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一种高性能工业 机器人 控制器

阅读：259发布：2024-01-10

专利汇可以提供一种高性能工业机器人控制器专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明公开了一种高性能工业机器人控制器，包括包括处理器单板、机器视觉单元、示教器、外部IO单元、抓手单元、外部传感器、电机驱动器；处理器单板包括ARM处理器单元、FPGA单元、电源模块、以太网接口 A、以太网接口B、以太网接口C、以太网接口D、IO接口、CAN接口；本发明采用的机器人控制器小型化，不仅降低了成本，同时也能保证控制器的计算能力，具有较强的可扩展性、安全性高；同时机器人控制器方便扩展，同时包含三维机器视觉，能够获取目标的(X,Y,Z)信息,对目标的抓取更加精准，能够适用很多复杂的应用场景；而且机器人运动控制算法均衡分摊在ARM和FPGA中，有效的提高了机器人控制器的计算能力。，下面是一种高性能工业机器人控制器专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种高性能工业机器人控制器，其特征在于，包括处理器单板、机器视觉单元、示教器、外部IO单元、抓手单元、外部传感器、电机驱动器；
其中，处理器单板包括ARM处理器单元、FPGA单元、电源模块、以太网接口A、以太网接口B、以太网接口C、以太网接口D、IO接口、CAN接口；
其中FPGA单元与ARM处理单元之间通过高速链路连接，从ARM端出两路以太网接口、从FPGA处出两路以太网接口；CAN接口和IO接口分别与ARM处理器单元连接，电源模块提供处理器单板的电源；
其中，处理器单板的以太网接口B与示教器连接，以太网接口C与机器视觉单元连接，以太网接口A与电机驱动器连接，电机驱动器通过EtherCAT总线互联，电机驱动器控制电机，以太网接口D连接到局域以太网，IO接口与外部IO单元连接，CAN接口与抓手单元连接，外部传感器为连接在处理器单板外部的安全防护传感器。
2.根据权利要求1所述的一种高性能工业机器人控制器，其特征在于，所述示教器用于对机器人进行示教，并获取机器人关键位置信息，通过示教器对机器人现场编程，设置机器人的运动过程；
关键位置信息为机器人工作原点和物料放置点。
3.根据权利要求1所述的一种高性能工业机器人控制器，其特征在于，所述机器视觉单元用于获取目标的坐标信息，机器视觉单元为三维相机；机器视觉单元在获取目标的平面信息的同时获取目标的深度信息，通过深度信息获取目标距离机器人的高度Z，然后对平面信息进行图像分割，获取目标的(X,Y)坐标，从而得到目标的坐标信息(X,Y,Z)对获取的目标的坐标信息(X,Y,Z)是基于三维相机的坐标系，机器视觉单元将获取的坐标信息(X,Y,Z)通过以太网接口B传输给处理器单板，在处理器单板内部将目标的(X,Y,Z)信息从相机坐标系转换到机器人坐标系，得到机器坐标信息；
机器人控制器在获取的目标的机器坐标信息后，在FPGA中完成机器人各轴角度正逆解求解和运动轨迹规划插值，即为机械臂运动学计算逆解的过程，得到插值数据；具体步骤为：
步一：建立D-H参数，由此参数建立坐标系i在坐标系i-1的齐次变换矩阵；
步二：再把DH参数代入即获得所有相邻坐标系的变换矩阵；
步三：将得到的相邻坐标系变换矩阵依次相乘，得到的结果就是抓手在极坐标系中的空间描述方程；
步四：根据机器视觉单元得到的目标位置坐标，自动获取到机器人所有关节的运动变量，得到的机器人所有关节的各个轴运动数据，将其标记为插值数据；
FPGA将得到机器人所有关节的插值数据通过FPGA与ARM之间的高速接口传输给ARM处理器；其中，FPGA发给ARM的是抓手在极坐标系中的空间描述方程中根据三维相机获取的坐标位置求解得到的各个关节轴运动变量；
ARM处理器通过获取的插值数据控制电机驱动器，从而驱动电机的转动；ARM处理器与电机驱动器之间通过以太网接口A互联；
电机驱动机器人手臂运动到机器视觉单元给出的目标位置时，机器人控制处理器通过CAN接口控制外部机器抓手对目标进行抓取。
4.根据权利要求1所述的一种高性能工业机器人控制器，其特征在于，所述机器视觉单元还用于检测机器人运行异常，具体检测方法为：
步骤一：首先获取到机器人的托盘上的货物情况；当检测到目标上没有货物时，则判断此过程异常，产生异常信号；目标上没有货物借助机器人起始位置到货物的高度来判断；
步骤二：当机器视觉单元找不到货物合适的抓取位置时同样产生异常信号；找不到货物合适的抓取位置判定方式如下：
S1：当机器视觉单元无法对货物目标进行正确分割，机器视觉单元判定找不到货物合适的抓取位置；
步骤三：在产生异常信号时，停止运行机器人；
所述机器视觉单元还用于在产生异常信号时向处理器单板传输异常信号，所述处理器单板接收机器视觉单元传输的异常信号并通过IO接口给出告警信息。
5.根据权利要求1所述的一种高性能工业机器人控制器，其特征在于，所述安全传感器为设置在机器人四周工作指定区域的光电传感器，所述安全传感器用于在检测到有人或物体闯入机器人运行的安全区域时，产生闯入信号；具体检测到有人或物体闯入机器人运行的安全区域的方法为：
在机器人四周工作区域会设置光电传感器，当有人或物体突破光电传感器时，即判断有人或物体突破安全区域，闯入机器人工作区域；产生闯入信号；
所述安全传感器通过外部IO接口将闯入信息发给处理器单板，控制机器人立刻停止运动。
6.根据权利要求1所述的一种高性能工业机器人控制器，其特征在于，所述处理器单板通过外部IO接口给出机器人运行状态指示；
处理器单板通过网口D连接到局域以太网，通过局域以太网对机器人运行状态进行远程监控，并实时监控多台机器人；同时能够对机器人软件进行在线升级。

说明书全文

一种高性能工业机器人 控制器

技术领域

[0001] 本发明属于工业机器人控制领域，涉及机器人控制技术，具体是一种高性能工业机器人控制器。

背景技术

[0002] 控制器作为工业机器人的重要核心部件之一，决定着机器人控制性能的优劣。工业应用高性能运动控制器，实现对工业机器人的位置、速度、加速度等运动控制功能，对于连续轨迹运动的工业机器人具有轨迹规划与控制功能，具有对外部环境包括作业条件的检测和感知功能，具有简便快捷的人机交互、示教与编程功能，工业以太网提供丰富灵活的外部设备控制通信接口，能够满足工业机器人的高动态响应，高精度的使用需求。

[0003] 现有的工业机器人控制系统大多采用基于X86平台的控制器，具有计算能力强，性能稳定的优点，存在的缺点在于系统的可扩展性不强，难以适配工业机器人差异化的应用场景，价格较高。另外存在一种基于ARM的嵌入式平台控制器，虽然可以达到较高的精度，但是处理器的计算能力较差，对于一部分应用场景难以满足机器人的实时性的要求。

[0004] 为了解决上述缺陷，现提供一种解决方案。

发明内容

[0005] 本发明的目的在于提供一种高性能工业机器人控制器。

[0006] 本发明的目的可以通过以下技术方案实现：

[0007] 一种高性能工业机器人控制器，包括处理器单板、机器视觉单元、示教器、外部IO单元、抓手单元、外部传感器、电机驱动器；

[0008] 其中，处理器单板包括ARM处理器单元、FPGA单元、电源模块、以太网接口A、以太网接口B、以太网接口C、以太网接口D、IO接口、CAN接口；

[0009] 其中FPGA单元与ARM处理单元之间通过高速链路连接，从ARM端出两路以太网接口、从FPGA处出两路以太网接口；CAN接口和IO接口分别与ARM处理器单元连接，电源模块提供处理器单板的电源；

[0010] 其中，处理器单板的以太网接口B与示教器连接，以太网接口C与机器视觉单元连接，以太网接口A与电机驱动器连接，电机驱动器通过EtherCAT总线互联，电机驱动器控制电机，以太网接口D连接到局域以太网，IO接口与外部IO单元连接，CAN接口与抓手单元连接，外部传感器为连接在处理器单板外部的安全防护传感器。

[0011] 进一步地，所述示教器用于对机器人进行示教，并获取机器人关键位置信息，通过示教器对机器人现场编程，设置机器人的运动过程；

[0012] 关键位置信息为机器人工作原点和物料放置点。

[0013] 进一步地，所述机器视觉单元用于获取目标的坐标信息，机器视觉单元为三维相机；机器视觉单元在获取目标的平面信息的同时获取目标的深度信息，通过深度信息获取目标距离机器人的高度Z，然后对平面信息进行图像分割，获取目标的(X,Y)坐标，从而得到目标的坐标信息(X,Y,Z)

[0014] 对获取的目标的坐标信息(X,Y,Z)是基于三维相机的坐标系，机器视觉单元将获取的坐标信息(X,Y,Z)通过以太网接口B传输给处理器单板，在处理器单板内部将目标的(X,Y,Z)信息从相机坐标系转换到机器人坐标系，得到机器坐标信息；

[0015] 机器人控制器在获取的目标的机器坐标信息后，在FPGA中完成机器人各轴角度正逆解求解和运动轨迹规划插值，即为机械臂运动学计算逆解的过程，得到插值数据；具体步骤为：

[0016] 步一：建立D-H参数，由此参数建立坐标系i在坐标系i-1的齐次变换矩阵；

[0017] 步二：再把DH参数代入即获得所有相邻坐标系的变换矩阵；

[0018] 步三：将得到的相邻坐标系变换矩阵依次相乘，得到的结果就是抓手在极坐标系中的空间描述方程；

[0019] 步四：根据机器视觉单元得到的目标位置坐标，自动获取到机器人所有关节的运动变量，得到的机器人所有关节的各个轴运动数据，将其标记为插值数据；

[0020] FPGA将得到机器人所有关节的插值数据通过FPGA与ARM之间的高速接口传输给ARM处理器；其中，FPGA发给ARM的是抓手在极坐标系中的空间描述方程中根据三维相机获取的坐标位置求解得到的各个关节轴运动变量；

[0021] ARM处理器通过获取的插值数据控制电机驱动器，从而驱动电机的转动；ARM处理器与电机驱动器之间通过以太网接口A互联；

[0022] 电机驱动机器人手臂运动到机器视觉单元给出的目标位置时，机器人控制处理器通过CAN接口控制外部机器抓手对目标进行抓取。

[0023] 进一步地，所述机器视觉单元还用于检测机器人运行异常，具体检测方法为：

[0024] 步骤一：首先获取到机器人的托盘上的货物情况；当检测到目标上没有货物时，则判断此过程异常，产生异常信号；目标上没有货物借助机器人起始位置到货物的高度来判断；

[0025] 步骤二：当机器视觉单元找不到货物合适的抓取位置时同样产生异常信号；找不到货物合适的抓取位置判定方式如下：

[0026] S1：当机器视觉单元无法对货物目标进行正确分割，机器视觉单元判定找不到货物合适的抓取位置；

[0027] 步骤三：在产生异常信号时，停止运行机器人；

[0028] 所述机器视觉单元还用于在产生异常信号时向处理器单板传输异常信号，所述处理器单板接收机器视觉单元传输的异常信号并通过IO接口给出告警信息。

[0029] 进一步地，所述安全传感器为设置在机器人四周工作指定区域的光电传感器，所述安全传感器用于在检测到有人或物体闯入机器人运行的安全区域时，产生闯入信号；具体检测到有人或物体闯入机器人运行的安全区域的方法为：

[0030] 在机器人四周工作区域会设置光电传感器，当有人或物体突破光电传感器时，即判断有人或物体突破安全区域，闯入机器人工作区域；产生闯入信号；

[0031] 所述安全传感器通过外部IO接口将闯入信息发给处理器单板，控制机器人立刻停止运动。

[0032] 进一步地，所述处理器单板通过外部IO接口给出机器人运行状态指示；

[0033] 处理器单板通过网口D连接到局域以太网，通过局域以太网对机器人运行状态进行远程监控，并实时监控多台机器人；同时能够对机器人软件进行在线升级。

[0034] 本发明的有益效果：

[0035] 本发明采用的机器人控制器小型化，不仅降低了成本，同时也能保证控制器的计算能力，具有较强的可扩展性、安全性高；

[0036] 同时机器人控制器方便扩展，同时包含三维机器视觉，能够获取目标的(X,Y,Z)信息,对目标的抓取更加精准，能够适用很多复杂的应用场景；

[0037] 而且机器人运动控制算法均衡分摊在ARM和FPGA中，有效的提高了机器人控制器的计算能力；机器人抓手通过CAN总线扩展，对机器手臂的扩展更加灵活；本发明简单有效，且易于实用。附图说明

[0038] 为了便于本领域技术人员理解，下面结合附图对本发明作进一步的说明。

[0039] 图1为本发明的系统框图；

[0040] 图2为本发明处理器单板内部结构图。

具体实施方式

[0041] 如图1所示，一种高性能工业机器人控制器，包括处理器单板、机器视觉单元、示教器、外部IO单元、抓手单元、外部传感器、电机驱动器；

[0042] 其中，如图2所示，处理器单板包括ARM处理器单元、FPGA单元、电源模块、以太网接口A、以太网接口B、以太网接口C、以太网接口D、IO接口、CAN接口；

[0043] 其中FPGA单元与ARM处理单元之间通过高速链路连接，从ARM端出两路以太网接口、从FPGA处出两路以太网接口；CAN接口和IO接口分别与ARM处理器单元连接，电源模块提供处理器单板的电源；

[0044] 其中，处理器单板的以太网接口B与示教器连接，以太网接口C与机器视觉单元连接，以太网接口A与电机驱动器连接，电机驱动器通过EtherCAT总线互联，电机驱动器控制电机，以太网接口D连接到局域以太网，IO接口与外部IO单元连接，CAN接口与抓手单元连接，外部传感器为连接在处理器单板外部的安全防护传感器；

[0045] 其中，示教器用于对机器人进行示教，并获取机器人关键位置信息，通过示教器对机器人现场编程，设置机器人的运动过程；关键位置信息为机器人工作原点和物料放置点。

[0046] 所述机器视觉单元用于获取目标的坐标信息，机器视觉单元为三维相机；机器视觉单元在获取目标的平面信息的同时获取目标的深度信息，通过深度信息可以获取目标距离机器人的高度Z，然后对平面信息进行图像分割，获取目标的(X,Y)坐标，从而得到目标的坐标信息(X,Y,Z)

[0047] 对获取的目标的坐标信息(X,Y,Z)是基于三维相机的坐标系，机器视觉单元将获取的坐标信息(X,Y,Z)通过以太网接口B传输给处理器单板，在处理器单板内部将目标的(X,Y,Z)信息从相机坐标系转换到机器人坐标系，得到机器坐标信息；

[0048] 机器人控制器在获取的目标的机器坐标信息后，在FPGA中完成机器人各轴角度正逆解求解和运动轨迹规划插值，即为机械臂运动学计算逆解的过程，得到插值数据；具体步骤为：

[0049] 步一：建立D-H参数，由此参数建立坐标系i在坐标系i-1的齐次变换矩阵；

[0050] 步二：再把DH参数代入就可以得到所有相邻坐标系的变换矩阵；

[0051] 步三：将得到的相邻坐标系变换矩阵依次相乘得到的结果就是抓手在极坐标系中的空间描述方程；

[0052] 步四：根据机器视觉单元得到的目标位置坐标，计算机器人所有关节的运动变量，得到的机器人所有关节的各个轴运动数据，将其标记为插值数据。此处为机器人运动控制常见的方法，故此处不做详细赘述；

[0053] FPGA将计算得到机器人所有关节的插值数据通过FPGA与ARM之间的高速接口传输给ARM处理器；其中，FPGA发给ARM的是抓手在极坐标系中的空间描述方程中根据三维相机获取的坐标位置求解得到的各个关节轴运动变量。

[0054] ARM处理器通过获取的插值数据控制电机驱动器，从而驱动电机的转动；ARM处理器与电机驱动器之间通过以太网接口A互联；

[0055] 电机驱动机器人手臂运动到机器视觉单元给出的目标位置时，机器人控制处理器通过CAN接口控制外部机器抓手对目标进行抓取。

[0056] 所述机器视觉单元还用于检测机器人运行异常，具体检测方法为：

[0057] 步骤一：首先获取到机器人的托盘上的货物情况；当检测到目标上没有货物时，则判断此过程异常，产生异常信号；目标上没有货物借助机器人起始位置到货物的高度来判断；

[0058] 步骤二：当机器视觉单元找不到货物合适的抓取位置时也产生异常信号；找不到货物合适的抓取位置判定方式如下：

[0059] S1：当机器视觉单元无法对货物目标进行正确分割，机器视觉单元判定找不到货物合适的抓取位置；

[0060] 步骤三：在产生异常信号时，停止运行机器人；

[0061] 所述机器视觉单元还用于在产生异常信号时向处理器单板传输异常信号，所述处理器单板接收机器视觉单元传输的异常信号并通过IO接口给出告警信息；

[0062] 处理器单板通过外部IO接口给出机器人运行状态指示；

[0063] 所述安全传感器为设置在机器人四周工作指定区域的光电传感器，所述安全传感器用于在检测到有人或者物体闯入机器人运行的安全区域时，产生闯入信号；具体检测到有人或者物体闯入机器人运行的安全区域的方法为：

[0064] 在机器人四周工作区域会设置光电传感器，当有人或者物体突破光电传感器时，即判断有人或者物体突破安全区域，闯入机器人工作区域；产生闯入信号；

[0065] 所述安全传感器通过外部IO接口将闯入信息发给处理器单板，控制机器人立刻停止运动；保护闯入的人员安全。

[0066] 处理器单板通过网口D连接到局域以太网，通过局域以太网可以对机器人运行状态进行远程监控，并可以随时可以监控多台机器人。同时能够对机器人软件进行在线升级。

[0067] 本发明采用的机器人控制器小型化，不仅降低了成本，同时也能保证控制器的计算能力，具有较强的可扩展性、安全性高；

[0068] 同时机器人控制器方便扩展，同时包含三维机器视觉，能够获取目标的(X,Y,Z)信息,对目标的抓取更加精准，能够适用很多复杂的应用场景；

[0069] 而且机器人运动控制算法均衡分摊在ARM和FPGA中，有效的提高了机器人控制器的计算能力；机器人抓手通过CAN总线扩展，对机器手臂的扩展更加灵活；本发明简单有效，且易于实用。

[0070] 以上内容仅仅是对本发明结构所作的举例和说明，所属本技术领域的技术人员对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离发明的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。

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