一种串并联机器人的控制系统技术方案

本发明专利技术公开了一种串并联机器人控制系统，由上位机、嵌入式PC控制器、伺服驱动器、伺服电机、电主轴模块、误差补偿模块部件组成。上位机处理控制文件，提取点位信息，按照控制文件指定方式插值得到运动轨迹上的中间点位，并通过运动学逆解程序生成位置表；将位置表传输到嵌入式PC控制器。嵌入式PC控制器运行TwinCAT平台开发程序，将位置表转化成运动控制信号，控制伺服驱动器，继而控制伺服电机，完成对串并联机器人控制。本发明专利技术系统可控制串并联机器人进行点动或使末端沿复杂轨迹运动，并具有电主轴安全联动、运动误差补偿的功能；充分发挥了PC计算能力强、应用程序灵活的特点，可方便地进行拓展开发，完善串并联机器人的应用。

【技术实现步骤摘要】
一种串并联机器人的控制系统
本专利技术涉及一种控制系统，尤其是涉及一种串并联机器人的控制系统
技术介绍
为了提高对生产环境的适应性，满足灵活多变的市场需求，近年来全球制造业都在探索研发新型制造系统与装备。串并联机器人是其中的代表，与传统机器人相比，具有刚度重量比大、响应速度快、末端姿态能力良好、环境适应性强等优点。然而串并联机器人末端的笛卡尔空间运动是其关节空间运动的复杂非线性映射，控制较为困难，限制了串并联机器人的应用。目前机器人的控制系统可以大致分为四种类型，即封闭式结构、PC嵌入NC结构、NC嵌入PC结构、软件型开放式结构。其中封闭式结构占据目前制造业的主流，它需要使用专用工具进行开发且受制于系统供应商；PC嵌入NC结构是在控制器内部嵌入PC，用于处理一些非实时任务，它具有一定的开放性，但控制系统的核心仍然是封闭的。NC嵌入PC结构是指使用PC加上运动控制卡进行控制，开放性较强；软件型开放式结构以PC为基础，在计算机操作系统下运行软件化的NC，实现了控制方案的软件化，是机器人控制系统发展的趋势。由倍福自动化有限公司所研发的TwinCAT平台，可以方便地安装在PC上，支持EtherCAT协议的TwinCAT平台可将一台PC转变成一个具有多轴控制功能的实时控制器。专利号为201810166162.0的一种含有动平台附加约束的五自由度精密串并联机器人，公开提到了一种串并联机器人。它的特点是：从机器人的固定基座到末端执行器的运动链由两部分串联形成，即三个移动副支链组成的三自由度并联部分与两个旋转副组成的二自由度串联部分。与传统的机器人相比，串并联机器人运动链形式新颖，结构复杂，因而缺少相应的控制系统。
技术实现思路
针对串并联机器人控制系统的空白，本专利技术提出了一种串并联机器人的控制系统。这一控制系统采用上下位机、软件型开放式结构，克服了传统控制系统计算能力不足、开发不便的特点。并在如4所述的串并联机器人上试运行，实现了机器人的末端轨迹控制，控制效果良好。为了实现上述目的，本专利技术采用下述技术方案：一种串并联机器人的控制系统，包括上位机、嵌入式PC控制器、I/O模块、伺服驱动器、伺服电机、电主轴模块、误差补偿模块、附属部件；其中上位机处理控制文件，提取点位信息，再按照控制文件指定的方式插值得到运动轨迹上的中间点位，并通过运动学逆解模块生成位置表；上位机将位置表通过EtherCAT总线传输到嵌入式PC控制器；嵌入式PC控制器上运行基于TwinCAT开发的程序模块，该程序模块将位置表转成控制信号，通过IO模块控制伺服驱动器，继而控制伺服电机和电主轴模块，使得串并联机器人做出指定的运动；误差补偿模块将输出信号处理成计算机可识别的信号，通过I/O模块输入嵌入式PC控制器，再经嵌入式PC控制器上传至上位机；通过上位机的补偿量计算程序处理得到补偿量后，传输回嵌入式PC控制器中，进行误差补偿。优选地，上位机运行windows操作系统的微型计算机，在上位机上运行的程序有通信模块、解释模块、插值模块、逆解模块、补偿量计算模块。优选地，嵌入式PC控制器采用倍福工控PC，运行基于TwinCAT平台开发的程序，嵌入式PC控制器带有触控屏，用于与外界进行信息交互。优选地，I/O模块由若干端子模块与串口模块组成；嵌入式PC控制器通过I/O模块对伺服驱动器进行反馈控制，并从I/O模块读取电主轴模块的运行信号和误差补偿模块传回的测量值。优选地，电主轴模块由电主轴、电主轴驱动器、冷却系统、换刀系统、电主轴模块附属部件组成；当电主轴运行时，电主轴驱动器才会向嵌入式PC控制器发送允许伺服轴运动的信号。优选地，误差补偿模块包含误差传感器和信号调理电路；误差传感器用于测量机器人末端的实际位姿，信号调理电路将模拟信号转化为方便处理的数字信号。优选地，上位机与嵌入式PC控制器协同完成串并联机器人的控制任务，上位机完成串并联机器人控制所需的复杂数据处理工作，将所需要的机器人末端运动换算成各伺服轴的位置表；嵌入式PC控制器实现运动控制，根据上位机发来的伺服轴的位置表，控制伺服驱动器运动；上位机的数据计算与嵌入式PC控制器的运动控制是异步进行的；上位机将计算得到的伺服轴位置表发送到嵌入式PC控制器后，由嵌入式PC控制器将位置表处理成伺服驱动器的控制指令，存储于堆栈中，并依照“先进先出”的队列模式，依次向各个伺服驱动器发送这些指令，实现串并联机器人的多轴联动，使得其末端沿指定轨迹运行。优选地，通信模块用于和其它计算机或制造系统交换信息，取得串并联机器人的控制文件，并将其存储或发送给解释模块；控制文件中包含了机器人的末端的轨迹类型、确定轨迹的有限个目标点的位姿、轨迹容许弓高误差信息；控制文件的格式兼容通用数控程序的格式，对串并联机器人进行控制。优选地，解释模块从控制文件中提取出轨迹类型、目标点位姿、轨迹容许弓高误差信息，并提交给插值模块。优选地，插值模块根据控制文件中的信息，生成中间点位姿表；中间点位姿表记录了串并联机器人末端即将经过的每个中间点的位姿与姿态；中间点的个数由插值模块根据控制文件中的信息自动计算，使得轨迹的弓高误差不超过设定的范围。优选地，逆解模块对于插值模块传来的中间点位姿表中的每一个中间点，调用一次逆解程序；逆解程序的输入量为中间点的位置坐标与姿态，输出量为该中间点的各关节值，即为了让串并联机器人的末端达到该中间点，机器人的各个关节，包含移动或转到关节，应具有的值；逆解模块将关节值写入位置表，发送给嵌入式PC控制器。优选地，补偿量计算模块从嵌入式PC控制器获取来自误差补偿模块的位置数据，并调用逆解程序计算当前串并联机器人的各关节实际位置，与当前点位的各关节理论位置对比后计算出补偿量，再将补偿量写入嵌入式PC控制器的程序中的补偿表内，使得机器人末端精度得以改善。优选地，上位机采用普通PC，上位机主要处理复杂的数据操作，包括与其他系统的通信、控制文件的解读、点位的插值、点位运动学逆解、补偿量的计算，这些操作均由软件完成。硬件方面上位机与嵌入式PC控制器通过EtherCAT总线相连。优选地，控制文件按照通用的数控程序格式给出。上位机从通信模块中获得控制文件后，利用文件解释模块取得所要求的机器人轨迹类型、目标点数据、电主轴状态等信息。优选地，点位插值由上位机程序中的插值模块完成。获得目标点的数据和轨迹类型后，插值模块将目标点的数据解离成目标点的姿态和目标点的空间坐标，分别进行姿态插值和空间坐标插值。优选地，姿态插值是指给定几个目标点的姿态，也就是机器人末端的姿态，求出由这些目标点确定的轨迹上的中间点的姿态。具体的做法是将描述这些点姿态的欧拉角转化成四元数，再利用四元数球面线性插值公式对点的四元数进行插值，得到中间点的四元数，然后把中间点的四元数换算回欧拉角。通过这样的姿态插值可以确保机器人末端姿态的平滑过渡。优选地，空间坐标插值是指给定几个目标点的空间坐标，也就是机器人末端的空间位置，求出由这些点确定的轨迹上的中间点的空间位置本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种串并联机器人的控制系统，其特征在于：包括上位机(1)、嵌入式PC控制器(2)、I/O模块(3)、伺服驱动器(7)、伺服电机(8)、电主轴模块(4)、误差补偿模块(6)、附属部件；其中上位机(1)处理控制文件，提取点位信息，再按照控制文件指定的方式插值得到运动轨迹上的中间点位，并通过运动学逆解模块生成位置表；上位机(1)将位置表通过EtherCAT总线传输到嵌入式PC控制器(2)；嵌入式PC控制器(2)上运行基于TwinCAT开发的程序模块，该程序模块将位置表转成控制信号，通过IO模块(3)控制伺服驱动器(7)，继而控制伺服电机(8)和电主轴模块(4)，使得串并联机器人做出指定的运动；误差补偿模块(6)将输出信号处理成计算机可识别的信号，通过I/O模块(3)输入嵌入式PC控制器(2)，再经嵌入式PC控制器(2)上传至上位机(1)；通过上位机(1)的补偿量计算程序处理得到补偿量后，传输回嵌入式PC控制器(2)中，进行误差补偿。/n

【技术特征摘要】
1.一种串并联机器人的控制系统，其特征在于：包括上位机(1)、嵌入式PC控制器(2)、I/O模块(3)、伺服驱动器(7)、伺服电机(8)、电主轴模块(4)、误差补偿模块(6)、附属部件；其中上位机(1)处理控制文件，提取点位信息，再按照控制文件指定的方式插值得到运动轨迹上的中间点位，并通过运动学逆解模块生成位置表；上位机(1)将位置表通过EtherCAT总线传输到嵌入式PC控制器(2)；嵌入式PC控制器(2)上运行基于TwinCAT开发的程序模块，该程序模块将位置表转成控制信号，通过IO模块(3)控制伺服驱动器(7)，继而控制伺服电机(8)和电主轴模块(4)，使得串并联机器人做出指定的运动；误差补偿模块(6)将输出信号处理成计算机可识别的信号，通过I/O模块(3)输入嵌入式PC控制器(2)，再经嵌入式PC控制器(2)上传至上位机(1)；通过上位机(1)的补偿量计算程序处理得到补偿量后，传输回嵌入式PC控制器(2)中，进行误差补偿。


2.如权利要求1所述串并联机器人的控制系统，其特征在于：上位机(1)是运行windows操作系统的微型计算机，在上位机(1)上运行的程序有通信模块(9)、解释模块(11)、插值模块(12)、逆解模块(13)、补偿量计算模块(14)。


3.如权利要求1所述串并联机器人的控制系统，其特征在于：嵌入式PC控制器(2)采用倍福工控PC，运行基于TwinCAT平台开发的程序，嵌入式PC控制器(2)带有触控屏(5)，用于与外界进行信息交互。


4.如权利要求1所述串并联机器人的控制系统，其特征在于：I/O模块(3)由若干端子模块与串口模块组成；嵌入式PC控制器(2)通过I/O模块(3)对伺服驱动器(7)进行反馈控制，并从I/O模块(3)读取电主轴模块(4)的运行信号和误差补偿模块(6)传回的测量值。


5.如权利要求1所述串并联机器人的控制系统，其特征在于：电主轴模块(4)由电主轴、电主轴驱动器、冷却系统、换刀系统、电主轴模块附属部件组成；当电主轴运行时，电主轴驱动器才会向嵌入式PC控制器(2)发送允许伺服轴运动的信号。


6.如权利要求1所述串并联机器人的控制系统，其特征在于：误差补偿模块(6)包含误差传感器和信号调理电路；误差传感器用于测量机器人末端的实际位姿，信号调理电路将模拟信号转化为方便处理的数字信号。


7.如权利要求1所述串并联机器人的控制系统，其特征在于：上位机(1)与嵌...

【专利技术属性】
技术研发人员：沈南燕，袁恒名，李静，陆宁和，
申请(专利权)人：上海大学，
类型：发明
国别省市：上海;31