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一种柔性协作 机器人的控制方法及控制系统

阅读：854发布：2020-05-08

专利汇可以提供一种柔性协作机器人的控制方法及控制系统专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明公开了一种柔性协作机器人的控制方法及控制系统，包括：中央处理器通过机器人控制器使机器人位于准备就绪的姿态，并确定机器人的工作空间、工作速度以及工作载荷；机器人控制器使工件置放体旋转到初始位置；中央处理器通过机器人控制器使机器人在工件置放体的第一工序区域内作业；中央处理器判断作业是否全部完成；中央处理器通过工件置放体电机控制器控制工件置放体旋转一定的角度；中央处理器通过机器人控制器使机器人在工件置放体的第二工序区域内进行与初始工序区域内同样的作业。本发明的一种柔性协作机器人的控制方法及控制系统，能令机器人可以对大于自身工作范围的作业对象进行作业，还能节约成本及缩小系统占用空间。，下面是一种柔性协作机器人的控制方法及控制系统专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种柔性协作机器人的控制方法，其特征在于：包括如下步骤：
（1）中央处理器通过机器人控制器使机器人位于准备就绪的姿态，并确定机器人的工作空间、工作速度以及工作载荷；
（2）机器人控制器使工件置放体旋转到初始位置，使工件置放体的初始工序区域的中心线与机器人的机座轴线正交；
（3）中央处理器通过机器人控制器使机器人在工件置放体的第一工序区域内作业；
（4）中央处理器判断作业是否全部完成，若没全部完成，则进行下一步骤；
（5）中央处理器通过工件置放体电机控制器控制工件置放体旋转一定的角度，使工件置放体的第二工序区域的中心线与机器人的基座轴线正交；
（6）中央处理器通过机器人控制器使机器人在工件置放体的第二工序区域内进行与初始工序区域内同样的作业，然后回到步骤（4），再进行判断，若判断作业已经全部完成则进行步骤（7）；
（7）结束本次作业。
2.根据权利要求1所述的一种柔性协作机器人的控制方法，其特征在于：步骤（1）确定机器人的工作空间是指确定机器人机械臂的最大行程和最小行程。
3.根据权利要求1所述的一种柔性协作机器人的控制方法，其特征在于：步骤（1）工作速度是指机器人机械臂的最大行程和最小行程所使用的时间。
4.根据权利要求1所述的一种柔性协作机器人的控制方法，其特征在于：步骤（1）工作载荷是指机器人的机械臂能够承受的最大负载量，机器人的手臂质量以及抓取的工件质量，然后确定机器人手臂的力矩和惯性矩。
5.一种柔性协作机器人的控制系统，其特征在于：包括：
中央处理器、机器人、机器人控制器，工件置放体、工件置放体电机、工件置放体电机控制器、区域监控系统和内置力感应系统，
所述中央处理器用于响应用户的指令并发出为完成每条指令所要执行的各个操作的控制信号；
所述机器人控制器分别连接所述中央处理器及所述机器人并接受所述中央处理器的控制信号，以控制所述机器人的伺服电机的转速和位置，来形成所述机器人的运动轨迹并向中央处理器传递机器人的运行状态参数；
所述工件置放体为一旋转台并由所述工件置放体电机驱动；
所述工件置放体电机控制器分别连接所述中央处理器及所述工件置放体电机并接受所述中央处理器的控制信号，以控制所述工件置放体电机的转速和位置并向中央处理器传递所述工件置放体的位置状态参数；
区域监控系统，包括位于操作区域中央的激光距离传感器，所述激光距离传感器与所述中央处理器连接，所述操作区域由内向外标定多个安全域，所述不同安全域对应的机器人的工作速度不同，最内侧的安全域的工作速度最低；
内置力感应系统，包括位于机器人的机械手臂上的柔性机构，所述柔性机构上设置测力传感器，所述测力传感器与中央处理器连接，所述中央处理器与所述机器人控制器连接。
6.根据权利要求5所述的一种柔性协作机器人的控制系统，其特征在于：所述工件置放体上均布地设置若干个工序区域，每个工序区域不大于所述机器人的工作范围；所述机器人以正交于与所述工件置放体上的初始工作区域的中心线的方式设置在所述工件置放体的一旁。
7.根据权利要求5所述的一种柔性协作机器人的控制系统，其特征在于：所述机器人控制器及工件置放体电机控制器均为伺服放大器。
8.根据权利要求5所述的一种柔性协作机器人的控制系统，其特征在于：所述柔性机构设置为多片柔性挡圈，所述柔性挡圈套于机械手臂上。
9.根据权利要求5所述的一种柔性协作机器人的控制系统，其特征在于：所述最内侧的安全域的速度设定为1 .5m/s左右，且机械手臂的力的最大值控制在150N左右。

说明书全文

一种柔性协作机器人的控制方法及控制系统

技术领域

[0001] 本发明属于机器人控制技术领域，具体涉及一种柔性协作机器人的控制方法及控制系统。

背景技术

[0002] 近年来，随着工业自动化程度的逐渐提高，工业机器人的应用领域从汽车、电子电器、机械等行业不断向其他应用领域发展，成为了许多工业场合中不可或缺的一部分。传统的工业机器人控制建立在位置控制的基础上，即控制机器人去跟踪某一预定的轨迹。这样的控制模式方法能够使机器人能够胜任大部分的轨迹跟踪任务，但是对于越来越多的应用场景，尤其是紧公差装配和工件精加工等小范围高精度作业任务，由于工件安装位置等一系列不确定因素，位置控制将很难胜任。因此，现代工业对机器人的应用柔性和响应敏感性提出了更高要求。目前存在的很多方法通过安装外部传感器，例如力传感器或视觉系统来监控机器人与外部环境的接触状态，同时不断修改微小的位置不确定性偏差来实现小范围高精度作业。

[0003] 但是在有些制造领域，由于机器人受到其自身工作范围大小的局限，在需要机器人对作业对象进行全方位的作业时，即所要工作的区域较大而超出了机器人自身的工作范围，因此单个的机器人不能实现全部区域内的工作，通常是采用增加机器人的数量来解决。但这就需要投入大量的资金并占用一定的空间。

发明内容

[0004] 发明目的：本发明针对现有技术中的不足，提出一种柔性协作机器人的控制方法及控制系统，能令机器人可以对大于自身工作范围的作业对象进行作业，还能节约成本及缩小系统占用空间。

[0005] 技术方案：本发明所述的一种柔性协作机器人的控制方法，包括如下步骤：（1）中央处理器通过机器人控制器使机器人位于准备就绪的姿态，并确定机器人的工作空间、工作速度以及工作载荷；
（2）机器人控制器使工件置放体旋转到初始位置，使工件置放体的初始工序区域的中心线与机器人的机座轴线正交；
（3）中央处理器通过机器人控制器使机器人在工件置放体的第一工序区域内作业；
（4）中央处理器判断作业是否全部完成，若没全部完成，则进行下一步骤；
（5）中央处理器通过工件置放体电机控制器控制工件置放体旋转一定的角度，使工件置放体的第二工序区域的中心线与机器人的基座轴线正交；
（6）中央处理器通过机器人控制器使机器人在工件置放体的第二工序区域内进行与初始工序区域内同样的作业，然后回到步骤（4），再进行判断，若判断作业已经全部完成则进行步骤（7）；
（7）结束本次作业。

[0006] 进一步的，步骤（1）确定机器人的工作空间是指确定机器人机械臂的最大行程和最小行程。

[0007] 进一步的，步骤（1）工作速度是指机器人机械臂的最大行程和最小行程所使用的时间。

[0008] 进一步的，步骤（1）工作载荷是指机器人的机械臂能够承受的最大负载量，机器人的手臂质量以及抓取的工件质量，然后确定机器人手臂的力矩和惯性矩。

[0009] 本发明还公开了一种柔性协作机器人的控制系统，包括：中央处理器、机器人、机器人控制器，工件置放体、工件置放体电机、工件置放体电机控制器、区域监控系统和内置力感应系统，
所述中央处理器用于响应用户的指令并发出为完成每条指令所要执行的各个操作的控制信号；
所述机器人控制器分别连接所述中央处理器及所述机器人并接受所述中央处理器的控制信号，以控制所述机器人的伺服电机的转速和位置，来形成所述机器人的运动轨迹并向中央处理器传递机器人的运行状态参数；
所述工件置放体为一旋转台并由所述工件置放体电机驱动；
所述工件置放体电机控制器分别连接所述中央处理器及所述工件置放体电机并接受所述中央处理器的控制信号，以控制所述工件置放体电机的转速和位置并向中央处理器传递所述工件置放体的位置状态参数；
区域监控系统，包括位于操作区域中央的激光距离传感器，所述激光距离传感器与所述中央处理器连接，所述操作区域由内向外标定多个安全域，所述不同安全域对应的机器人的工作速度不同，最内侧的安全域的工作速度最低；
内置力感应系统，包括位于机器人的机械手臂上的柔性机构，所述柔性机构上设置测力传感器，所述测力传感器与中央处理器连接，所述中央处理器与所述机器人控制器连接。

[0010] 进一步的，所述工件置放体上均布地设置若干个工序区域，每个工序区域不大于所述机器人的工作范围；所述机器人以正交于与所述工件置放体上的初始工作区域的中心线的方式设置在所述工件置放体的一旁。

[0011] 进一步的，所述机器人控制器及工件置放体电机控制器均为伺服放大器。

[0012] 进一步的，所述柔性机构设置为多片柔性挡圈，所述柔性挡圈套于机械手臂上。

[0013] 进一步的，所述最内侧的安全域的速度设定为1 .5m/s左右，且机械手臂的力的最大值控制在150N左右。

[0014] 有益效果：本发明采用由中央处理器控制的工件置放体来配合机器人工作。与现有技术的增加机器人来扩展工作区域的方法相比具有以下优势：1）省去了增加机器人带来的巨大成本和空间位置要求；
2）只需要编好一部分作业区域的作业程序，通过工件置放体的旋转使其它作业区域再现在已编好程序的作业区域内，节省了编程所需要的时间和工作量；
3）将工件置放体电机控制器和机器人控制器集成在一起并均连接在中央处理器上，这样中央处理器就可以像控制机器人的旋转轴一样控制工件置放体，使得机器人的位置和工件置放体的旋转可以实现精准的位置协调，使系统的控制操作更加方便。另外，由于将工件置放体电机控制器集成于机器人控制柜内，硬件上不仅结构紧凑，而且不再需要一般伺服电机所必需的昂贵的伺服控制单元，节省了这部分成本。

具体实施方式

[0015] 下面结合具体实施例对本发明作进一步说明：本发明的一种柔性协作机器人的控制系统，包括：
中央处理器、机器人、机器人控制器，工件置放体、工件置放体电机、工件置放体电机控制器、区域监控系统和内置力感应系统，
所述中央处理器用于响应用户的指令并发出为完成每条指令所要执行的各个操作的控制信号；
所述机器人控制器分别连接所述中央处理器及所述机器人并接受所述中央处理器的控制信号，以控制所述机器人的伺服电机的转速和位置，来形成所述机器人的运动轨迹并向中央处理器传递机器人的运行状态参数；
所述工件置放体为一旋转台并由所述工件置放体电机驱动；
所述工件置放体电机控制器分别连接所述中央处理器及所述工件置放体电机并接受所述中央处理器的控制信号，以控制所述工件置放体电机的转速和位置并向中央处理器传递所述工件置放体的位置状态参数。

[0016] 工件置放体的台面上均布地设置若干个工序区域 1、2……n，每个工序区域不大于机器人的工作范围；机器人具有六轴的自由度，机器人以正交于与工件置放体上的初始工作区域的中心线的方式设置在工件置放体的一旁。

[0017] 机器人控制器及工件置放体电机控制器均为伺服放大器。

[0018] 中央处理器、机器人控制器及工件置放体电机控制器集成在一机器人控制柜内。

[0019] 区域监控系统，包括位于操作区域中央的激光距离传感器，所述激光距离传感器与所述中央处理器连接，所述操作区域由内向外标定多个安全域，所述不同安全域对应的机器人的工作速度不同，最内侧的安全域的工作速度最低；内置力感应系统，包括位于机器人的机械手臂上的柔性机构，所述柔性机构上设置测力传感器，所述测力传感器与中央处理器连接，所述中央处理器与所述机器人控制器连接。

[0020] 具体的，由于面积越小，压强越大，柔性机构设置为多片柔性挡圈，所述柔性挡圈套于机械手臂上，使机械手臂在撞击到人类的同时，柔性挡圈发生形变，不至于对人类产生伤害；此外，机器人和所述柔性挡圈的与人接触的区域，表面设置圆滑倒角，避免出现尖锐边缘导致工作过程中误伤到人类。

[0021] 柔性挡圈上的测力传感器，构成力感应系统，在机器人运动过程中，可实时感应手臂是否与人或物体有碰触，一旦跟人接触后，柔性挡圈发生形变，形变反馈到测力传感器，处理器根据内置力传感器传输过来的信号，判断是否有碰触，然后将信号传输到机器人的控制单元中，判断形变的大小，当超过阈值时对机器人停止对应的运动。

[0022] 区域监控系统，包括位于操作区域中央的激光距离传感器，所述激光距离传感器与所述控制单元连接，用于监测人的位置，从而判断系统的运转速度，所述操作区域由内向外标定多个安全域，所述不同安全域对应的机器人的工作速度不同，最内侧的安全域的工作速度最低，从而使人不在时，高速运转提高生产效率，人在的时候慢速运行保障人的安全。

[0023] 具体地，激光距离传感器产生安全光幕，将操作区域由内向外区分为操作域 S1、协作域S2、降速域S3、警示域S4，机械人所在位置标定为操作域S1，人机协作的区域标定为协作域S2，当人进入警示域S4前，机器人保持正常的工作速度，当人进入警示域S4时，机器人引起警戒，激活急停系统和激光距离传感器的安全光幕，当人进入到降速域S3时，机器人的工作速度降低，当人进入到协作域 S2时，机器人的工作速度降低到限定值内。

[0024] 若人进入到协作域S2前，机器人尚无法将速度降到足够低，或人进入到降速域S3 前，机器人系统还没有为降速做好准备，则触发保护停止，由急停系统触发急停。

[0025] 此外，为了防范人进入安全域内而激光距离传感器未动作，或其他的失效，多个所述安全域的地面铺设压敏地毯，所述压敏地毯通过铺设在地面上的地毯中的压力传感器，感知到人的进入，从而激活急停系统，便于检修激光距离传感器的故障，通过双保险的形式保障了人的安全。

[0026] 本发明的柔性机器人系统的原理是：机器人具有六轴的自由度，因此机器人上有六个伺服电机，这些伺服电机的旋转角度决定了机器人的位置和姿态；机器人控制器通过位置、速度和力矩三种方式对这六个伺服电机进行控制，实现高精度的传动系统定位；作业对象放置于工件置放体上；在中央处理器上编好一个工序区域的作业程序，通过工件置放体的旋转使其它作业区域再现在已编好程序的工序区域内。工件置放体电机控制器和机器人控制器均连接在中央处理器上中央处理器就可以像控制机器人的旋转轴一样控制工件置放体，使得机器人的位置和工件置放体的旋转可以实现精准的位置协调，使系统的控制操作更加方便。

[0027] 本发明的一种柔性协作机器人的控制方法，包括如下步骤：（1）中央处理器通过机器人控制器使机器人位于准备就绪的姿态，并确定机器人的工作空间、工作速度以及工作载荷；机器人的工作空间是指机器人手臂所能够达到的空间区域，机器人的工作空间由机器人的自由度决定，机器人自由度越高，则机器人的工作空间越大，在确定机器人工作空间主要有两点，一是机器人手臂的最大行程，二是机器人手臂的最小行程；工作速度：已经确定了机器人手臂的最大行程和机器人手臂的最小行程，然后在使用时间记录仪器记下机器人手臂在完成最大行程和最小行程时所用的时间；定机器人工作载荷，机器人的机械臂能够承受的最大负载量，机器人的手臂质量以及抓取的工件质量，然后确定机器人手臂的力矩和惯性矩。

[0028] （2）机器人控制器使工件置放体旋转到初始位置，使工件置放体的初始工序区域的中心线与机器人的机座轴线正交；（3）中央处理器通过机器人控制器使机器人在工件置放体的第一工序区域内作业；
（4）中央处理器判断作业是否全部完成，若没全部完成，则进行下一步骤；
（5）中央处理器通过工件置放体电机控制器控制工件置放体旋转一定的角度，使工件置放体的第二工序区域的中心线与机器人的基座轴线正交；
（6）中央处理器通过机器人控制器使机器人在工件置放体的第二工序区域内进行与初始工序区域内同样的作业，然后回到步骤（4），再进行判断，若判断作业已经全部完成则进行步骤（7）；
（7）结束本次作业。

[0029] 本发明的柔性机器人系统可以应用在多种制造工艺，也可以采用一个以上的工件置放体来配合机器人作业。

[0030] 以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

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