一种模块化工业机器人重构系统及其控制方法技术方案

本发明专利技术公开了一种开放式可重构模块化智能工业机器人重构系统，设备结构简单、成本较低、体积较小、开放性高，工作寿命长、功耗低，可以有效地对可重构模块化机器人进行构型选择与重组控制，提高终端的使用移植性与实用性，降低用户的升级成本，提升用户的使用体验。同时本发明专利技术还提出了相应的重构系统控制方法，该方法简单易操作，准确率高，可以很好的满足柔性生产线对生产快速重组的需求，其相对可重组性、独立性使系统容易扩展和定制，可靠性和可维护性提高，便于系统的升级，智能化的关节模块可以方便地实现各关节的分布式控制。

A modular industrial robot reconfiguration system and its control method

The invention discloses an open reconfigurable modular industrial robot intelligent reconstruction system has the advantages of simple structure, low cost, small volume, high openness, long service life, low power consumption, can be effective for reconfigurable modular robot configuration selection and recombination control, improve the portability and practicality of terminal the lower user cost to upgrade, enhance the user experience. At the same time, the invention also provides a method for reconstruction of control system, the method is simple and easy to operate, high accuracy, can be very good to meet the needs of flexible production line production rapid reorganization, the relative recombination, the independence of the system is easy to extend and customize, improve reliability and maintainability, easy system upgrade joint, intelligent modules can realize the distributed control of each joint conveniently.

【技术实现步骤摘要】
一种模块化工业机器人重构系统及其控制方法
本专利技术涉及机器人控制领域，具体涉及一种模块化工业机器人重构系统及其控制方法。
技术介绍
模块化工业机器人具有灵活性高、功能强大、适应性强、结构稳定且多变等特点，是现代机器人控制系统发展的一个前沿命题，其基本设计思想是适应柔性生产线要求，根据相关原则把机器人合理划分为相对独立的可重构模块，由柔性生产线决定机器人的最终结构。可重构模块化机器人具有广泛的适应性和便捷的可重构性，在敏捷制造系统、柔性制造系统、小批量多功能生产线、军事、航天、核废料处理、极限环境中作业等领域具有很大的发展前景和应用潜力。虽然在工业机器人研究领域可重构模块化设计思想被广泛认同，但是实际应用中鲜有完善的可重构模块化机器人应用，其原因在于缺少一种能够通过合理划分执行机构与连接机构来快速构造符合使用要求的机器人重构控制方法，同时缺少相应的机器人运动学与动力学模型建立与求解算法，难以为机器人运动轨迹规划与控制系统开发提供模型与数据支撑。
技术实现思路
鉴于已有技术存在的不足，本专利技术的目的是要提供一种开放式模块化智能工业机器人重构系统，其模块可重组性、独立性使系统易于扩展和定制，同时可便捷实现各关节模块的分布式控制，易于系统的升级。为了实现上述目的，本专利技术技术方案如下：一种模块化工业机器人重构系统，其特征在于系统包括：上位机、通信单元、机器人本体、嵌入式多轴运动控制器单元、端口扩展单元、底层采集单元、示教器单元、安保单元、执行单元以及电源管理单元；其中，通过端口扩展单元分别与所述底层采集单元、示教器单元以及执行单元连接的嵌入式多轴控制器单元还与所述安全保障单元连接，并通过通信单元与所述机器人本体通信并与上位机进行实施数据交互；所述执行单元连接于机器人本体以驱动机器人本体的动作；开始时，上位机根据实验任务及工程要求自动生成机器人重构方案并对生成的重构方案进行评价，同时通过通信单元与嵌入式多轴运动控制器单元通信以控制机器人本体与底层采集单元相应的功能模块经过执行单元组合连接以满足对机器人的功能要求；随后，所述嵌入式多轴运动控制器单元根据机器人重构方案将各模块依次组合，并对重构机器人进行路径规划和轨迹规划以实现对重构机器人的精确控制。进一步的，所述底层采集单元包括但不限于超声波传感器模块、激光轮廓采集器模块、线性CCD模块、压力传感器模块、气压传感器模块、陀螺仪模块。进一步的，所述安保单元包括用以实现机器人本体平稳减速的减速器模块以及用于限定机器人本体运动范围的限位器模块。进一步的，所述执行单元包括电机驱动模块以及伺服电机模块。本专利技术的另一目的是要提供一种基于上述模块化工业机器人重构系统的模块化工业机器人重构方法，其特征在于步骤包括：步骤1、自适应构型快速重组，执行机器人构型自动生成算法，生成符合要求的机器人构型；步骤2、进行重构机器人自适应运动学分析，执行运动学自适应算法，建立并求解可重构机器人的运动学一般模型，满足机器人构型运动学要求；步骤3、进行重构机器人自适应动力学分析，执行动力学自适应算法，建立重构机器人本体动力学分析构型的一般模型，并给出构型的可行解，实现不同自由度和构型的机器人本体动力学的快速分析；步骤4、对重构机器人进行路径规划与轨迹规划，执行基于改进遗传算法的路径规划算法和基于改进的神经网络算法的轨迹规划算法，以实时快速的针对不同应用场合规划路径和轨迹。进一步的，还包括数据校正与轨迹更新调节器的设计，包括：将实际运动数据与预定运动数据进行误差分析，如果误差在0.1％以下，则进行微调，否则发出报警，进行人工检查；更新下一阶段的任务轨迹，并进行可行性规划。与现有技术相比，本专利技术的有益效果：1、本专利技术可以在较短时间内(5分钟内)生成可重构模块化机器人系统的模块设计与构型选择，可以充分发挥模块本身的性能及模块之间的匹配连接能力，可以较好的满足用户的高效二次开发，符合柔性生产线的基本需求。2、本专利技术根据按需定制的原则，在快速生成符合任务需求的模块设计与构型选择的基础上，采用一种面向任务的自适应模块化机器人运动学正/逆解算法，可以在5分钟内给出不同构型的机器人运动学正解和逆解(有封闭解时，给出封闭解，没有封闭解时，给出可行解)。3、本专利技术基于运动学分析提出了自适应的求解不同机器人构型的动力学方程，计算形式简洁，易于程序化实现、便于进行控制系统的分析与综合，较好适应可重构机器人构型多变的特点；在动力学分析的基础上，本专利技术采用自适应通用性机器人路径规划与轨迹规划算法，可以在较短时间内(任务不同，时间不确定)完成机器人运动路径的追踪与运动轨迹的规划，同时满足关节速度、加速度及力矩约束。4、本专利技术基于实现机器人路径规划与轨迹规划，提出相应的应的开放式通用性可重构机器人控制方法，可以实现不同构型机器人的各关节精确与协调控制、稳定的上下位机通信、可靠地长时间工作。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1为本专利技术模块化工业机器人重构系统功能示意图；图2为本专利技术机器人重构系统控制方法流程示意图；图3为本专利技术机器人重构系统基本构型工作流程图；图4为本专利技术机器人重构系统运动学分析算法的设计工作流程示意图；图5为本专利技术机器人重构系统本体动力学分析算法的设计流程示意图；图6为本专利技术机器人重构系统路径规划与轨迹规划算法设计流程示意图；图7为本专利技术机器人重构系统控制方法数据校正与轨迹更新调节器的设计流程示意图。附图标号说明：1－嵌入式多轴运动控制器单元、2－端口扩展单元、3－示教器单元、4－电机驱动单元、5－伺服电机单元、6－机器人本体单元、7－通信单元、8－系统电源管理单元、9－PC上位机、10－减速器模块、11－限位器模块、12－超声波传感器模块、13－激光轮廓采集器模块、14－线性CCD模块、15－压力传感器模块、16－气压传感器模块、17－陀螺仪模块。具体实施方式为使本专利技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。下面结合附图以及具体实施例进一步说明本专利技术的技术方案：如图1所示，一种模块化工业机器人重构系统，系统主要包括：上位机、通信单元、机器人本体、嵌入式多轴运动控制器单元、端口扩展单元、底层采集单元、示教器单元、安保单元、执行单元以及电源管理单元；其中，通过端口扩展单元分别与所述底层采集单元、示教器单元以及执行单元连接的嵌入式多轴控制器单元还与所述安全保障单元连接，并通过通信单元与所述机器人本体通信并与上位机进行实施数据交互；所述执行单元连接于机器人本体以驱动机器人本体的动作；开始时，上位机根据实验任务及工程要求执行机器人构型自动生成算法并对生成的重构方案进行评价，同时通过通信单元与嵌入式多轴运动控制器单元通信控制机器人本体与底层采集本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种模块化工业机器人重构系统，其特征在于系统包括：上位机、通信单元、机器人本体、嵌入式多轴运动控制器单元、端口扩展单元、底层采集单元、示教器单元、安保单元、执行单元以及电源管理单元；其中，通过端口扩展单元分别与所述底层采集单元、示教器单元以及执行单元连接的嵌入式多轴控制器单元还与所述安全保障单元连接，并通过通信单元与所述机器人本体通信并与上位机进行实施数据交互；所述执行单元连接于机器人本体以驱动机器人本体的动作；开始时，上位机根据实验任务及工程要求自动生成机器人重构方案并对生成的重构方案进行评价，同时通过通信单元与嵌入式多轴运动控制器单元通信以控制机器人本体与底层采集单元相应的功能模块经过执行单元组合连接以满足对机器人的功能要求；随后，所述嵌入式多轴运动控制器单元根据机器人重构方案将各模块依次组合，并对重构机器人进行路径规划和轨迹规划以实现对重构机器人的精确控制。

【技术特征摘要】
1.一种模块化工业机器人重构系统，其特征在于系统包括：上位机、通信单元、机器人本体、嵌入式多轴运动控制器单元、端口扩展单元、底层采集单元、示教器单元、安保单元、执行单元以及电源管理单元；其中，通过端口扩展单元分别与所述底层采集单元、示教器单元以及执行单元连接的嵌入式多轴控制器单元还与所述安全保障单元连接，并通过通信单元与所述机器人本体通信并与上位机进行实施数据交互；所述执行单元连接于机器人本体以驱动机器人本体的动作；开始时，上位机根据实验任务及工程要求自动生成机器人重构方案并对生成的重构方案进行评价，同时通过通信单元与嵌入式多轴运动控制器单元通信以控制机器人本体与底层采集单元相应的功能模块经过执行单元组合连接以满足对机器人的功能要求；随后，所述嵌入式多轴运动控制器单元根据机器人重构方案将各模块依次组合，并对重构机器人进行路径规划和轨迹规划以实现对重构机器人的精确控制。2.根据权利要求1所述的模块化工业机器人重构系统，其特征在于所述底层采集单元包括但不限于超声波传感器模块、激光轮廓采集器模块、线性CCD模块、压力传感器模块、气压传感器模块、陀螺仪模块。3.根据权利要求1所述的模块化工业机器人重构系统，其特征在于所述安保单元包括用以实现机器人本体平稳减速的减速器模块以及用于限定机器人本体运动范围的限位器模块。4.根据权利要求1所述的模块化工业机器人重构系统，其特征在于所述执行单元包括电机驱动模块以及伺服电机模块。5.一种基于权利要求1所述模块化工业机器人重构系统的模块化工业机器人重构方法，其特征在于步骤包括：步骤1、针对重构机器人进行功能需求分析，并生成重组机器人构建模型，并对模型进行进一步评价分析以保证生成符合功能要求的机器人构型；步骤2、进行重构机器人自适应运动学分析，建立并求解可重构机器人的运动学一般模型，满足机器人构型运动学要求；步骤3、进行重构机器人自适应动力学分析，建立重构机器人本体动力学分析构型的一般模型，并给出构型的可行解，实现不同自由度和构型的机器人本体动力学的快速分析；步骤4、对重构机器人进行路径规划与轨迹规划，执行基于改进遗传算法的路径规划算法和基于改进的神经网络算法的轨迹规划算法，以实时快速的针对不同应用场合规划路径和轨迹。6.根据权利要求5所述的模块化工业机器人重构方法，其特征在于还包括数据校正与轨迹更新调节器的设计，包括：将实际运动数据与预定运动数据进行误差分析，如果误差在0.1％以下，则进行微调，否则发出报警，进行人工检查；更新下一阶段的任务轨迹，并进行可行性规划。7.根据权利要求5所述的模块化工业机器人重构方法，其特征在于所述步骤1包括如下步骤：S11：根据作业任务需求确定机器人本体的自由度、各个杆件的尺寸、伺服电机的...

【专利技术属性】
技术研发人员：王振华，薛严冰，孙克争，周雪峰，许琳娜，
申请(专利权)人：大连交通大学，
类型：发明
国别省市：辽宁,21