一種重載四核常速關(guān)節(jié)機器人控制系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種重載四核常速關(guān)節(jié)機器人控制系統(tǒng)，所述的控制系統(tǒng)包括主站控制計算機和控制器，所述控制器包括DSP芯片控制器、語音識別處理器、PLC控制器和ARM控制器，DSP芯片控制器和ARM控制器均與所述主站控制計算機通信連接，DSP芯片控制器與ARM控制器之間通信連接，四臺永磁同步伺服電機均與所述DSP芯片控制器通信連接，多個避障位移傳感器、定位傳感器S5、加速度傳感器A1、加速度傳感器A2和加速度傳感器A3均與所述DSP芯片控制器和ARM控制器通信連接。本發(fā)明的重載四核常速關(guān)節(jié)機器人控制系統(tǒng)計算速度快，使關(guān)節(jié)機器人手臂轉(zhuǎn)向靈活、動作穩(wěn)定精確、體積小巧，性能穩(wěn)定，系統(tǒng)抗干擾能力強。
【專利說明】
一種重載四核常速關(guān)節(jié)機器人控制系統(tǒng)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及一種重載四核常速關(guān)節(jié)機器人控制系統(tǒng)，屬于裝配作業(yè)的四關(guān)節(jié)機 器人手臂應(yīng)用領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 在工業(yè)生產(chǎn)中，工業(yè)機器人可以代替人類做一些比較單調(diào)、比較頻繁和重復(fù)率較 高的長時間作業(yè)，或是在危險、惡劣環(huán)境下的作業(yè)，一般用作搬取零件和裝配工作，在微電 子制造業(yè)、塑料工業(yè)、汽車工業(yè)、電子產(chǎn)品工業(yè)、藥品工業(yè)和食品工業(yè)等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng) 用，它對于提高生產(chǎn)自動化水平、勞動生產(chǎn)率和經(jīng)濟效益、保證產(chǎn)品質(zhì)量、保障人身安全、改 善勞動環(huán)境，減輕勞動強度、節(jié)約原材料消耗以及降低生產(chǎn)成本等有著十分重要的意義。 [0003] SCARA工業(yè)機器人即裝配作業(yè)的機器人手臂是一種圓柱坐標型的工業(yè)機器人，它 依靠旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)大臂和小臂來實現(xiàn)X-Y平面內(nèi)的快速定位，依靠一個手腕移動關(guān)節(jié)和一個手 腕旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)在Z方向上做伸縮和旋轉(zhuǎn)運動，其具有四個運動自由度，該系列的操作手在其動 作空間的四個方向具有有限剛度，而在剩下的其余兩個方向上具有無限大剛度。這種結(jié)構(gòu) 特性使得SCARA機器人擅長從一點抓取物體，然后快速的安放到另一點，因此SCARA機器人 在自動裝配生產(chǎn)線上得到了廣泛的應(yīng)用。SCARA機器人結(jié)構(gòu)緊湊、動作靈活，速度快、位置精 度高，它的使用大大提高了機器人對復(fù)雜裝配任務(wù)的適應(yīng)性，同時也降低了成本，提高了工 作空間利用率。
[0004] SCARA機器人在搬運貨物過程中要時刻判斷主控制器輸入的位置參數(shù)，并判斷周 圍的環(huán)境時刻避障，然后由運動控制器反復(fù)控制其精確的加速和減速進行搬運貨物，稍微 的誤差累計就有可能在多回合運動中導(dǎo)致運輸失敗。國內(nèi)對SCARA機器人的使用雖然有幾 十年，但是由于國內(nèi)工業(yè)機器人發(fā)展起步比較晚，受較多關(guān)鍵技術(shù)的影響，SCARA機器人的 發(fā)展也受所影響，傳統(tǒng)的機器人原理如圖1所示，在長期使用期間出現(xiàn)眾多問題： (1)雖然永磁無刷直流伺服電機較步進電機、直流電機和直流伺服電機性能有所提高， 但是其在啟動或者是低速運動時轉(zhuǎn)矩脈動較大，無法滿足高精度SCARA機器人系統(tǒng)要求。 [0005] (2)無刷直流伺服電機的控制需要位置信息反饋進行電子換向，對于本控制系統(tǒng) 來說需要12個位置傳感器進行位置反饋，使得系統(tǒng)硬件復(fù)雜程度增加。
[0006] (3)雖然永磁無刷直流伺服電機較步進電機、直流電機和直流伺服電機性能有所 提高，但是其效率相對較低，無法滿足SCARA機器人節(jié)能系統(tǒng)。
[0007] (4)雖然永磁無刷直流伺服電機較步進電機、直流電機和直流伺服電機性能有所 提高，但是其帶載能力相對較弱，無法滿足重載SCARA機器人系統(tǒng)要求。
[0008] (5)當機器人遇到緊急情況需要停車或者是停車后啟動均是通過按鍵完成，機器 人的智能程度不高。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009] 本發(fā)明主要解決的技術(shù)問題是提供一種重載四核常速關(guān)節(jié)機器人控制系統(tǒng)，該重 載四核常速關(guān)節(jié)機器人控制系統(tǒng)計算速度快，使關(guān)節(jié)機器人手臂轉(zhuǎn)向靈活、動作穩(wěn)定精確、 體積小巧，性能穩(wěn)定，可以提高機器人的工作承載能力，方便機器人插入臨時動作。
[0010] 為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：提供一種重載四核常速關(guān)節(jié)機 器人控制系統(tǒng)，所述關(guān)節(jié)機器人采用永磁同步伺服電機X驅(qū)動機器人大臂旋轉(zhuǎn)運動、采用永 磁同步伺服電機Y驅(qū)動機器人小臂旋轉(zhuǎn)運動、采用永磁同步伺服電機Z驅(qū)動機器人手腕旋轉(zhuǎn) 運動、采用永磁同步伺服電機R驅(qū)動機器人手腕升降運動，所述機器人大臂上安裝有避障位 移傳感器S1、避障位移傳感器S2和加速度傳感器A1，所述機器人小臂上安裝有避障位移傳 感器S3、避障位移傳感器S4和加速度傳感器A2,所述機器人手腕上安裝有定位傳感器S5和 加速度傳感器A3,所述的控制系統(tǒng)包括主站控制計算機和控制器，所述控制器包括DSP芯片 控制器、語音識別處理器、P1C控制器和ARM控制器，所述DSP芯片控制器、P1C控制器和語音 識別處理器均與所述主站控制計算機通信連接，所述DSP芯片控制器、語音識別處理器和 ARM控制器彼此通信連接，所述P1C控制器與ARM控制器通信連接，所述永磁同步伺服電機X、 永磁同步伺服電機Y、永磁同步伺服電機Z和永磁同步伺服電機R均與所述DSP芯片控制器通 信連接，所述避障位移傳感器S1、避障位移傳感器S2、避障位移傳感器S3、避障位移傳感器 S4、定位傳感器S5、加速度傳感器A1、加速度傳感器A2和加速度傳感器A3均同時與所述DSP 芯片控制器和ARM控制器通信連接。
[0011] 在本發(fā)明一個較佳實施例中，還包括為所述關(guān)節(jié)機器人和控制系統(tǒng)提供電源的主 電源和備用電源，所述關(guān)節(jié)機器人中的各個所述電機和傳感器以及控制系統(tǒng)中的控制器均 與所述主電源和/或備用電源電性連接。
[0012] 在本發(fā)明一個較佳實施例中，所述永磁同步伺服電機X、永磁同步伺服電機Y、永磁 同步伺服電機Z和永磁同步伺服電機R上勻設(shè)置有光電編碼器，所述光電編碼器與所述DSP 芯片控制器電性連接。
[0013] 在本發(fā)明一個較佳實施例中，所述機器人大臂上安裝有磁電傳感器EM1，所述機器 人小臂上安裝有磁電傳感器EM2,所述機器人手腕上安裝有磁電傳感器EM3和EM4,所述磁電 傳感器EM1、磁電傳感器EM2、磁電傳感器EM3和EM4均與所述DSP芯片控制器和ARM控制器通 信連接。
[0014] 本發(fā)明的有益效果是:本發(fā)明的重載四核常速關(guān)節(jié)機器人控制系統(tǒng)計算速度快， 使關(guān)節(jié)機器人手臂轉(zhuǎn)向靈活、動作穩(wěn)定精確、體積小巧，性能穩(wěn)定，系統(tǒng)抗干擾能力強，噪聲 低，方便機器人插入臨時動作，主站與ARM控制器之間通過PLC進行通訊，使得總站與ARM控 制器之間可以實時進行數(shù)據(jù)通訊和調(diào)用，使得臨時任務(wù)加入運動隊列非常簡單，主站通過 基于語音識別處理器向ARM控制器輸入臨時任務(wù)或者是緊急啟停命令，減少了緊急狀態(tài)下 通過鍵盤輸入命令的時間，可有效提高機器人工作效率，基于PLC控制器和基于語音識別的 兩種輸入方式使得機器人更改任務(wù)更加方便。
【附圖說明】
[0015] 為了更清楚地說明本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案，下面將對實施例描述中所需要使 用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實施例，對于 本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其它 的附圖，其中： 圖1為傳統(tǒng)SCARA機器人控制器原理圖； 圖2為基于四軸永磁同步伺服電機SCARA機器人二維結(jié)構(gòu)圖； 圖3為基于四核四軸永磁同步伺服電機SCARA機器人控制器原理圖； 圖4為基于四核四軸永磁同步伺服電機SCARA機器人程序框圖； 圖5為基于四核四軸永磁同步伺服電機運動原理圖； 圖6為四軸電機加減速曲線圖； 圖7為本發(fā)明的重載四核常速關(guān)節(jié)機器人控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。
[0016] 附圖中各部件的標記如下：1、主站控制計算機，2、控制器，3、DSP芯片控制器，4、 ARM控制器，5、主電源，6、備用電源，7、永磁同步伺服電機X，8、永磁同步伺服電機Y，9、永磁 同步伺服電機Z，10、永磁同步伺服電機R，11、光電編碼器，12、避障位移傳感器S1，13、避障 位移傳感器S2，14、避障位移傳感器S3，15、避障位移傳感器S4，16、定位傳感器S5，17、加速 度傳感器A1，18、加速度傳感器A2，19、加速度傳感器A3，20、PLC控制器，21、磁電傳感器EM1， 22、磁電傳感器EM2，23、磁電傳感器EM3，24、磁電傳感器EM4，25、語音識別處理器。
【具體實施方式】
[0017] 下面將對本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施 例僅是本發(fā)明的一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本發(fā)明中的實施例，本領(lǐng)域普通 技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其它實施例，都屬于本發(fā)明保護的范 圍。
[0018] 請參閱圖2至圖7,本發(fā)明實施例包括:一種重載四核常速關(guān)節(jié)機器人控制系統(tǒng)，該 機器人為基于四軸永磁同步伺服電機的SCARA機器人，即所述關(guān)節(jié)機器人采用永磁同步伺 服電機X7驅(qū)動機器人大臂旋轉(zhuǎn)運動、采用永磁同步伺服電機Y8驅(qū)動機器人小臂旋轉(zhuǎn)運動、 采用永磁同步伺服電機Z9驅(qū)動機器人手腕旋轉(zhuǎn)運動、采用永磁同步伺服電機R10驅(qū)動機器 人手腕升降運動，所述機器人大臂上安裝有避障位移傳感器S1 12、避障位移傳感器S2 13 和加速度傳感器A1 17,所述機器人小臂上安裝有避障位移傳感器S3 14、避障位移傳感器 S4 15和加速度傳感器A2 18,所述機器人手腕上安裝有定位傳感器S5 16和加速度傳感器 A3 19〇
[0019] 所述的控制系統(tǒng)包括主站控制計算機1和控制器2,所述控制器2包括DSP芯片控制 器3、語音識別處理器25、P1C控制器20和ARM控制器4,所述DSP芯片控制器3、P1C控制器20和 語音識別處理器25均與所述主站控制計算機1通信連接，所述DSP芯片控制器3、語音識別處 理器25和ARM控制器4彼此通信連接，所述P1C控制器20與ARM控制器4通信連接。所述永磁同 步伺服電機X7、永磁同步伺服電機Y8、永磁同步伺服電機Z9和永磁同步伺服電機R10均與所 述DSP芯片控制器3通信連接，所述避障位移傳感器S1 12、避障位移傳感器S2 13、避障位移 傳感器S3 14、避障位移傳感器S4 15、定位傳感器S5 16、加速度傳感器A1 17、加速度傳感 器A2 18和加速度傳感器A3 19均同時與所述DSP芯片控制器3、語音識別處理器25、PLC控制 器20和ARM控制器4通信連接。
[0020] 優(yōu)選地，本發(fā)明的重載四核常速關(guān)節(jié)機器人控制系統(tǒng)還包括為所述關(guān)節(jié)機器人和 控制系統(tǒng)提供電源的主電源5和備用電源6,所述關(guān)節(jié)機器人中的各個所述電機和傳感器以 及控制系統(tǒng)中的控制器2均與所述主電源5和/或備用電源6電性連接。
[0021] 優(yōu)選地，所述永磁同步伺服電機X 7、永磁同步伺服電機Y 8、永磁同步伺服電機Z 9和永磁同步伺服電機R10上勻設(shè)置有光電編碼器11，所述光電編碼器11與所述DSP芯片控 制器3電性連接。
[0022]優(yōu)選地，所述機器人大臂上安裝有磁電傳感器EM1 21，所述機器人小臂上安裝有 磁電傳感器EM2 22,所述機器人手腕上安裝有磁電傳感器EM3 23和EM4 24,所述磁電傳感 器EM1 21、磁電傳感器EM2 22、磁電傳感器EM3 23和EM4 24均與所述DSP芯片控制器3和ARM 控制器4通信連接。這些磁電傳感器分別讀取各自的零位設(shè)置標志，當四者均探測到信號 時，SCARA機器人實現(xiàn)精確復(fù)位，提高了復(fù)位的精確度。
[0023] 本發(fā)明采用DSP控制器(TMS320F2812H語音識別處理器（芯片型號為LD3320HPLC 控制器20+ ARM控制器(STM32F746)四核進行系統(tǒng)控制。本發(fā)明的控制器原理為:控制板以 DSP(TMS320F28335)為處理器核心，ARM(STM32F746)實現(xiàn)貨物搬運從一點到另外一點的大 臂、小臂、手腕旋轉(zhuǎn)角度和手腕上升高度的計算，并實時響應(yīng)總站通過PLC輸入的臨時搬運 貨物的中斷以及基于LD3320語音識別的數(shù)據(jù)輸入，并與DSP(TMS320F28335)通訊，把DSP (TMS320F28335)從復(fù)雜的工作當中解脫出來，DSP(TMS320F28335)實現(xiàn)四軸永磁同步伺服 電機的實時控制，并響應(yīng)ARM中斷，實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信和存儲實時信號。
[0024] 在電源打開狀態(tài)下，ARM控制器先動態(tài)編輯LD3320的關(guān)鍵詞語列表，增加機器人語 音識別率，然后對機器人備用電源S0C(荷電狀態(tài))和主電源進行判斷，如果備用能源較低， 控制器會發(fā)出報警信號；如果備用電源和主電源工作正常，先由總站通過PLC控制器或者基 于LD3320語音識別系統(tǒng)把搬運貨物大臂、小臂和手腕旋轉(zhuǎn)角度以及升降信息輸入給ARM，由 ARM計算出機器人伺服系統(tǒng)的參數(shù)隊列；SCARA機器人攜帶的零位置傳感器EMI、EM2、EM3和 EM4開始工作，使機器人先復(fù)位到設(shè)定零位置，然后進入自鎖狀態(tài);一旦搬運命令開始后，機 器人攜帶的避障傳感器、定位傳感器和加速度傳感器均開啟，SCARA機器人按照設(shè)定ARM優(yōu) 化的搬運路徑快速搬運，DSP按照伺服參數(shù)和傳感器反饋實時調(diào)整SCARA機器人永磁同步伺 服電機X、永磁同步伺服電機Y、永磁同步伺服電機Z和永磁同步伺服電機R的PWM輸出，實現(xiàn) 四臺永磁同步伺服電機的實時伺服控制，DSP實時采集機器人運動信息并存儲貨物位置信 息，ARM如果對搬運某一個位置有疑問，將與DSP通訊，DSP發(fā)出停車指令使SCARA機器人停 車，然后人工對搬運信息進行判斷，確認無誤后二次人工啟動SCARA機器人繼續(xù)未完成的任 務(wù)。在機器人運動過程中，如果遇到緊急情況，主站將通過麥克風裝置向控制器輸入控制命 令，語音識別器LD3320識別后與ARM通訊，有ARM處理后與DSP通訊，DSP把主站命令轉(zhuǎn)化為各 個永磁同步伺服電機的控制信號。
[0025]參照圖1，圖2,圖3和圖4、圖5、圖6,其具體的功能實現(xiàn)如下： 1)SCARA機器人電源打開后，為了提高機器人語音識別效果，進一步降低誤識別率，ARM 控制器先向LD3320輸入SCARA機器人常用的一些命令和指令，用來吸收錯誤識別，從而達到 降低LD3320誤識別率的目的。
[0026] 2)ARM先對備用電源S0C和主電源狀態(tài)進行判斷，如果備用電源S0C較低時，DSP將 禁止四臺永磁同步伺服電機工作，電機輸入PWM波被封鎖，同時報警傳感器將工作并發(fā)出報 警信號;如果電池S0C正常，SCARA機器人進入待工作狀態(tài)，等待工作命令。
[0027] 3)-旦總站工作命令開始，總站可以選擇基于LD3320語音識別系統(tǒng)或者是PLC控 制器與ARM通訊，任何一個控制器都可以把大臂、小臂長度和升降桿的長度等信息通過 RS485傳入到ARM控制器，然后機器人開始校正零位置，SCARA機器人攜帶的磁電傳感器EM1、 EM2、EM3和EM4開始工作，并各自尋找設(shè)定的零位置標志，當磁電傳感器EM1、EM2、EM3和EM4 均有信號輸出時，DSP封鎖四路永磁同步伺服電機的P麗波控制信號，SCARA機器人自動引 導(dǎo)零位置復(fù)位完成，此時ARM控制器設(shè)定各個旋轉(zhuǎn)角度各=巧>爲=〇 ,手腕上升高度 cf3 二 0〇
[0028] 4)為了滿足SCARA機器人的加減速需要，本發(fā)明采用如圖6的運動時間梯形圖，此 梯形圖包含的面積就是機器人大臂、小臂和手腕要旋轉(zhuǎn)的角度或者是手腕升降的高度，為 了方便控制，本發(fā)明采用單一加速度模式。
[0029] 5)SCARA機器人讀取其工作模式，如果是人工工作模式，總站可以選擇基于LD3320 語音識別系統(tǒng)或者是PLC控制器與ARM通訊，由主站輸入SCARA機器人大臂、小臂和手腕需要 旋轉(zhuǎn)的角度H A以及SCARA機器人手腕需要上升或者是下降的高度溝給ARM控制器， ARM控制器根據(jù)Denavi t-Hartenberg算法開始機器人正向求解:ARM控制器首先根據(jù)SCARA 機器人大臂、小臂和手腕需要旋轉(zhuǎn)的角度烤，巧，吸以及SCARA機器人手腕需要上升的高度 <4計算出相鄰兩桿件坐標系之間的位姿矩陣^I，A:，^并用4*4二維數(shù)組標志， #0丨，*^54分別表不如下：
[0030]然后通過公式e 就可以求出手UM執(zhí)彳丁器完成任務(wù)后的位置和 姿態(tài)，然后ARM與DSP通訊，并傳輸人工輸入?yún)?shù)。
[0031 ] 6)SCARA機器人讀取其工作模式，如果是正常自動搬運工作模式，主站可以選擇基 于LD3320語音識別系統(tǒng)或者是PLC控制器與ARM通訊，由主站輸入SCARA機器人大臂、小臂和 手腕所處的初始位置和給定位置三維坐標給ARM控制器，ARM控制器根據(jù)Denavi t-Hartenberg算法開始機器人逆向求解:ARM控制器首先根據(jù)大臂、小臂長度以及最終的三維 坐標中的X和Y坐標求出大臂需要旋轉(zhuǎn)的角度巧，并借助巧的值求出蜷的值，并根據(jù)三維坐 標中的Z坐標求出手腕上升或降低的高度<:，最終求出旋轉(zhuǎn)角度咚，由于在求解珥的時候 方程具有雙解，所以SCARA機器人求出大臂、小臂和手腕需要旋轉(zhuǎn)的角度咚，咚，咚以及 SCARA機器人手腕需要上升的高度后，ARM控制器會對求解結(jié)果進行優(yōu)化，然后ARM控制 器與DSP通訊，把機器人最有伺服運動參數(shù)傳輸給DSP控制器。
[0032] 7)DSP控制器接受SCARA機器人大臂、小臂和手腕需要旋轉(zhuǎn)的角度巧，咚，巧以及 SCARA機器人手腕需要上升的高度％后，大臂、小臂和手腕上的傳感器S1~S5、EM1、EM2和 EM3將開啟，首先SCARA機器人要對零位置進行判斷，確認初始位置無誤后，SCARA機器人對 各個旋轉(zhuǎn)臂旋轉(zhuǎn)角度內(nèi)的障礙物進行判斷，如存在障礙物將向DSP發(fā)出中斷請求，DSP會對 中斷做第一時間響應(yīng)，然后封鎖四軸PWM波控制信號輸出，禁止SCARA機器人的永磁同步伺 服電機X、永磁同步伺服電機Y、永磁同步伺服電機Z和電機永磁同步伺服電機R工作，機器人 自鎖在原地，DSP控制器二次判斷運動范圍內(nèi)的障礙物信息，防止信息誤判。
[0033] 8 )如果DSP控制器確定無障礙物進入運動區(qū)域，按照圖6的速度時間曲線，DSP把三 個旋轉(zhuǎn)角度爲，巧，巧轉(zhuǎn)化為三臺永磁同步伺服電機的加速度、速度和位置初始指令值，然 后DSP結(jié)合電機X、電機Y和電機Z電機電流反饋、加速度傳感器、陀螺儀和光電編碼器的反 饋，經(jīng)內(nèi)部三閉環(huán)永磁同步伺服電機基于的矢量控制程序?qū)崟r調(diào)整電機X、電機Y和電 機Z的PWM波控制信號，DSP控制器根據(jù)三閉環(huán)輸入的偏差大小實時調(diào)整內(nèi)部伺服控制程序 的PID參數(shù)，通過調(diào)整永磁同步伺服電機的驅(qū)動脈沖數(shù)目調(diào)整其旋轉(zhuǎn)角度，通過調(diào)整永磁同 步伺服電機控制信號的頻率實現(xiàn)角速度快慢的變化，使三軸永磁同步伺服電機時刻同步工 作，DSP時刻記錄機器人已經(jīng)運動的位置參數(shù)。
[0034] 9)在SCARA機器人移動過程中，傳感器S1~S4時刻對運動范圍內(nèi)的移動障礙物進行 判斷，如果有障礙物進入運動范圍，SCARA機器人的大臂、小臂和手腕按照圖6的運動曲線立 即停車，DSP控制器記錄下當前旋轉(zhuǎn)角度色，:巧，，信息，等障礙物消失后，重新計算對新位 置的旋轉(zhuǎn)角度為，化，然后按照圖6的曲線重新經(jīng)過三段運動軌跡:加速運動、勻速運動 和減速運動，最終到達設(shè)定點。
[0035] 10)在移動過程中，加速度計和陀螺儀時刻記錄大臂、小臂和手腕旋轉(zhuǎn)的角加速度 和角速度，并通過積分對比得到大臂、小臂和手腕的旋轉(zhuǎn)角度，并與設(shè)定的位置角度值相比 較，如果偏差大于設(shè)定閥值，在下一個采樣周期，DSP控制器根據(jù)內(nèi)部三閉環(huán)永磁同步伺服 電機基于心=0的矢量控制程序調(diào)整永磁同步伺服電機X、永磁同步伺服電機Y、永磁同步伺 服電機Z的PWM控制信號，DSP控制器根據(jù)三閉環(huán)輸入的偏差大小實時調(diào)整內(nèi)部伺服控制程 序的PID參數(shù)，通過調(diào)整永磁同步伺服電機的驅(qū)動脈沖數(shù)目調(diào)整其旋轉(zhuǎn)角度，通過調(diào)整永磁 同步伺服電機控制信號的頻率實現(xiàn)角速度快慢的變化，進而消除上一個采樣周期產(chǎn)生的誤 差，使SCARA機器人按照設(shè)定軌跡完成任務(wù)。
[0036] 11)在SCARA機器人運動過程中，DSP會時刻儲存所經(jīng)過的SCARA機器人所處的位置 或者是經(jīng)過的參考點，并根據(jù)這些距離信息由DSP計算得到相對下一個參考點SCARA機器人 永磁同步伺服電機X、永磁同步伺服電機Y、永磁同步伺服電機Z分別要運行的角度、角度速 度和角加速度指令，DSP控制器再結(jié)合電機電流反饋、加速度傳感器、陀螺儀和光電編碼器 的反饋，根據(jù)其內(nèi)部三閉環(huán)基于的矢量控制伺服程序得到三臺永磁同步伺服電機的 PWM控制信號信號，DSP控制器根據(jù)三閉環(huán)輸入的偏差大小實時調(diào)整內(nèi)部伺服控制程序的 PID參數(shù)，通過調(diào)整永磁同步伺服電機的驅(qū)動脈沖數(shù)目調(diào)整其旋轉(zhuǎn)角度，通過調(diào)整永磁同步 伺服電機控制信號的頻率實現(xiàn)角速度快慢的變化，使SCARA機器人按照設(shè)定速度快速前行。 [0037] 12)在SCARA機器人運動過程中，ARM和DSP實時記錄機器人大臂、小臂和手腕旋轉(zhuǎn) 的角度，如果總站發(fā)現(xiàn)機器人運行速度較慢，可以通過LD3320語音識別系統(tǒng)向ARM輸入加速 命令，ARM處理后與DSP通訊，DSP根據(jù)加速時間要求，把剩余的角度轉(zhuǎn)化為永磁同步伺服電 機X、永磁同步伺服電機Y、永磁同步伺服電機Z分別要運行的角度、角度速度和角加速度指 令，DSP控制器再結(jié)合電機電流反饋、加速度傳感器、陀螺儀和光電編碼器的反饋，根據(jù)其內(nèi) 部三閉環(huán)基于?的矢量控制伺服程序重新調(diào)整三臺永磁同步伺服電機的PWM控制信號 信號，使機器人快速完成任務(wù)。
[0038] 13)在SCARA機器人運動過程中，ARM和DSP實時記錄機器人大臂、小臂和手腕旋轉(zhuǎn) 的角度，如果總站發(fā)現(xiàn)機器人需要緊急檢修，可以通過LD3320語音識別系統(tǒng)向ARM輸入停車 命令，ARM處理后與DSP通訊，DSP根據(jù)停車時間要求，再結(jié)合電機電流反饋、加速度傳感器、 陀螺儀和光電編碼器的反饋，根據(jù)其內(nèi)部三閉環(huán)基于& = ?的矢量控制伺服程序重新調(diào)整 三臺永磁同步伺服電機的PWM控制信號信號，使機器人迅速完成停車，DSP控制器通過加速 度和陀螺儀傳感器實時記錄機器人旋轉(zhuǎn)的角度并儲存。主站完成檢修完畢后，通過LD3320 語音識別系統(tǒng)向ARM輸入啟動命令，ARM處理后與DSP通訊，DSP根據(jù)加速時間要求，把剩余的 角度轉(zhuǎn)化為永磁同步伺服電機X、永磁同步伺服電機Y、永磁同步伺服電機Z分別要運行的角 度、角度速度和角加速度指令，DSP控制器再結(jié)合電機電流反饋、加速度傳感器、陀螺儀和光 電編碼器的反饋，根據(jù)其內(nèi)部三閉環(huán)基于的矢量控制伺服程序重新調(diào)整三臺永磁同 步伺服電機的PWM控制信號信號，使機器人快速完成剩余任務(wù)。
[0039] 14)在SCARA機器人完成三軸旋轉(zhuǎn)角度拓，琿，硌的伺服控制后，DSP二次檢測加速 度和陀螺儀傳感器的積分值，如果發(fā)現(xiàn)SCARA機器人在運動過程受到外界干擾后三個旋轉(zhuǎn) 角度瑪，硌，咚與設(shè)定角度的誤差超過設(shè)定閥值時， DSP把三個旋轉(zhuǎn)角度偏差A(yù)巧，A&， 轉(zhuǎn)化為三臺永磁同步伺服電機位置微調(diào)的加速度、速度和位置初始指令值，DSP再結(jié)合 電機X、電機Y和電機Z電機電流反饋、加速度傳感器、陀螺儀和光電編碼器的反饋，經(jīng)DSP內(nèi) 部三閉環(huán)基于^ = ?的矢量控制伺服程序調(diào)整電機X、電機Y和電機Z的PWM波控制信號，DSP 控制器根據(jù)三閉環(huán)輸入的偏差大小實時調(diào)整內(nèi)部伺服控制程序的PID參數(shù)，通過調(diào)整永磁 同步伺服電機的驅(qū)動脈沖數(shù)目調(diào)整其旋轉(zhuǎn)角度，通過調(diào)整永磁同步伺服電機控制信號的頻 率實現(xiàn)角速度快慢的變化，通過三軸永磁同步伺服電機的再次工作使機器人大臂、小臂和 手腕到達設(shè)定位置。
[0040] 15)當SCARA機器人的大臂、小臂和手腕完成角度咚，巧，咚的角度補償?shù)竭_設(shè)定 位置后，手腕上的傳感器EM4將再次開啟，首先SCARA機器人要對零位置進行判斷，確認初始 位置無誤后，DSP按照圖6的速度時間曲線，把手腕要升降的距離（轉(zhuǎn)化為永磁同步伺服電 機R的加速度、速度和位置初始指令值，然后DSP結(jié)合電機R的電機電流反饋、加速度傳感器、 陀螺儀和光電編碼器的反饋和傳感器S5的反饋，經(jīng)內(nèi)部三閉環(huán)基于的矢量控制伺服 程序?qū)崟r調(diào)整電機R的PWM波控制信號，DSP控制器根據(jù)三閉環(huán)輸入的偏差大小實時調(diào)整內(nèi) 部伺服控制程序的PID參數(shù)，通過調(diào)整永磁同步伺服電機的驅(qū)動脈沖數(shù)目調(diào)整其旋轉(zhuǎn)角度， 通過調(diào)整永磁同步伺服電機控制信號的頻率實現(xiàn)角速度快慢的變化，使手腕平穩(wěn)在設(shè)定時 間內(nèi)到達設(shè)定位置。
[0041] 16)在運動過程中如果SCARA機器人發(fā)現(xiàn)位置參數(shù)求解出現(xiàn)死循環(huán)將向ARM發(fā)出中 斷請求，ARM會對中斷做第一時間響應(yīng)，ARM控制器將立即與DSP通訊，DSP立即封鎖四臺永磁 同步伺服電機的控制信號，然后機器人原地自鎖，并放棄搬運工作，然后由主站根據(jù)儲存信 息進行分析，分析完畢后，主站通過PLC或者是基于LD3320語音識別系統(tǒng)向ARM控制器輸入 新的工作位置信息。
[0042] 17)在SCARA機器人多次反復(fù)運動過程中，如果主站發(fā)現(xiàn)有臨時重要任務(wù)需要加入 工作隊列中，主站將再次基于LD3320的語音識別系統(tǒng)，由主站通過LD3320控制器與ARM通 訊，主站輸入的語音指令經(jīng)LD3320識別后與ARM通訊，ARM控制器把語音指令轉(zhuǎn)化為重要任 務(wù)的位置伺服參數(shù)，ARM與DSP通訊，首先由DSP完成當前未完成的任務(wù)，同時ARM更新DSP原 有的伺服運動控制參數(shù)隊列，并傳輸新的伺服位置參數(shù)給DSP，使DSP下一個伺服運動控制 完成重要臨時任務(wù)。
[0043] 18)在SCARA機器人多次反復(fù)運動過程中，如果當磁電傳感器EM1、EM2、EM3和EM4讀 到傳感信號時，DSP控制器將以零位置參數(shù)代替現(xiàn)有的位置參數(shù)進行新的位置伺服控制，并 計算出誤差，在下一個采樣周期，DSP通過內(nèi)部三閉環(huán)永磁同步伺服電機基于的矢量 控制程序?qū)φ`差進行補償，及時消除累計誤差。
[0044] 19 )裝在永磁同步伺服電機X、永磁同步伺服電機Y、永磁同步伺服電機Z、永磁同步 伺服電機R上的光電編碼器會輸出其位置信號A和位置信號B，光電編碼器的位置信號A脈沖 和B脈沖邏輯狀態(tài)每變化一次，DSP和ARM內(nèi)的位置寄存器會根據(jù)電機的運行方向加1或者是 減1;光電編碼器的位置信號A脈沖和B脈沖和Z脈沖同時為低電平時，就產(chǎn)生一個INDEX信號 給DSP和ARM內(nèi)部寄存器，記錄永磁同步伺服電機的絕對位置，然后換算成SCARA機器人大 臂、小臂或者是手腕在三維坐標系統(tǒng)中的具體位置，ARM控制器實時通過PLC與主站通訊，把 重要的位置參數(shù)傳輸給主站。當磁電傳感器EMI、EM2和EM3讀到傳感信號時，DSP控制器將以 零位置參數(shù)代替現(xiàn)有的位置參數(shù)，及時消除累計誤差。
[0045] 20)SCARA機器人在運行過程ARM控制器時刻對AC交流主電源進行監(jiān)控，如果控制 器發(fā)現(xiàn)主電源出現(xiàn)故障突然斷電時，ARM會與DSP通訊，并開通備用電源，由備用電源為四軸 永磁同步伺服電機提供能量，并通過DSP內(nèi)部三閉環(huán)伺服控制系統(tǒng)程序?qū)崟r調(diào)整四臺永磁 同步伺服電機的PWM輸出，通過調(diào)整永磁同步伺服電機的驅(qū)動脈沖數(shù)目調(diào)整其旋轉(zhuǎn)角度，通 過調(diào)整永磁同步伺服電機控制信號的頻率實現(xiàn)角速度快慢的變化，使SCARA機器人完成這 次搬運任務(wù)，然后SCARA機器人通過PLC與主站進行通訊，并通知主站進行檢修。
[0046] 21)在SCARA機器人多軸伺服系統(tǒng)工作過程中，如果DSP伺服控制器檢測到某一個 永磁同步伺服電機的轉(zhuǎn)矩出現(xiàn)脈動，由于本發(fā)明采用的永磁同步伺服電機力矩與電機電流 成正比例，因此控制器會很容易補償此干擾，并根據(jù)干擾大小DSP實時調(diào)整電流環(huán)的PID參 數(shù)，減少了電機轉(zhuǎn)矩擾動對SCARA機器人運動過程的影響。
[0047] 22)當SCARA機器人完成一系列任務(wù)，實現(xiàn)位置歸零時，其攜帶的加速度傳感器A1~ A3、陀螺儀G1~G3、磁電傳感器EMI、EM2、EM3和EM4會時刻工作，先有加速度傳感器和陀螺儀 檢測其加速度和速度，當加速度和速度超過預(yù)設(shè)閥值時，在下一個周期DSP控制器會修正上 一個周期帶來的誤差，當磁電傳感器￡11^112、￡1〇、￡114均有信號輸出時，05?封鎖四路永磁 同步伺服電機的PWM波控制信號，SCARA機器人自動引導(dǎo)零位置復(fù)位完成，SCARA機器人按照 圖6的速度-時間運動曲線實現(xiàn)從某一點到零位的歸位并零位自鎖，等待下一批運動命令隊 列。
[0048] 以上所述僅為本發(fā)明的實施例，并非因此限制本發(fā)明的專利范圍，凡是利用本發(fā) 明說明書內(nèi)容所作的等效結(jié)構(gòu)或等效流程變換，或直接或間接運用在其它相關(guān)的技術(shù)領(lǐng) 域，均同理包括在本發(fā)明的專利保護范圍內(nèi)。
【主權(quán)項】
1. 一種重載四核常速關(guān)節(jié)機器人控制系統(tǒng)，其特征在于，所述關(guān)節(jié)機器人采用永磁同 步伺服電機X驅(qū)動機器人大臂旋轉(zhuǎn)運動、采用永磁同步伺服電機Y驅(qū)動機器人小臂旋轉(zhuǎn)運 動、采用永磁同步伺服電機Z驅(qū)動機器人手腕旋轉(zhuǎn)運動、采用永磁同步伺服電機R驅(qū)動機器 人手腕升降運動，所述機器人大臂上安裝有避障位移傳感器S1、避障位移傳感器S2和加速 度傳感器A1，所述機器人小臂上安裝有避障位移傳感器S3、避障位移傳感器S4和加速度傳 感器A2,所述機器人手腕上安裝有定位傳感器S5和加速度傳感器A3,所述的控制系統(tǒng)包括 主站控制計算機和控制器，所述控制器包括DSP芯片控制器、語音識別處理器、P1C控制器和 ARM控制器，所述DSP芯片控制器、P1C控制器和語音識別處理器均與所述主站控制計算機通 信連接，所述DSP芯片控制器、語音識別處理器和ARM控制器彼此通信連接，所述P1C控制器 與ARM控制器通信連接，所述永磁同步伺服電機X、永磁同步伺服電機Y、永磁同步伺服電機Z 和永磁同步伺服電機R均與所述DSP芯片控制器通信連接，所述避障位移傳感器S1、避障位 移傳感器S2、避障位移傳感器S3、避障位移傳感器S4、定位傳感器S5、加速度傳感器A1、加速 度傳感器A2和加速度傳感器A3均同時與所述DSP芯片控制器和ARM控制器通信連接。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的重載四核常速關(guān)節(jié)機器人控制系統(tǒng)，其特征在于，還包括為所 述關(guān)節(jié)機器人和控制系統(tǒng)提供電源的主電源和備用電源，所述關(guān)節(jié)機器人中的各個所述電 機和傳感器以及控制系統(tǒng)中的控制器均與所述主電源和/或備用電源電性連接。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的重載四核常速關(guān)節(jié)機器人控制系統(tǒng)，其特征在于，所述永磁同 步伺服電機X、永磁同步伺服電機Y、永磁同步伺服電機Z和永磁同步伺服電機R上勻設(shè)置有 光電編碼器，所述光電編碼器與所述DSP芯片控制器電性連接。4. 根據(jù)權(quán)利要求1至3任一項所述的重載四核常速關(guān)節(jié)機器人控制系統(tǒng)，其特征在于， 所述機器人大臂上安裝有磁電傳感器EM1，所述機器人小臂上安裝有磁電傳感器EM2,所述 機器人手腕上安裝有磁電傳感器EM3和EM4,所述磁電傳感器EM1、磁電傳感器EM2、磁電傳感 器EM3和EM4均與所述DSP芯片控制器和ARM控制器通信連接。
【文檔編號】B25J9/18GK106003063SQ201610419543
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年6月14日
【發(fā)明人】張好明
【申請人】江蘇若博機器人科技有限公司