專利名稱：配備有控制系統(tǒng)的多軸機(jī)器人的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及配備有控制系統(tǒng)的多軸機(jī)器人。
背景技術(shù)：
已知，通過將由計(jì)算與處理單元產(chǎn)生的控制信號(hào)提供給多軸機(jī)器人的電動(dòng)機(jī)從而對(duì)該多軸機(jī)器人進(jìn)行控制，所述計(jì)算與處理單元確定了機(jī)器人的路徑。從例如US-A-4,786,847得知，為了使路徑計(jì)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(jī)器人機(jī)械臂上攜帶的位置傳感器的反饋信號(hào)。在已知的機(jī)器人中，在所述機(jī)械臂及其控制單元之間必須安裝大量的電纜，這會(huì)導(dǎo)致長(zhǎng)連接和布線次數(shù)以及不容忽視的誤差風(fēng)險(xiǎn)，而導(dǎo)致復(fù)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(gè)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(shè)備的工作時(shí)間長(zhǎng)且復(fù)雜。
另外，JP-A-10 178 437提供了通過總線連接到外部計(jì)算機(jī)的編碼器，其獨(dú)立于裝置的電源部分。
正是為了彌補(bǔ)以上缺陷，本發(fā)明為配備有控制系統(tǒng)的機(jī)器人提出了一種新的結(jié)構(gòu)，其一方面簡(jiǎn)化了所述控制器的制造，另一方面簡(jiǎn)化了該機(jī)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(hào)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(jī)器人，其包括用于在空間移動(dòng)工具并由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的機(jī)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(gè)用于為電動(dòng)機(jī)提供能量的電源模塊，以及至少一個(gè)計(jì)算與處理單元，該單元特別用于計(jì)算所述機(jī)械臂的路徑并產(chǎn)生上述模塊的控制信號(hào)。
在所述機(jī)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(dòng)機(jī)供電，且通過所述計(jì)算與處理單元控制所述電源模塊，以及將來自所述機(jī)械臂的反饋信號(hào)傳送到所述計(jì)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(dú)的功能總線(singlefunctional bus)，該總線一方面將與所述計(jì)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(gè)數(shù)字接口，該數(shù)字接口具有至少一個(gè)位于所述機(jī)械臂上的位置傳感器，且該接口被并入所述機(jī)械臂中或位于緊鄰機(jī)械臂處。
使用本發(fā)明，關(guān)于所述機(jī)器人的移動(dòng)部件的位置和速度的反饋信息，以及關(guān)于由各電動(dòng)機(jī)消耗的電流的信息可在總線頻率下用于所述計(jì)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(hào)，與模擬信號(hào)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(duì)來自數(shù)字傳感器的信息進(jìn)行串行化，或者對(duì)來自模擬傳感器的信息進(jìn)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(diǎn)。離傳感器或編碼器盡可能近的接口也可以計(jì)算移動(dòng)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(shí)，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(jī)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(jī)械臂元件的尺寸限制，由于總線的最小彎曲半徑相對(duì)較小，更易實(shí)現(xiàn)包含在機(jī)械臂內(nèi)部中的元件，并且更易獲得機(jī)械臂的靈活性。根據(jù)本發(fā)明的機(jī)器人對(duì)于設(shè)計(jì)和制造都更為經(jīng)濟(jì)，且算法也使其比現(xiàn)有技術(shù)的機(jī)器人更快、更準(zhǔn)確。
根據(jù)本發(fā)明的特別優(yōu)點(diǎn)，所述單獨(dú)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(gè)或多個(gè)接口。具有至少兩條單獨(dú)的結(jié)構(gòu)總線意味著每一條結(jié)構(gòu)總線都能適應(yīng)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(shí)能夠更長(zhǎng)。使用數(shù)條結(jié)構(gòu)總線可以回避當(dāng)需要添加更多元件或每個(gè)元件需處理的信息更多時(shí)因其帶寬限制所導(dǎo)致的問題。
優(yōu)勢(shì)之處還在于，所述控制單元被用PCI(外設(shè)部件接口)型總線連接到所述計(jì)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(jì)算與處理單元。
在所述機(jī)械臂上或緊鄰該機(jī)械臂的位置可以包括識(shí)別與校準(zhǔn)卡，此卡被并入所述總線。這樣就可以容易地將專用于機(jī)器人的參數(shù)下載到所述計(jì)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(shè)計(jì)為由附加連接裝置擴(kuò)展到至少一個(gè)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(dú)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(jī)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(gè)都貢獻(xiàn)于所述機(jī)器人的電動(dòng)機(jī)。這也可以使得上述接口能夠成為接口卡，該接口卡用于計(jì)算由所述或每一個(gè)相關(guān)傳感器測(cè)量到的運(yùn)動(dòng)的速度和/或加速度，對(duì)其輸出信號(hào)進(jìn)行串行化，并且，值得注意的是，當(dāng)傳感器的輸出信號(hào)是模擬信號(hào)時(shí)，首先要對(duì)其進(jìn)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(shí)施例方式
通過以下對(duì)根據(jù)發(fā)明的多軸機(jī)器人及其控制系統(tǒng)的實(shí)施例的描述，可以使人更好地理解本發(fā)明，并對(duì)其它優(yōu)點(diǎn)有更清晰的了解，該實(shí)施例僅僅通過參照附圖
舉例給出，其中的簡(jiǎn)單圖形是相關(guān)控制系統(tǒng)及多軸機(jī)器人的理論概略表示。
圖中所示的機(jī)器人R的機(jī)械臂A沿著方向X-X′所示的傳送路徑設(shè)置。該機(jī)械臂配備了六個(gè)電動(dòng)機(jī)，每一個(gè)電動(dòng)機(jī)關(guān)于機(jī)械臂的六個(gè)軸中的一個(gè)來移動(dòng)機(jī)械臂的移動(dòng)部件，以將工具O移到指定位置。這些電動(dòng)機(jī)在圖中以機(jī)械化裝置10來表示。實(shí)際上，它們是分布在機(jī)械臂A中的。機(jī)器人R中分布有六個(gè)模擬位置傳感器或編碼器12，用于測(cè)量所述機(jī)械臂關(guān)于其六個(gè)軸中每一個(gè)的移動(dòng)。
三個(gè)接口卡14安裝在機(jī)械臂A上，并且每一個(gè)與兩個(gè)傳感器12相聯(lián)系。每一個(gè)卡14用于對(duì)從傳感器或編碼器12輸出的模擬信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化和串行化。每一個(gè)卡14還用于計(jì)算按時(shí)產(chǎn)生的信號(hào)的第一偏移和/或第二偏移，該信號(hào)用于確定機(jī)器人R的相關(guān)移動(dòng)部件的速度和/或相應(yīng)加速度。因?yàn)榭?4位于傳感器或編碼器12附近，可用大約20kHz的高頻率進(jìn)行偏移的計(jì)算，而信息幀以10kHz傳輸。
實(shí)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(gè)傳感器所共用，并且分布于機(jī)械臂A中，如前所述，也可以安裝在機(jī)械臂A的底部?？梢杂脝为?dú)的卡代替各個(gè)上述卡14。
機(jī)器人R還包括控制機(jī)械臂A的控制器C，該控制器包括外殼20，其罩住了六個(gè)電源模塊22，該電源模塊經(jīng)由電纜24接收供電。每一個(gè)模塊22貢獻(xiàn)于機(jī)械臂A的一個(gè)電動(dòng)機(jī)，利用十八根導(dǎo)線通過第一連接電纜52將這六個(gè)模塊22連接到機(jī)械臂A。實(shí)際上，組件10的電動(dòng)機(jī)是三相電動(dòng)機(jī)，并且每一個(gè)模塊22均通過三根導(dǎo)線連接到相應(yīng)的電動(dòng)機(jī)。
計(jì)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(jì)算機(jī)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(jì)算所述機(jī)器人R的路徑，并產(chǎn)生每一個(gè)模塊22的控制信號(hào)，這些模塊依次控制組件10的電動(dòng)機(jī)?？紤]到機(jī)械臂A的實(shí)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(dú)的功能總線B一方面連接到三個(gè)卡34，其中每一個(gè)卡34控制兩個(gè)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(hào)傳送到卡34，并且用這種方式控制組件10的電動(dòng)機(jī)。信息也經(jīng)由總線B1從卡34到卡30進(jìn)行流動(dòng)。
第二結(jié)構(gòu)總線B2由光纖形成，并包括在接口32和識(shí)別與校準(zhǔn)卡16之間的連接電纜54，該卡16安裝在機(jī)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(gè)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(dòng)機(jī)或編碼器12的工作時(shí)造成的電磁干擾的影響。
對(duì)于單元26而言，兩根結(jié)構(gòu)總線B1和B2形成單獨(dú)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(hào)。
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(shí)際上，以小于100微秒的重復(fù)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(gè)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(yīng)其工作環(huán)境。特別地，在需要添加外部軸的控制的時(shí)候，沒有必要增加在控制器C和機(jī)械臂A之間連接的電纜。
機(jī)器人R及其控制系統(tǒng)的安裝特別容易，因?yàn)橥ㄟ^在接口32和卡16之間連接總線B2，儲(chǔ)存在卡16上的信息就可以使得控制器C能夠?qū)C(jī)器人R進(jìn)行識(shí)別。
本發(fā)明顯著地降低了機(jī)器人控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)和布線成本，而且對(duì)于信息的收集，特別是對(duì)關(guān)于所述機(jī)器人移動(dòng)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(qiáng)大的設(shè)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(dú)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(jī)器人。它還可以用數(shù)字傳感器實(shí)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(gè)傳感器中。
識(shí)別與校準(zhǔn)卡16可以配備于控制器C中，而不是在機(jī)械臂A上，在這種情況下，元件A和C可以被配對(duì)，因?yàn)榭?6使得單元26“識(shí)別”機(jī)械臂A。
權(quán)利要求
1.一種多軸機(jī)器人，包括機(jī)械臂(A)，該機(jī)械臂(A)用于在空間移動(dòng)工具(O)并由電動(dòng)機(jī)(10)驅(qū)動(dòng)，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(gè)電源模塊(22)和至少一個(gè)計(jì)算與處理單元(26)，其中所述電源模塊(22)為所述電動(dòng)機(jī)(10)供電，所述計(jì)算與處理單元(26)特別用于計(jì)算所述機(jī)械臂(A)的路徑并產(chǎn)生所述模塊的控制信號(hào)，連接裝置(52，B)，在所述機(jī)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(dòng)機(jī)供電、通過所述單元控制所述模塊并且將來自所述機(jī)械臂的反饋信號(hào)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(dú)的功能總線(B)，該總線(B)將與所述計(jì)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(gè)數(shù)字接口(14)，該數(shù)字接口(14)具有至少一個(gè)在所述機(jī)械臂(A)上的位置傳感器(12)，且所述接口被并入到所述機(jī)械臂中或者與之緊鄰。
2.權(quán)利要求1中的機(jī)器人，其特征在于，所述單獨(dú)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(jī)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(jī)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(jī)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(jì)算與處理單元(26)。
6.權(quán)利要求1至4之一中的機(jī)器人，其特征在于，所述控制單元(30)被并入所述計(jì)算與處理單元(26)。
7.前述權(quán)利要求之一中的機(jī)器人，其特征在于，其包括含于所述機(jī)械臂(A)上或與之緊鄰的識(shí)別與校準(zhǔn)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(jī)器人，其特征在于，所述或每一條結(jié)構(gòu)總線(B1，B2)被設(shè)計(jì)成可以通過附加連接裝置(B′1，B′2)進(jìn)行擴(kuò)展，以能夠與至少一個(gè)用于處理信息的外部單元(12′，12″，14′，14″，22′)進(jìn)行交互。
9.前述權(quán)利要求之一中的機(jī)器人，其特征在于，獨(dú)立于所述功能總線(B)，所述連接裝置還包括電源導(dǎo)線(52)，該導(dǎo)線將所述模塊(22)連接到所述機(jī)械臂(A)。
10.前述權(quán)利要求之一中的機(jī)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(gè)電源模塊貢獻(xiàn)于所述機(jī)器人(R)的電動(dòng)機(jī)。
11.前述權(quán)利要求之一中的機(jī)器人，其特征在于，所述數(shù)字接口是接口卡(14)，其用于計(jì)算由所述或每一個(gè)相關(guān)傳感器(12)測(cè)量的移動(dòng)的速度和/或加速度，對(duì)其輸出信號(hào)進(jìn)行串行化，并且，適當(dāng)?shù)兀?dāng)所述傳感器的輸出信號(hào)是模擬的時(shí)，還對(duì)其進(jìn)行數(shù)字化。
12.權(quán)利要求1到10之一中的機(jī)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(jì)算由所述傳感器測(cè)量的移動(dòng)的速度和加速度，對(duì)其輸出信號(hào)進(jìn)行串行化，并且，適當(dāng)?shù)?，?dāng)所述傳感器的輸出信號(hào)是模擬的時(shí)，還對(duì)其進(jìn)行數(shù)字化。
全文摘要
所述機(jī)器人包括控制器(C)，其包括電源模塊(22)，用于為機(jī)器人(R)的機(jī)械臂(A)的電動(dòng)機(jī)(10)供電，CPU單元(26)，用于計(jì)算和處理，以及在所述機(jī)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(dú)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(jī)械臂(A)上的傳感器(12)。所述接口(14)與所述機(jī)械臂(A)合并或者與之緊鄰。
文檔編號(hào)B25J9/16GK1745349SQ200480003386
公開日2006年3月8日 申請(qǐng)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(qǐng)人:施托布利法韋日公司