[發(fā)明專利]一種用于協(xié)作機器人的驅控一體化控制系統(tǒng)及其制備方法

有效

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• 申請日: 2017-05-16
• 公開（公告）號: CN107160390B
• 公開（公告）日: 2020-05-19
• 發(fā)明（設計）人: 李慶鑫;張濤;張華良;曾鵬;于海斌
• 申請（專利權）人: 中國科學院沈陽自動化研究所
• 主分類號: B25J9/16
• 分類號: B25J9/16;G06F30/20
• 代理公司: 沈陽科苑專利商標代理有限公司 21002
• 代理人: 許宗富

本發(fā)明公開了一種用于協(xié)作機器人的驅控一體化控制系統(tǒng)，包括電機驅動模塊和多核實時控制器，并通過反射內存機制實現(xiàn)電機狀態(tài)參數(shù)和控制參數(shù)的實時交互。所述控制系統(tǒng)，進一步包括：上位機；所述多核實時控制器為X86實時控制器；所述電機驅動模塊為一個或多個與被控電機相連的FPGA驅控模塊。本發(fā)明針對市場對協(xié)作機器人合作性、共存性、安全性的控制需求，提供一種支持以反射內存共享實現(xiàn)多電機驅控一體化系統(tǒng)的技術方案，為協(xié)作機器人速度前饋、加速度前饋、柔順控制等新的控制算法提供實現(xiàn)平臺。

技術領域

本發(fā)明涉及計算機智能制造控制技術領域，特別涉及一種用于協(xié)作機器人的驅控一體化控制系統(tǒng)。

背景技術

協(xié)作機器人，是一種可以在一定區(qū)域內安全的與人類進行直接交互的機器人。一般來說，協(xié)作機器人的操作相對較為簡單，是工業(yè)機器人的一個分系，在價格上也比傳統(tǒng)工業(yè)機器人便宜很多。

與傳統(tǒng)工業(yè)機器人不同，協(xié)作機器人在體型上就跟它不在一個檔次。為了達到“協(xié)作”的目的，機器人與人類之間的工作距離就不能太遠，因而，協(xié)作機器人尺寸都是偏小的，甚至可以直接放置在正常工作臺。

此外，作為協(xié)作人類而存在，靈活性是必不可缺的。以庫卡的協(xié)作機器人LBRiiwa為例，它一共擁有7個關節(jié)扭矩傳感器，這使得它的“獨臂”能夠360度靈活轉動，特別適用于柔性、靈活度和精準度要求較高的行業(yè)。

以中國為例，企業(yè)版圖中共擁有超過5000萬家企業(yè)，其中中小企業(yè)就占了99％，而低成本自動化向來都是中小企業(yè)夢寐以求的生產(chǎn)模式。

傳統(tǒng)工業(yè)機器人的價格一般位于10萬～40萬人民幣之間，使用壽命為5～8年，而要將其應用到自家生產(chǎn)線，那將要多出2～3倍的部署花費，這個支出對于利潤微薄的中小企業(yè)而言是承受不起的；而協(xié)作機器人的價格一般介于2～3萬美元，但因為省去了部署的過程，從而就比傳統(tǒng)工業(yè)機器人少去了那個“大頭”的支出。由此基于成本的比較，協(xié)作機器人顯然更適合中小企業(yè)，其需求也就隨之上升。

對于一些講究細致的工作，其準確性與靈活性在很大程度上能夠滿足工作的需求，而它緩慢的速度也為人類提供了一些安全保障。像3C產(chǎn)品的裝配，一邊是協(xié)作機器人準確地零件放置，一邊是人類的快速組裝，兩處相得益彰，大大提高了生產(chǎn)線的效率。

據(jù)國際機器人聯(lián)合會(IFR)統(tǒng)計，2015年全球工業(yè)機器人銷量超過24 萬臺，同比增長8％。2006-2015年，全球工業(yè)機器人銷量年均增速約為 14％。2015年我國工業(yè)機器人市場規(guī)模繼續(xù)保持世界第一，達到6.6萬臺，約占全球銷量的1/4，同比增長16％，保有量增長至25.6萬臺。

在傳統(tǒng)的工業(yè)機器人逐漸取代單調、重復性高、危險性強的工作之時，協(xié)作機器人也將會慢慢滲入各個工業(yè)領域，與人共同工作。ABB在2014 年推出了其首款協(xié)作機器人YuMi，目標市場為消費電子行業(yè)。同年，庫卡發(fā)布了他們的協(xié)作機器人LBR iiwa，安川Motoman也發(fā)布了他們的協(xié)作機器人產(chǎn)品Dexter Bot。相對于傳統(tǒng)的剛性機器人，具備高安全、精密質輕的協(xié)作性機器人成為未來機器人發(fā)展的重要方向。

目前工業(yè)機器人大多仍采用一個運動控制器加多個伺服驅動器的分布式控制方式，在實際應用中存在系統(tǒng)硬件冗余度高、信號傳輸易受干擾、及價格昂貴等問題。同時，分布式架構的設計，導致信號在傳輸速率上存在瓶頸，限制工業(yè)機器人的實時性和快速性，而協(xié)作機器人需要在短時間內判斷是否與人接觸并即時做出響應。同時，速度前饋、加速度前饋、柔順控制等新的控制算法由于控制器與驅動器的分離而只能停留在仿真階段。

因此，針對協(xié)作機器人合作性、共存性、安全性的控制需求，研究用于協(xié)作機器人的驅控一體化控制平臺，開發(fā)集驅動、感知、控制于一體的模塊化控制單元，結合多核架構的實時操作系統(tǒng)，基于反射內存技術實現(xiàn)電機驅動數(shù)據(jù)的高速共享，形成用于協(xié)作機器人的驅控一體化控制器具有重大的意義。

發(fā)明內容