(yè)離線編程器，配合通用工業(yè)機器人使用。中國實用新型專利CN200610113040. 2以及中國實用新型專利CN200820081216. 5分別介紹了碼垛機器人機構，但未涉及其控制系統(tǒng)。中國實用新型專利CN00254080.0提出了開放式工業(yè)機器人控制平臺，屬于通用的工業(yè)機器人控制系統(tǒng)，其突出特點是將通用的工業(yè)計算機引入傳統(tǒng)的機器人控制系統(tǒng)中，并采用獨特的開放式及模塊化結構，可以控制多種類型伺服包，更加靈活，可方便地增加其功能。中國實用新型專利CN03100077. O也提出類似的開放式結構機器人控制器，其包括由工業(yè)控制計算機和開放式控制器系統(tǒng)的周邊設備所組成的硬件部分，由開放源碼的實時操作系統(tǒng)和開放式控制器應用軟件系統(tǒng)組成的軟件部分；具有可擴展性、可移植性、可定制性和互操作性四個方面的特征。這些專利技術涉及開放式、通用式的設計方法，并不適用于碼垛機器人機構及其作業(yè)特點，不能滿足其專有功能和性能要求。

實用新型內容本實用新型所要解決的技術問題是提供一種用于碼垛機器人的控制系統(tǒng)，其操作方便，操作者只需通過手持式示教顯示器即可完成示教和參數輸入操作。為解決所述技術問題，本實用新型提供了一種用于碼垛機器人的控制系統(tǒng)，其特征在于，其包括嵌入式中央控制模塊、多軸運動控制模塊、伺服驅動器、示教顯示器、外部I/O通信接口以及傳感器和控制開關，嵌入式中央控制模塊與多軸運動控制模塊通過PCI總線相連接；嵌入式中央控制模塊與示教顯示器通過專用通信電纜相連接；嵌入式中央控制模塊與外部I/o通信接口相連接，多軸運動控制模塊與伺服驅動器、傳感器和控制開關通過數字輸入輸出接口相連接，嵌入式中央控制模塊控制機器人完成碼垛作業(yè)。[0007]優(yōu)選地，所述嵌入式中央控制模塊由一臺嵌入式工業(yè)控制計算機構成。優(yōu)選地，所述多軸運動控制模塊采用通用的四軸運動控制卡，能實現(xiàn)分別對四臺伺服電機的速度和位置控制。優(yōu)選地，所述多軸運動控制模塊接收來自嵌入式中央控制模塊的運動規(guī)劃信息，按照給定的運動控制算法生成伺服電機控制信號，通過信號電纜發(fā)送給各伺服驅動器，控制各伺服電機運動。優(yōu)選地，所述示教顯示器由液晶觸摸屏和一組按鈕開關組成，用于機器人位置示教和信息顯示、參數設定；示教顯示器所顯示的圖形界面直接由嵌入式中央控制模塊控制生成，所接收的液晶觸摸屏、按鈕開關的輸入信息直接發(fā)送到嵌入式中央控制模塊進行處理。優(yōu)選地，所述嵌入式中央控制模塊通過系統(tǒng)軟件能夠實現(xiàn)全部系統(tǒng)控制功能，系 統(tǒng)軟件采用模塊化程序設計且包括系統(tǒng)界面子模塊、文件管理子模塊、通信子模塊、監(jiān)控子模塊、示教子模塊、運動規(guī)劃子模塊、運動學算法子模塊、動力學優(yōu)化子模塊、邏輯控制子模塊和底層驅動模塊。優(yōu)選地，所述系統(tǒng)界面子模塊通過示教顯示器向用戶提供圖形界面，并接收用戶的輸入的信息；用戶通過系統(tǒng)界面子模塊完成各項參數的設定，完成對系統(tǒng)的各項操作，并能實時監(jiān)控系統(tǒng)的運行狀態(tài)。優(yōu)選地，所述運動規(guī)劃子模塊針對碼垛作業(yè)的特點要求對機器人的動作進行規(guī)劃，以實現(xiàn)碼垛作業(yè)。本實用新型的積極進步效果在于一、本實用新型具有模塊化的設計，控制器核心硬件為通用的嵌入式工業(yè)控制計算機，其控制功能主要由運行其中的系統(tǒng)軟件實現(xiàn)，系統(tǒng)軟件同樣遵循模塊化設計原則，便于系統(tǒng)功能的擴展。二、具有專門針對碼垛作業(yè)的控制功能設計，自動化程度較高，用戶只需確定垛盤基準位置，以及碼垛對象產品尺寸，即可按照預置的碼垛方式自動生成全部動作系列，較之一般工業(yè)機器人方便得多，可以大大節(jié)約工作準備時間。三、本實用新型的結構開放，通過TCP/IP協(xié)議、RS232/RS485接口等多種常用通信方式，能夠作為基礎平臺與各種控制系統(tǒng)相結合。操作方式靈活，既可以與上位機連接，作為標準動作單元完成碼垛作業(yè)，也可以作為獨立的自動化碼垛單元控制周邊裝置完成碼垛作業(yè)。四、本實用新型操作方便，操作者只需通過手持式示教顯示器即可完成示教和參數輸入操作。

圖I為本實用新型用于碼垛機器人的控制系統(tǒng)的結構框圖。圖2為本實用新型用于碼垛機器人的控制系統(tǒng)的原理示意圖。
具體實施方式
下面舉個較佳實施例，并結合附圖來更清楚完整地說明本實用新型。本實施例中介紹的用于碼垛機器人的控制系統(tǒng)是一種開放式控制系統(tǒng)，該控制器的體系結構中主要包括了硬件系統(tǒng)與軟件系統(tǒng)。如圖I所示，本實用新型用于碼垛機器人的控制系統(tǒng)包括嵌入式中央控制模塊、多軸運動控制模塊、伺服驅動器、示教顯示器、外部I/o (輸入/輸出)通信接口以及傳感器和控制開關。所述的嵌入式中央控制模塊由一臺嵌入式工業(yè)控制計算機構成。嵌入式中央控制模塊與多軸運動控制模塊通過PCI總線相連接；嵌入式中央控制模塊與示教顯示器通過專用通信電纜相連接；嵌入式中央控制模塊與外部I/o (輸入/輸出)相連接，多軸運動控制模塊與伺服驅動器、傳感器和控制開關通過內部數字I/o (輸入/輸出)接口相連接。嵌入式中央控制模塊通過運行其中的系統(tǒng)軟件實現(xiàn)主要的控制功能，控制機器人完成碼垛(或拆垛)作業(yè)。所述的多軸運動控制模塊采用通用的四軸運動控制卡，能實現(xiàn)分別對四臺伺服電機的速度和位置控制，以及多臺伺服電機的聯(lián)動功能。多軸運動控制模塊通過PCI總線與嵌入式中央控制模塊相連接，能接收來自嵌入式中央控制模塊的運動規(guī)劃信息，按照給定的運動控制算法生成伺服電機控制信號，通過信號電纜發(fā)送給各伺服驅動器，控制各伺服 電機運動。多軸運動控制模塊采集的各伺服電機的位置、速度等狀態(tài)信號通過PCI總線傳送給嵌入式中央控制模塊，供系統(tǒng)軟件作為決策判斷之用。所述伺服驅動器是機器人所用交流伺服電機的配套產品，本例中伺服驅動器和電機分別使用SANYO公司R系列的驅動器及其配套的電機。所述示教顯示器是系統(tǒng)的人機界面，用于機器人位置示教和信息顯示、參數設定等用途。示教顯示器由液晶觸摸屏和一組按鈕開關組成，通過專用通信電纜與嵌入式中央控制模塊相連。液晶觸摸屏由液晶屏和覆于其上的觸摸屏部件構成。按鈕開關包括我國工業(yè)機器人安全規(guī)范所規(guī)定的緊急停止按鈕、三位安全開關，以及模式選擇開關、光標移動按鈕、輸入確認按鈕等常用輸入按鈕開關。所謂專用通信電纜所傳輸的信號包括液晶屏所需的標準VGA接口信號、觸摸輸入設備所需的PS/2接口信號以及用于按鈕開關的數字量信號等。示教顯示器所顯示的圖形界面直接由嵌入式中央控制模塊控制生成，所接收的液晶觸摸屏、按鈕開關等輸入信息也直接發(fā)送到嵌入式中央控制模塊進行處理。示教顯示器本身不具有信息處理能力，不需另行開發(fā)相應硬、軟件。所述各傳感器和控制開關是指安裝在各處的緊急停止按鈕、運行模式切換開關、機器人各關節(jié)極限位置傳感器、周邊裝置狀態(tài)傳感器等各類信號輸入裝置，以及物料抓取裝置、輸送裝置、工業(yè)用三色指示燈等外部設備的信號輸出接口。如圖2所示，所述的系統(tǒng)軟件運行于嵌入式中央控制模塊，系統(tǒng)軟件采用模塊化程序設計且包括以下功能模塊一、系統(tǒng)界面子模塊，通過示教顯示器向用戶提供圖形界面，并接收用戶通過觸摸屏、按鈕開關等裝置輸入的信息。通過該界面用戶可以完成各項參數的設定，完成對系統(tǒng)的各項操作，并能實時監(jiān)控系統(tǒng)的運行狀態(tài)。二、文件管理子模塊，管理各種系統(tǒng)工作文件和參數文件，并與上位機工具軟件進行文件交互、備份等操作。三、通信子模塊，實現(xiàn)局域網、現(xiàn)場總線等通信接口。四、監(jiān)控子模塊，包括內部狀態(tài)監(jiān)控和外部監(jiān)控。內部狀態(tài)監(jiān)控主要監(jiān)控運動程序計算是否正確，運動程序是否執(zhí)行完成等；外部監(jiān)控主要監(jiān)控和處理外部IO信號等，包括從多軸運動控制模塊反饋而來的電機運行狀態(tài)，從示教顯示器輸入獲得的用戶輸入狀態(tài)，從各傳感器獲得的其他周邊信息，從各控制開關獲得的用戶設定信息。將這些狀態(tài)信息經過一定的計算處理后通過示教顯示器的液晶屏顯示給用戶，并根據設定的條件觸發(fā)報警和緊急停止等操作。五、示教子模塊，手動示教模式下調用，控制機器人完成位置示教所需要的運動和動作。操作者通過示教顯示器的觸摸屏輸入操作信息，控制機器人實現(xiàn)手動運動，并記錄機器人當前位置作為示教位置。六、運動規(guī)劃子模塊，機器人自動模式下調用，規(guī)劃機器人的連續(xù)動作，即可以針對碼垛作業(yè)的特點要求對機器人的動作進行規(guī)劃，以實現(xiàn)碼垛(或拆垛)作業(yè)。根據預定的碼垛方式，以及通過位置示教所確定的垛盤位置，自動計算碼垛(或者拆垛)作業(yè)所需要的全部動作序列。七、運動學算法子模塊，提供實現(xiàn)機器人運動規(guī)劃所需要的正、逆運動學算法。以及在關節(jié)坐標，基座坐標，用戶坐標等坐標系之間實現(xiàn)位置的換算。八、動力學優(yōu)化子模塊，以提高速度與精度為目標，提供實現(xiàn)機器人高速高精度運動控制所需要的算法。根據運動規(guī)劃所確定的動作計算出每個關節(jié)電機的運動參數，傳送到多軸運動控制模塊，最終實現(xiàn)機器人的運動。九、邏輯控制子模塊，對各傳感器、按鈕開關的信號進行處理，控制其輸入輸出，并根據這些信號調用不同的程序模塊完成相關的功能，從而實現(xiàn)系統(tǒng)邏輯控制功能。十、底層驅動模塊，底層驅動模塊與底層硬件接口，底層驅動模塊裝有驅動程序，底層驅動模塊對機器人所涉及到的各類底層硬件操作進行描述，作為基本驅動模塊和輸入輸出信號接口被其它程序調用。在一般的操作流程中，操作者通過示教顯示器手動控制機器人運動到垛盤的基準位置并記錄該位置(如該位置不變則不必每次重復記錄)；隨后輸入碼垛對象的尺寸(同樣如果該數據不變則不必每次重復記錄)；將控制方式設置為自動方式，選擇碼垛方式(即預設定的碼垛次序和碼垛對象相對位置關系等)，即可開始自動碼垛作業(yè)。雖然以上描述了本實用新型的具體實施方式
，但是本領域的技術人員應當理解，這些僅是舉例說明，在不背離本實用新型的原理和實質的前提下，可以對這些實施方式做出多種變更或修改。因此，本實用新型的保護范圍由所附權利要求書限定。
權利要求1.一種用于碼垛機器人的控制系統(tǒng)，其特征在于，其包括嵌入式中央控制模塊、多軸運動控制模塊、伺服驅動器、示教顯示器、外部I/o通信接口以及傳感器和控制開關，嵌入式中央控制模塊與多軸運動控制模塊通過PCI總線相連接；嵌入式中央控制模塊與示教顯示器通過專用通信電纜相連接；嵌入式中央控制模塊與外部I/o通信接口相連接，多軸運動控制模塊與伺服驅動器、傳感器和控制開關通過數字輸入輸出接口相連接，嵌入式中央控制模塊控制機器人完成碼垛作業(yè)。
2.如權利要求I所述的用于碼垛機器人的控制系統(tǒng)，其特征在于，所述嵌入式中央控制模塊由一臺嵌入式工業(yè)控制計算機構成。
3.如權利要求I所述的用于碼垛機器人的控制系統(tǒng)，其特征在于，所述多軸運動控制模塊采用通用的四軸運動控制卡，能實現(xiàn)分別對四臺伺服電機的速度和位置控制。
4.如權利要求I所述的用于碼垛機器人的控制系統(tǒng)，其特征在于，所述多軸運動控制模塊接收來自嵌入式中央控制模塊的運動規(guī)劃信息，按照給定的運動控制算法生成伺服電機控制信號，通過信號電纜發(fā)送給各伺服驅動器，控制各伺服電機運動。
5.如權利要求I所述的用于碼垛機器人的控制系統(tǒng)，其特征在于，所述示教顯示器由液晶觸摸屏和一組按鈕開關組成，用于機器人位置示教和信息顯示、參數設定；示教顯示器所顯示的圖形界面直接由嵌入式中央控制模塊控制生成，所接收的液晶觸摸屏、按鈕開關的輸入信息直接發(fā)送到嵌入式中央控制模塊進行處理。
專利摘要本實用新型公開了一種用于碼垛機器人的控制系統(tǒng)，其特征在于，其包括嵌入式中央控制模塊、多軸運動控制模塊、伺服驅動器、示教顯示器、外部I/O通信接口以及傳感器和控制開關，嵌入式中央控制模塊與多軸運動控制模塊通過PCI總線相連接；嵌入式中央控制模塊與示教顯示器通過專用通信電纜相連接；嵌入式中央控制模塊與外部I/O通信接口相連接，多軸運動控制模塊與伺服驅動器、傳感器和控制開關通過數字輸入輸出接口相連接，嵌入式中央控制模塊控制機器人完成碼垛作業(yè)。本實用新型操作方便，操作者只需通過手持式示教顯示器即可完成示教和參數輸入操作。
文檔編號B25J13/00GK202716273SQ20122013821
公開日2013年2月6日 申請日期2012年4月5日 優(yōu)先權日2011年11月18日
發(fā)明者童上高, 張昊, 李加平, 李文藝 申請人:上海沃迪自動化裝備股份有限公司