專利名稱：配備有控制系統(tǒng)的多軸機器人的制作方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及配備有控制系統(tǒng)的多軸機器人。
背景技術(shù)：
已知，通過將由計算與處理單元產(chǎn)生的控制信號提供給多軸機器人的電動機從而對該多軸機器人進行控制，所述計算與處理單元確定了機器人的路徑。從例如US-A-4,786,847得知，為了使路徑計算有效，可以使得上述單元工作于閉環(huán)模式，并利用來自于機器人機械臂上攜帶的位置傳感器的反饋信號。在已知的機器人中，在所述機械臂及其控制單元之間必須安裝大量的電纜，這會導致長連接和布線次數(shù)以及不容忽視的誤差風險，而導致復雜且昂貴的調(diào)試操作。
從EP-A-0 777 167可以得知，可以使用光纖總線將數(shù)字控制器連接到放大器，每一個放大器都通過常規(guī)線路連接到編碼器。這些在放大器和編碼器之間的連接使得安裝這些設備的工作時間長且復雜。
另外，JP-A-10 178 437提供了通過總線連接到外部計算機的編碼器，其獨立于裝置的電源部分。
正是為了彌補以上缺陷，本發(fā)明為配備有控制系統(tǒng)的機器人提出了一種新的結(jié)構(gòu)，其一方面簡化了所述控制器的制造，另一方面簡化了該機器人在其使用地的安裝。本發(fā)明還致力于改善控制和反饋信號的傳輸質(zhì)量和速度。

發(fā)明內(nèi)容
本著這種精神，本發(fā)明涉及一種多軸機器人，其包括用于在空間移動工具并由電動機驅(qū)動的機械臂，以及控制系統(tǒng)，該控制系統(tǒng)包括
控制器，其包括至少一個用于為電動機提供能量的電源模塊，以及至少一個計算與處理單元，該單元特別用于計算所述機械臂的路徑并產(chǎn)生上述模塊的控制信號。
在所述機械臂、所述電源模塊和所述單元之間的連接裝置，該連接裝置至少被用于從所述電源模塊為電動機供電，且通過所述計算與處理單元控制所述電源模塊，以及將來自所述機械臂的反饋信號傳送到所述計算與處理單元和/或所述電源模塊。
本系統(tǒng)的特征在于所述連接裝置包含了單獨的功能總線(singlefunctional bus)，該總線一方面將與所述計算與處理單元相關(guān)聯(lián)的控制單元與所述電源模塊連接，另一方面，將該控制單元連接到至少一個數(shù)字接口，該數(shù)字接口具有至少一個位于所述機械臂上的位置傳感器，且該接口被并入所述機械臂中或位于緊鄰機械臂處。
使用本發(fā)明，關(guān)于所述機器人的移動部件的位置和速度的反饋信息，以及關(guān)于由各電動機消耗的電流的信息可在總線頻率下用于所述計算與處理單元。另外，在所述總線上以數(shù)字形式傳送的數(shù)字信號，與模擬信號不同，相比而言，不易受環(huán)境噪聲的干擾。通過閉環(huán)的集中處理可以得到路徑控制的最優(yōu)化。所述接口的用途包括對來自數(shù)字傳感器的信息進行串行化，或者對來自模擬傳感器的信息進行數(shù)字化和串行化，然后將信息傳送至串行總線。本發(fā)明保持了在功能上集中了路徑產(chǎn)生和閉環(huán)控制的系統(tǒng)的優(yōu)點。離傳感器或編碼器盡可能近的接口也可以計算移動部件的速度和/或加速度，其所在頻率是總線頻率的倍數(shù)，以減少位置、速度和/或加速度信息之間的延時，從而提供更好的閉環(huán)控制。使用功能總線最小化了裝備中的電纜數(shù)量，尤其是機械臂內(nèi)部的電纜數(shù)量，因此提供了更好的連接電纜布線，放寬了機械臂元件的尺寸限制，由于總線的最小彎曲半徑相對較小，更易實現(xiàn)包含在機械臂內(nèi)部中的元件，并且更易獲得機械臂的靈活性。根據(jù)本發(fā)明的機器人對于設計和制造都更為經(jīng)濟，且算法也使其比現(xiàn)有技術(shù)的機器人更快、更準確。
根據(jù)本發(fā)明的特別優(yōu)點，所述單獨的功能總線被分成至少兩條結(jié)構(gòu)總線，其中第一結(jié)構(gòu)總線將所述控制單元連接至所述電源模塊，第二或第二及其后的總線將所述控制單元連接到一個或多個接口。具有至少兩條單獨的結(jié)構(gòu)總線意味著每一條結(jié)構(gòu)總線都能適應其所安裝的位置所述第一總線可以是金屬的，特別是銅制的，而其它的總線可以是，例如，由光纖制成的，這種類型的總線特別不易受環(huán)境電磁噪聲的干擾而且在維持高速度時能夠更長。使用數(shù)條結(jié)構(gòu)總線可以回避當需要添加更多元件或每個元件需處理的信息更多時因其帶寬限制所導致的問題。
優(yōu)勢之處還在于，所述控制單元被用PCI(外設部件接口)型總線連接到所述計算與處理單元。作為一種變化，所述控制單元也可以被并入所述計算與處理單元。
在所述機械臂上或緊鄰該機械臂的位置可以包括識別與校準卡，此卡被并入所述總線。這樣就可以容易地將專用于機器人的參數(shù)下載到所述計算與處理單元。這種連接于是被稱為“即插即用”。
所述或每一條結(jié)構(gòu)總線可以被設計為由附加連接裝置擴展到至少一個外部單元，例如第七軸，特別是傳送軸，或者任何用于處理信息的單元，例如安全裝置。
此外，獨立于所述結(jié)構(gòu)總線，所述連接裝置還包括將上述模塊連接至所述機器人的電源線。
所述第一結(jié)構(gòu)總線優(yōu)選地直接或間接地與電源模塊相連，該模塊的每一個都貢獻于所述機器人的電動機。這也可以使得上述接口能夠成為接口卡，該接口卡用于計算由所述或每一個相關(guān)傳感器測量到的運動的速度和/或加速度，對其輸出信號進行串行化，并且，值得注意的是，當傳感器的輸出信號是模擬信號時，首先要對其進行數(shù)字化。作為一種變化，所述相關(guān)接口被并入相關(guān)傳感器，并具有上述相同的功能。
具體實施例方式
通過以下對根據(jù)發(fā)明的多軸機器人及其控制系統(tǒng)的實施例的描述，可以使人更好地理解本發(fā)明，并對其它優(yōu)點有更清晰的了解，該實施例僅僅通過參照附圖
舉例給出，其中的簡單圖形是相關(guān)控制系統(tǒng)及多軸機器人的理論概略表示。
圖中所示的機器人R的機械臂A沿著方向X-X′所示的傳送路徑設置。該機械臂配備了六個電動機，每一個電動機關(guān)于機械臂的六個軸中的一個來移動機械臂的移動部件，以將工具O移到指定位置。這些電動機在圖中以機械化裝置10來表示。實際上，它們是分布在機械臂A中的。機器人R中分布有六個模擬位置傳感器或編碼器12，用于測量所述機械臂關(guān)于其六個軸中每一個的移動。
三個接口卡14安裝在機械臂A上，并且每一個與兩個傳感器12相聯(lián)系。每一個卡14用于對從傳感器或編碼器12輸出的模擬信號進行數(shù)字化和串行化。每一個卡14還用于計算按時產(chǎn)生的信號的第一偏移和/或第二偏移，該信號用于確定機器人R的相關(guān)移動部件的速度和/或相應加速度。因為卡14位于傳感器或編碼器12附近，可用大約20kHz的高頻率進行偏移的計算，而信息幀以10kHz傳輸。
實際上，根據(jù)結(jié)構(gòu)的選擇，卡14可以被并入傳感器12，為兩個傳感器所共用，并且分布于機械臂A中，如前所述，也可以安裝在機械臂A的底部?？梢杂脝为毜目ù娓鱾€上述卡14。
機器人R還包括控制機械臂A的控制器C，該控制器包括外殼20，其罩住了六個電源模塊22，該電源模塊經(jīng)由電纜24接收供電。每一個模塊22貢獻于機械臂A的一個電動機，利用十八根導線通過第一連接電纜52將這六個模塊22連接到機械臂A。實際上，組件10的電動機是三相電動機，并且每一個模塊22均通過三根導線連接到相應的電動機。
計算與處理單元26，通常稱為“CPU”，也安裝在外殼20內(nèi)部，并且通過PCI總線28連接到控制卡30，該控制卡30配備了接口32。
作為變化，所述卡30可以被并入卡26中。
外部便攜式計算機60可以通過以太網(wǎng)連接62連接至單元26，用于其編程和/或顯示其操作參數(shù)。
單元26用于計算所述機器人R的路徑，并產(chǎn)生每一個模塊22的控制信號，這些模塊依次控制組件10的電動機?？紤]到機械臂A的實際行為，為了控制這些模塊22，由元件26到30組成的組合件，通過單獨的功能總線B一方面連接到三個卡34，其中每一個卡34控制兩個模塊22，另一方面連接到三塊接口卡14。
總線B分為兩根結(jié)構(gòu)總線B1和B2。
包含于外殼20內(nèi)的銅制總線B1，用于將來自模塊22的控制信號傳送到卡34，并且用這種方式控制組件10的電動機。信息也經(jīng)由總線B1從卡34到卡30進行流動。
第二結(jié)構(gòu)總線B2由光纖形成，并包括在接口32和識別與校準卡16之間的連接電纜54，該卡16安裝在機械臂A的底部附近，以串聯(lián)的方式通過第二總線B2連接至每一個卡14。
總線B2由光纖制成，這樣可以免于受到由組件10的電動機或編碼器12的工作時造成的電磁干擾的影響。
對于單元26而言，兩根結(jié)構(gòu)總線B1和B2形成單獨的功能總線B，利用該總線經(jīng)由卡30發(fā)送或接收控制信號。
使用結(jié)構(gòu)總線B1和B2，使得至控制卡30的信息傳輸特別快，實際上，以小于100微秒的重復間隔完成。所述信息還經(jīng)由PCI總線28在元件26和30之間快速傳遞。
如圖中虛線所示，結(jié)構(gòu)總線B2可以開放以合并附加連接裝置B′2，利用電源模塊22′、兩個傳感器12′以及接口卡14′來控制外部軸，例如傳送軸。
類似的，連接裝置B′1可用于將總線B1連接到與傳感器12″相關(guān)聯(lián)的接口卡14″，例如在安全裝置內(nèi)部。
這樣，本發(fā)明使控制系統(tǒng)具有高度的靈活性，并能適應其工作環(huán)境。特別地，在需要添加外部軸的控制的時候，沒有必要增加在控制器C和機械臂A之間連接的電纜。
機器人R及其控制系統(tǒng)的安裝特別容易，因為通過在接口32和卡16之間連接總線B2，儲存在卡16上的信息就可以使得控制器C能夠?qū)C器人R進行識別。
本發(fā)明顯著地降低了機器人控制系統(tǒng)的設計、生產(chǎn)和布線成本，而且對于信息的收集，特別是對關(guān)于所述機器人移動部件的位置、速度和加速度的信息的收集，與采用具有并行總線的集中式構(gòu)造的系統(tǒng)的最強大的設備相比，在速度上同樣快，并且具有更高的精確度。
本發(fā)明也可以用兩條結(jié)構(gòu)總線B1和B2形成功能總線。然而，相反地，可以配備單獨的總線或者多于兩條結(jié)構(gòu)總線。
此發(fā)明不僅僅限于配備了模擬位置傳感器的機器人。它還可以用數(shù)字傳感器實現(xiàn)，在這種情況下，由所述例子中描述的卡14所提供的接口可以被并入每一個傳感器中。
識別與校準卡16可以配備于控制器C中，而不是在機械臂A上，在這種情況下，元件A和C可以被配對，因為卡16使得單元26“識別”機械臂A。
權(quán)利要求
1.一種多軸機器人，包括機械臂(A)，該機械臂(A)用于在空間移動工具(O)并由電動機(10)驅(qū)動，以及控制系統(tǒng)，該控制系統(tǒng)包括控制器(C)，包括至少一個電源模塊(22)和至少一個計算與處理單元(26)，其中所述電源模塊(22)為所述電動機(10)供電，所述計算與處理單元(26)特別用于計算所述機械臂(A)的路徑并產(chǎn)生所述模塊的控制信號，連接裝置(52，B)，在所述機械臂、所述電源模塊和所述單元之間，至少用于從所述模塊向所述電動機供電、通過所述單元控制所述模塊并且將來自所述機械臂的反饋信號傳輸?shù)剿鰡卧?或所述電源模塊，其特征在于，所述連接裝置(52，B)包括了單獨的功能總線(B)，該總線(B)將與所述計算與處理單元(26)相關(guān)的控制單元(30)一方面連接到所述模塊(22)，另一方面連接到至少一個數(shù)字接口(14)，該數(shù)字接口(14)具有至少一個在所述機械臂(A)上的位置傳感器(12)，且所述接口被并入到所述機械臂中或者與之緊鄰。
2.權(quán)利要求1中的機器人，其特征在于，所述單獨的功能總線(B)被分成至少兩條結(jié)構(gòu)總線(B1，B2)，其中第一條將所述控制單元(30)連接到所述模塊(22)，第二條(B2)或其后的總線將所述控制單元(30)連接到所述接口(14)。
3.權(quán)利要求2中機器人，其特征在于，所述第一結(jié)構(gòu)總線為金屬總線(B1)，特別地可以由銅制成。
4.權(quán)利要求2或3之一中的機器人，其特征在于，所述第二結(jié)構(gòu)總線或所述其它總線之一為光纖總線(B2)。
5.前述權(quán)利要求之一中的機器人，其特征在于，所述控制單元(30)通過PCI型總線(28)連接到所述計算與處理單元(26)。
6.權(quán)利要求1至4之一中的機器人，其特征在于，所述控制單元(30)被并入所述計算與處理單元(26)。
7.前述權(quán)利要求之一中的機器人，其特征在于，其包括含于所述機械臂(A)上或與之緊鄰的識別與校準卡(16)，該卡被并入所述功能總線(B)。
8.前述權(quán)利要求之一中的機器人，其特征在于，所述或每一條結(jié)構(gòu)總線(B1，B2)被設計成可以通過附加連接裝置(B′1，B′2)進行擴展，以能夠與至少一個用于處理信息的外部單元(12′，12″，14′，14″，22′)進行交互。
9.前述權(quán)利要求之一中的機器人，其特征在于，獨立于所述功能總線(B)，所述連接裝置還包括電源導線(52)，該導線將所述模塊(22)連接到所述機械臂(A)。
10.前述權(quán)利要求之一中的機器人，其特征在于，所述第一結(jié)構(gòu)總線(B1)直接或間接地連接至所述電源模塊(22)，每一個電源模塊貢獻于所述機器人(R)的電動機。
11.前述權(quán)利要求之一中的機器人，其特征在于，所述數(shù)字接口是接口卡(14)，其用于計算由所述或每一個相關(guān)傳感器(12)測量的移動的速度和/或加速度，對其輸出信號進行串行化，并且，適當?shù)?，當所述傳感器的輸出信號是模擬的時，還對其進行數(shù)字化。
12.權(quán)利要求1到10之一中的機器人，其特征在于，所述接口被并入所述相關(guān)傳感器，并用于計算由所述傳感器測量的移動的速度和加速度，對其輸出信號進行串行化，并且，適當?shù)?，當所述傳感器的輸出信號是模擬的時，還對其進行數(shù)字化。
全文摘要
所述機器人包括控制器(C)，其包括電源模塊(22)，用于為機器人(R)的機械臂(A)的電動機(10)供電，CPU單元(26)，用于計算和處理，以及在所述機械臂(A)、所述電源模塊(22)和所述CPU單元(26)之間的連接裝置(52，B)。所述連接裝置(52，B)包括了單獨的功能總線(B)，該總線(B)將與所述CPU單元(26)相關(guān)的控制單元(30)首先連接到所述電源模塊(22)，并且還連接到數(shù)字接口(14)，該數(shù)字接口(14)具有在所述機械臂(A)上的傳感器(12)。所述接口(14)與所述機械臂(A)合并或者與之緊鄰。
文檔編號B25J9/16GK1745349SQ200480003386
公開日2006年3月8日 申請日期2004年2月3日 優(yōu)先權(quán)日2003年2月4日
發(fā)明者V·熱拉, P·佩里拉, J-M·博內(nèi)德蒂韋 申請人:施托布利法韋日公司