本發(fā)明涉及一種控制系統(tǒng)，特別涉及一種六軸焊接工業(yè)機(jī)器人防碰撞控制系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

由于機(jī)器人的許多人所共知的優(yōu)點(diǎn)，它已應(yīng)用于許多工業(yè)領(lǐng)域，在兵工企業(yè)中、工業(yè)機(jī)器人可以用于機(jī)械加工、沖壓、加料、裝配等場合；在火化工生產(chǎn)中，還可排險(xiǎn)機(jī)器人排除地雷或可疑爆炸物的險(xiǎn)情；可以說，工業(yè)機(jī)器人已越來越多地受到企業(yè)和人們的重視；目前，我國獨(dú)立研制出6類10種工業(yè)機(jī)器人，其中噴漆、點(diǎn)焊、搬運(yùn)、裝配、壓鑄等7種機(jī)器人達(dá)到國際中期水平，非接觸式機(jī)器人性能系統(tǒng)達(dá)到目前國際先進(jìn)水平。

盡管機(jī)器人技術(shù)在不斷進(jìn)步，工業(yè)機(jī)器人在工業(yè)上的優(yōu)點(diǎn)很多，但現(xiàn)有機(jī)器人仍存在如下不足：

工業(yè)機(jī)器人在使用中傷害事故時(shí)有發(fā)生，特別是工人處在機(jī)器人的工作包絡(luò)線范圍內(nèi)受到的傷害如：工人可能會被機(jī)器人的運(yùn)動部件如操作臂或機(jī)器人所運(yùn)動的零件所碰撞或撞擊、擠壓，以及由于人的失誤、零件故障、控制系統(tǒng)失效等導(dǎo)致的傷害；為了預(yù)防機(jī)器人傷人事故的發(fā)生，常采用聯(lián)鎖防護(hù)欄、固定防護(hù)欄、警告裝置等被動預(yù)防措施，雖然我們可以在外部環(huán)境設(shè)置很多安全屏障來避免高速運(yùn)動的機(jī)器人觸碰到人，但是還是無法根本上杜絕人不去接觸機(jī)器人。

產(chǎn)生以上事故的原因一是現(xiàn)有的機(jī)器人還不能像人一樣看、聽去觀察周圍的環(huán)境并作出判斷；二是很多機(jī)器人在機(jī)器人防碰撞系統(tǒng)上存在一定的不足，沒有建立主動認(rèn)知機(jī)制，即機(jī)器人無法識別工作周圍的環(huán)境是否存在人或者會對人造成傷害而主動采取中斷或避讓措施。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有技術(shù)的改進(jìn)，提供一種六軸焊接工業(yè)機(jī)器人防碰撞控制系統(tǒng)，以克服上述已有技術(shù)存在的不足。

本發(fā)明采取的技術(shù)方案是：一種六軸焊接工業(yè)機(jī)器人防碰撞控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括運(yùn)算中樞模塊、控制模塊和信息采集模塊，所述控制模塊通過數(shù)據(jù)總線分別與運(yùn)算中樞模塊和信息采集模塊連接，并通過i/o口與機(jī)器人控制模塊連接進(jìn)行信息交換；

所述信息采集模塊包括超聲波傳感器、位置傳感器、速度傳感器和角度傳感器；所述位置傳感器設(shè)在焊接工業(yè)機(jī)器人各機(jī)械臂前端，速度傳感器和角度傳感器設(shè)在機(jī)械臂軸關(guān)節(jié)連接處，超聲波傳感器設(shè)在各機(jī)械臂兩側(cè)中部；

超聲波傳感器用于采集機(jī)器人周邊環(huán)境的信號，搜索是否有障礙物出現(xiàn)；

位置傳感器用于確定機(jī)械臂末端焊槍的實(shí)時(shí)位置；

速度傳感器用于確定機(jī)器人工作時(shí)各機(jī)械臂模塊以及軸關(guān)節(jié)的運(yùn)動和旋轉(zhuǎn)速度；

角度傳感器用于確定每一個(gè)機(jī)械臂轉(zhuǎn)過的角度，實(shí)時(shí)定位機(jī)器人的機(jī)械臂運(yùn)動空間區(qū)域；

所述運(yùn)算中樞模塊包括多個(gè)并行運(yùn)算模塊和一個(gè)實(shí)時(shí)運(yùn)算模塊，并行運(yùn)算模塊用于為并行計(jì)算提供硬件和軟件界面，實(shí)時(shí)控制模塊通過綜合使用和分析從控制模塊獲取的各種信息，實(shí)時(shí)計(jì)算機(jī)器人機(jī)械臂末端焊槍的最終位置，認(rèn)知周邊環(huán)境狀態(tài)，并通過控制模塊實(shí)時(shí)給機(jī)器人控制系統(tǒng)發(fā)出是否主動采取中斷或避讓措施的指令；

所述控制模塊的作用：

一是將信息采集模塊采集的信息送運(yùn)算中樞模塊進(jìn)行并行運(yùn)算和實(shí)時(shí)運(yùn)算，對最終認(rèn)定的機(jī)械臂末端焊槍的位置、角度、運(yùn)動速度以及周圍環(huán)境信息作出判斷；

二是根據(jù)運(yùn)算中樞模塊運(yùn)算和判斷的結(jié)果向機(jī)器人控制模塊發(fā)出是否主動采取中斷或避讓措施的指令；

三是與外部網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行信息交換，或接受人工控制命令，或者輸出當(dāng)前機(jī)器人機(jī)械臂運(yùn)動的路徑規(guī)劃到外部設(shè)備。

其進(jìn)一步的技術(shù)方案是：所述并行運(yùn)算模塊采用gpu圖形處理器，實(shí)時(shí)運(yùn)算模塊采用cpu中央處理器；并行運(yùn)算模塊和實(shí)時(shí)運(yùn)算模塊被包括在運(yùn)算中樞模塊中，其包括關(guān)系或是在一個(gè)實(shí)際個(gè)體上：二者均在arm處理器上，或是分別為兩個(gè)部分：在電路板上分別有多個(gè)gpu圖形處理器和一個(gè)cpu中央處理器；

所述控制模塊采用小型可編程控制器plc。

更進(jìn)一步：所述控制模塊通過數(shù)據(jù)總線連接外部網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)交換系統(tǒng)，一是用于運(yùn)算模塊與控制模塊之間進(jìn)行通信；二是與外部網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行信息交換，或接受人工控制命令，或者輸出當(dāng)前機(jī)器人機(jī)械臂運(yùn)動的路徑規(guī)劃到外部設(shè)備。

所述控制模塊之小型可編程控制器plc中嵌入防碰撞程序。

由于采取上述技術(shù)方案，本發(fā)明之一種六軸焊接工業(yè)機(jī)器人防碰撞控制系統(tǒng)

具有以下有益效果：

1．本發(fā)明之一種六軸焊接工業(yè)機(jī)器人防碰撞控制系統(tǒng)通過信息采集模塊采集的機(jī)器人機(jī)械臂末端焊槍的信息，輸送運(yùn)算中樞模塊運(yùn)算，控制模塊及時(shí)將計(jì)算和判斷的結(jié)果向機(jī)器人控制模塊發(fā)出是否主動采取中斷或避讓措施的指令，該系統(tǒng)的安全區(qū)判斷機(jī)制包括狀態(tài)的監(jiān)測：位置，速度，io狀態(tài)，報(bào)警，從而最大可能的預(yù)防傷害事故的發(fā)生，降低事故發(fā)生的概率，保障工人的人身安全，提高企業(yè)的生產(chǎn)安全性；

2．本發(fā)明一種六軸焊接工業(yè)機(jī)器人防碰撞控制系統(tǒng)通過i/o口與機(jī)器人控制模塊連接進(jìn)行信息交換；工作時(shí)，當(dāng)有工人誤入機(jī)械臂運(yùn)動的包絡(luò)線范圍內(nèi)，機(jī)器人機(jī)械臂上的傳感器檢測到該環(huán)境發(fā)生變化有危險(xiǎn)信號的存在，將該信號反饋到機(jī)器人控制器，機(jī)器人控制器根據(jù)此時(shí)機(jī)械臂的速度，運(yùn)動角度，檢測到危險(xiǎn)信號的距離等及時(shí)對此信號做出安全性處理，減緩機(jī)器人運(yùn)動速度或者小角度運(yùn)行甚至停止機(jī)器人運(yùn)動，從而避免安全事故的發(fā)生，當(dāng)碰撞不可避免的發(fā)生了，還可以觸發(fā)報(bào)警裝置，在短時(shí)間為受傷員工發(fā)出求救信號；

3．所述運(yùn)算中樞模塊包括多個(gè)并行運(yùn)算模塊和實(shí)時(shí)運(yùn)算模塊，使機(jī)器人控制系統(tǒng)在處理復(fù)雜并行運(yùn)算的性能得到提升，尤其當(dāng)機(jī)器人在做復(fù)雜動作時(shí)，輸出機(jī)器人姿態(tài)的反饋和控制信息速度會得到大幅度提升；

4．該一種六軸焊接工業(yè)機(jī)器人防碰撞控制系統(tǒng)屬于獨(dú)立模塊，所有內(nèi)部程序可以升級更新，預(yù)留有更多接口可以擴(kuò)展其他新式功能，增添更多的附加實(shí)用性，用于學(xué)校的實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境時(shí)可培養(yǎng)學(xué)生開發(fā)程序的興趣。

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明之一種六軸焊接工業(yè)機(jī)器人防碰撞控制系統(tǒng)的技術(shù)特征作進(jìn)一步的說明。

附圖說明

圖1：本發(fā)明之一種六軸焊接工業(yè)機(jī)器人防碰撞控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖（圖1中六軸焊接工業(yè)機(jī)器人的機(jī)器人控制模塊通過各軸電機(jī)伺服器與機(jī)器人機(jī)械臂末端各軸電機(jī)電連接）。

具體實(shí)施方式

一種六軸焊接工業(yè)機(jī)器人防碰撞控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括運(yùn)算中樞模塊、控制模塊和信息采集模塊，所述控制模塊通過數(shù)據(jù)總線分別與運(yùn)算中樞模塊和信息采集模塊連接，并通過i/o口與機(jī)器人控制模塊連接進(jìn)行信息交換；

所述信息采集模塊包括超聲波傳感器、位置傳感器、速度傳感器和角度傳感器；所述位置傳感器設(shè)在焊接工業(yè)機(jī)器人各機(jī)械臂前端，速度傳感器和角度傳感器設(shè)在機(jī)械臂軸關(guān)節(jié)連接處，超聲波傳感器設(shè)在各機(jī)械臂兩側(cè)中部；

超聲波傳感器用于采集機(jī)器人周邊環(huán)境的信號，搜索是否有障礙物出現(xiàn)；

位置傳感器用于確定機(jī)械臂末端焊槍的實(shí)時(shí)位置；

速度傳感器用于確定機(jī)器人工作時(shí)各機(jī)械臂模塊以及軸關(guān)節(jié)的運(yùn)動和旋轉(zhuǎn)速度；

角度傳感器用于確定每一個(gè)機(jī)械臂轉(zhuǎn)過的角度，實(shí)時(shí)定位機(jī)器人的機(jī)械臂運(yùn)動空間區(qū)域；

所述運(yùn)算中樞模塊包括多個(gè)并行運(yùn)算模塊和一個(gè)實(shí)時(shí)運(yùn)算模塊，并行運(yùn)算模塊用于為并行計(jì)算提供硬件和軟件界面，實(shí)時(shí)控制模塊通過綜合使用和分析從控制模塊獲取的各種信息，實(shí)時(shí)計(jì)算機(jī)器人機(jī)械臂末端焊槍的最終位置，認(rèn)知周邊環(huán)境狀態(tài)，并通過控制模塊實(shí)時(shí)給機(jī)器人控制系統(tǒng)發(fā)出是否主動采取中斷或避讓措施的指令；

所述控制模塊的作用：

一是將信息采集模塊采集的信息送運(yùn)算中樞模塊進(jìn)行并行運(yùn)算和實(shí)時(shí)運(yùn)算，對最終認(rèn)定的機(jī)械臂末端焊槍的位置、角度、運(yùn)動速度以及周圍環(huán)境信息作出判斷；

二是根據(jù)運(yùn)算中樞模塊運(yùn)算和判斷的結(jié)果向機(jī)器人控制模塊發(fā)出是否主動采取中斷或避讓措施的指令；

三是與外部網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行信息交換，或接受人工控制命令，或者輸出當(dāng)前機(jī)器人機(jī)械臂運(yùn)動的路徑規(guī)劃到外部設(shè)備。

所述并行運(yùn)算模塊采用gpu圖形處理器，實(shí)時(shí)運(yùn)算模塊采用cpu中央處理器；并行運(yùn)算模塊和實(shí)時(shí)運(yùn)算模塊被包括在運(yùn)算中樞模塊中，其包括關(guān)系或是在一個(gè)實(shí)際個(gè)體上：二者均在arm處理器上，或是分別為兩個(gè)部分：在電路板上分別有多個(gè)gpu圖形處理器和一個(gè)cpu中央處理器；

所述控制模塊采用小型可編程控制器plc。

所述控制模塊通過數(shù)據(jù)總線連接外部網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)交換系統(tǒng)，一是用于運(yùn)算模塊與控制模塊之間進(jìn)行通信；二是與外部網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行信息交換，或接受人工控制命令，或者輸出當(dāng)前機(jī)器人機(jī)械臂運(yùn)動的路徑規(guī)劃到外部設(shè)備。

所述控制模塊之小型可編程控制器plc中嵌入防碰撞程序。

本發(fā)明之一種六軸焊接工業(yè)機(jī)器人防碰撞控制系統(tǒng)工作原理以及各模塊功能如下：

（1）當(dāng)機(jī)械臂末端焊槍運(yùn)動過程中周圍環(huán)境發(fā)生變化，信息采集模塊及時(shí)將監(jiān)測到的環(huán)境變化信息以及機(jī)械臂的位置和運(yùn)動信息通過i/o口反饋到控制模塊；

（2）控制模塊將信息傳遞給運(yùn)算中樞模塊進(jìn)行并行運(yùn)算和實(shí)時(shí)運(yùn)算，對最終認(rèn)定的機(jī)械臂末端焊槍的位置、角度、運(yùn)動速度以及周圍環(huán)境信息作出判斷，向機(jī)器人控制模塊發(fā)出是否主動采取中斷或避讓措施的指令；

（3）機(jī)器人控制模塊根據(jù)控制模塊發(fā)出的控制指令，控制驅(qū)動機(jī)構(gòu)作為是否主動采取中斷或避讓措施的操作。

機(jī)器人控制系統(tǒng)是安裝于一塊電路板上的運(yùn)算中樞模塊，控制模塊，數(shù)據(jù)總線，信息采集模塊。

運(yùn)算中樞模塊用于進(jìn)行機(jī)器人控制相關(guān)的運(yùn)算，是一種具有大規(guī)模并行運(yùn)算能力的計(jì)算中樞處理器：一是通過數(shù)據(jù)總線所傳輸?shù)挠糜谶\(yùn)算的傳感器數(shù)據(jù)或其他運(yùn)算相關(guān)數(shù)據(jù)；二是通過數(shù)據(jù)總線與其他模塊連接通信，列如輸出運(yùn)算結(jié)果形成控制命令給控制模塊或接受控制模塊發(fā)送的用于運(yùn)算的數(shù)據(jù)信息。

通過網(wǎng)絡(luò)交換系統(tǒng)所連接的運(yùn)算中樞模塊和控制模塊，可在模塊間進(jìn)行通信；數(shù)據(jù)總線還可通過連接以太網(wǎng)(ethernet)，接受人工控制命令，或者輸出當(dāng)前機(jī)器人移動的路線規(guī)劃等至外部設(shè)備；但不限于此。

運(yùn)算中樞模塊所在的機(jī)器人控制系統(tǒng)應(yīng)用在機(jī)器人機(jī)械臂的運(yùn)動領(lǐng)域時(shí)，通過接受處理控制模塊所發(fā)送的機(jī)器人的位置信息或加速度、角速度等姿態(tài)信息，在進(jìn)行運(yùn)算后輸出當(dāng)前機(jī)器人機(jī)械臂末端焊槍的準(zhǔn)確位置、所規(guī)劃的一定時(shí)間內(nèi)的運(yùn)動路徑和當(dāng)前運(yùn)動環(huán)境的應(yīng)對策略等信息。

并行運(yùn)算模塊被包括在運(yùn)算中樞模塊中,用于處理并行運(yùn)算。采用gpu(graph1csprocessingunit)圖形處理器進(jìn)行并行運(yùn)算；并行運(yùn)算模塊的數(shù)量有多個(gè)是指并行模塊的數(shù)量大于一個(gè)，優(yōu)選情況有上百個(gè)；并行運(yùn)算模塊數(shù)量較多時(shí),機(jī)器人控制系統(tǒng)在處理復(fù)雜并行運(yùn)算的性能會被提升，尤其在機(jī)器人移動的場景中，輸出機(jī)器人姿態(tài)的反饋和控制信息速度會被提升；其中g(shù)pu負(fù)責(zé)并行處理自定位算法中的大規(guī)模粒子濾波，實(shí)時(shí)輸出機(jī)器人在環(huán)境中的參考位置。

實(shí)時(shí)運(yùn)算模塊被包括在運(yùn)算中樞模塊中，采用cpu(centralprocessingunit)中央處理器進(jìn)處理實(shí)時(shí)運(yùn)算，從而可以在機(jī)器人控制系統(tǒng)用于機(jī)器人運(yùn)動的場景中，綜合使用和分析從數(shù)據(jù)總線獲取的各種信息，實(shí)時(shí)計(jì)算機(jī)器人的最終濾波后的位置，認(rèn)知周邊環(huán)境狀態(tài)，并通過路徑與速度規(guī)劃算法給出實(shí)時(shí)的速度指令。

并行運(yùn)算模塊和實(shí)時(shí)運(yùn)算模塊被包括在所述運(yùn)算中樞模塊中，所述包括關(guān)系可以是在一個(gè)實(shí)際個(gè)體上、即二者均在arm處理器上；也可以是分別為兩個(gè)部分,例如在電路板上有多個(gè)gpu和一個(gè)cpu，分別作為并行運(yùn)算模塊和實(shí)時(shí)運(yùn)算模塊完成運(yùn)算工作。

控制模塊的核心是可提供實(shí)時(shí)運(yùn)算及控制功能的微控制器，是用于控制機(jī)器人移動或動作的模塊，通過采集和處理數(shù)據(jù)采集模塊所獲取的傳感數(shù)據(jù)，控制機(jī)器人調(diào)整姿態(tài)；可通過通信接口控制數(shù)據(jù)采集模塊采集所需要的數(shù)據(jù)，或者發(fā)送控制命令，或者接受所控制模塊的信息反饋，控制模塊實(shí)現(xiàn)控制功能所需的控制命令通過數(shù)據(jù)總線從運(yùn)算中樞模塊獲取，但不限于此，在優(yōu)選情況下控制模塊還可以自行處理其控制的數(shù)據(jù)采集模塊所采集的數(shù)據(jù)后發(fā)出控制命令。

控制模塊通過數(shù)據(jù)總線與其它模塊連接通信，例如輸出處理后的機(jī)器人狀態(tài)相關(guān)的數(shù)據(jù)，或接受運(yùn)算中樞模塊發(fā)送的控制指令信息。

在優(yōu)選情況下采用plc作為控制模塊，控制模塊用于控制一個(gè)或多個(gè)用于獲取機(jī)器人姿態(tài)與位置信息的數(shù)據(jù)采集模塊。

所述數(shù)據(jù)采集模塊用于獲取機(jī)器人的外部環(huán)境和自身狀態(tài)的信息，由感知機(jī)器人角速度、加速度、定位等傳感元件組成；所述數(shù)據(jù)采集模塊在每個(gè)機(jī)器人控制系統(tǒng)中可以是一個(gè)或多個(gè)，當(dāng)不止一個(gè)時(shí)，每個(gè)數(shù)據(jù)采集模塊所負(fù)責(zé)的功能可相同或不同。

所述數(shù)據(jù)采集模塊包括以下至少一項(xiàng)：用于獲取機(jī)器人姿態(tài)信息的慣性測量模塊，用于獲取機(jī)器人位置信息的定位模塊；慣性測量模塊用于采集機(jī)器人在移動時(shí)的姿態(tài)信息和矯正機(jī)器人姿態(tài)，姿態(tài)信息包括機(jī)器人當(dāng)前的速度、方位或轉(zhuǎn)動的角度等信息，矯正機(jī)器人姿態(tài)包括變換當(dāng)前移動的方向角度。

數(shù)據(jù)總線用于連接本系統(tǒng)中所包括的各模塊，以及連接外部網(wǎng)絡(luò)，使得所有模塊通過數(shù)據(jù)總線可以進(jìn)行通信和數(shù)據(jù)交換，并通過數(shù)據(jù)總線所連接的外部網(wǎng)絡(luò)與外界進(jìn)行信息交換。

網(wǎng)絡(luò)交換系統(tǒng)功能類似于網(wǎng)絡(luò)總線，通過網(wǎng)絡(luò)交換系統(tǒng)所連接的運(yùn)算中樞模塊和控制模塊，可在模塊間進(jìn)行通信。數(shù)據(jù)總線還可通過連接以太網(wǎng)(ethernet)與如圖1中所示出的外部網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行信息交換，例如，接受人工控制命令，或者輸出當(dāng)前機(jī)器人移動的路線規(guī)劃等至外部設(shè)備，但不限于此，運(yùn)算中樞模塊通過數(shù)據(jù)總線發(fā)送控制指令至控制模塊，控制模塊通過數(shù)據(jù)總線發(fā)送機(jī)器人狀態(tài)數(shù)據(jù)至運(yùn)算中樞模塊。

控制模塊發(fā)送的控制指令包括運(yùn)算中樞所計(jì)算的路徑信息、機(jī)器人即將進(jìn)行的動作指令、當(dāng)前定位結(jié)果等。

發(fā)送機(jī)器人狀態(tài)數(shù)據(jù)是指通過控制模塊收集并處理后的反映機(jī)器人姿態(tài)和位置的數(shù)據(jù)信息，通過控制模塊的處理，可以為運(yùn)算中樞模塊分流一定的工作。

本系統(tǒng)還包括可擴(kuò)展接口，所述可擴(kuò)展接口用于與外界通信以及連接其它可用于機(jī)器人控制系統(tǒng)的模塊，從而達(dá)到擴(kuò)展機(jī)器人控制系統(tǒng)規(guī)模，拓展機(jī)器人控制系統(tǒng)功能的目的；所述可擴(kuò)展接口包括但不限于網(wǎng)絡(luò)端口、無線接口、usb接口、高清接口以及其它工業(yè)界別的通信接口。