CN100480920C - 配备有控制***的多轴机器人 - Google Patents

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Abstract

所述机器人包括：控制器(C)，其包括电源模块(22)，用于为机器人(R)的机械臂(A)的电动机(10)供电，CPU单元(26)，用于计算和处理，以及在所述机械臂(A)、所述电源模块(22)和所述CPU单元(26)之间的连接装置(52，B)。所述连接装置(52，B)包括了单独的功能总线(B)，该总线(B)将与所述CPU单元(26)相关的控制单元(30)首先连接到所述电源模块(22)，并且还连接到数字接口(14)，该数字接口(14)具有在所述机械臂(A)上的传感器(12)。所述接口(14)与所述机械臂(A)合并或者与之紧邻。

Description

配备有控制***的多轴机器人
技术领域
本发明涉及配备有控制***的多轴机器人。
背景技术
已知，通过将由计算与处理单元产生的控制信号提供给多轴机器人的电动机从而对该多轴机器人进行控制，所述计算与处理单元确定了机器人的路径。从例如US-A-4,786,847得知，为了使路径计算有效，可以使得上述单元工作于闭环模式，并利用来自于机器人机械臂上携带的位置传感器的反馈信号。在已知的机器人中，在所述机械臂及其控制单元之间必须安装大量的电缆，这会导致长连接和布线次数以及不容忽视的误差风险，而导致复杂且昂贵的调试操作。
从EP-A-0777 167可以得知，可以使用光纤总线将数字控制器连接到放大器，每一个放大器都通过常规线路连接到编码器。这些在放大器和编码器之间的连接使得安装这些设备的工作时间长且复杂。
另外，JP-A-10 178 437提供了通过总线连接到外部计算机的编码器，其独立于装置的电源部分。
正是为了弥补以上缺陷，本发明为配备有控制***的机器人提出了一种新的结构，其一方面简化了所述控制器的制造，另一方面简化了该机器人在其使用地的安装。本发明还致力于改善控制和反馈信号的传输质量和速度。
发明内容
根据本发明，提供一种多轴机器人，包括机械臂，该机械臂用于在空间移动工具并由电动机驱动，以及控制***，该控制***包括：
控制器，包括至少一个电源模块和至少一个计算与处理单元，其中所述电源模块为所述电动机供电，所述计算与处理单元用于计算所述机械臂的路径并产生所述模块的控制信号，
连接装置，位于所述机械臂、所述电源模块和所述单元之间，至少用于从所述模块向所述电动机供电，其特征在于，
所述连接装置包括一套至少一条的结构总线，该总线将与所述计算与处理单元相关的控制单元一方面连接到所述模块，另一方面连接到至少一个数字接口，该数字接口具有至少一个在所述机械臂上的位置传感器，并且还在于，
至少一条结构总线的这种组件形成了单独的功能总线，使得在所述单独的功能总线的频率下，所述模块能够为所述计算与处理单元所控制，并且反馈信号能够从所述机械臂传输到所述计算与处理单元和/或所述电源模块。
本着这种精神，本发明涉及一种多轴机器人，其包括用于在空间移动工具并由电动机驱动的机械臂，以及控制***，该控制***包括：
控制器，其包括至少一个用于为电动机提供能量的电源模块，以及至少一个计算与处理单元，该单元特别用于计算所述机械臂的路径并产生上述模块的控制信号。
在所述机械臂、所述电源模块和所述单元之间的连接装置，该连接装置至少被用于从所述电源模块为电动机供电，且通过所述计算与处理单元控制所述电源模块，以及将来自所述机械臂的反馈信号传送到所述计算与处理单元和/或所述电源模块。
本***的特征在于：所述连接装置包含了单独的功能总线(singlefunctional bus)，该总线一方面将与所述计算与处理单元相关联的控制单元与所述电源模块连接，另一方面，将该控制单元连接到至少一个数字接口，该数字接口具有至少一个位于所述机械臂上的位置传感器，且该接口被并入所述机械臂中或位于紧邻机械臂处。
使用本发明，关于所述机器人的移动部件的位置和速度的反馈信息，以及关于由各电动机消耗的电流的信息可在总线频率下用于所述计算与处理单元。另外，在所述总线上以数字形式传送的数字信号，与模拟信号不同，相比而言，不易受环境噪声的干扰。通过闭环的集中处理可以得到路径控制的最优化。所述接口的用途包括对来自数字传感器的信息进行串行化，或者对来自模拟传感器的信息进行数字化和串行化，然后将信息传送至串行总线。本发明保持了在功能上集中了路径产生和闭环控制的***的优点。离传感器或编码器尽可能近的接口也可以计算移动部件的速度和/或加速度，其所在频率是总线频率的倍数，以减少位置、速度和/或加速度信息之间的延时，从而提供更好的闭环控制。使用功能总线最小化了装备中的电缆数量，尤其是机械臂内部的电缆数量，因此提供了更好的连接电缆布线，放宽了机械臂元件的尺寸限制，由于总线的最小弯曲半径相对较小，更易实现包含在机械臂内部中的元件，并且更易获得机械臂的灵活性。根据本发明的机器人对于设计和制造都更为经济，且算法也使其比现有技术的机器人更快、更准确。
根据本发明的特别优点，所述单独的功能总线被分成至少两条结构总线，其中第一结构总线将所述控制单元连接至所述电源模块，第二或第二及其后的总线将所述控制单元连接到一个或多个接口。具有至少两条单独的结构总线意味着每一条结构总线都能适应其所安装的位置：所述第一总线可以是金属的，特别是铜制的，而其它的总线可以是，例如，由光纤制成的，这种类型的总线特别不易受环境电磁噪声的干扰而且在维持高速度时能够更长。使用数条结构总线可以回避当需要添加更多元件或每个元件需处理的信息更多时因其带宽限制所导致的问题。
优势之处还在于，所述控制单元被用PCI(外设部件接口)型总线连接到所述计算与处理单元。作为一种变化，所述控制单元也可以被并入所述计算与处理单元。
在所述机械臂上或紧邻该机械臂的位置可以包括识别与校准卡，此卡被并入所述总线。这样就可以容易地将专用于机器人的参数下载到所述计算与处理单元。这种连接于是被称为“即插即用”。
所述或每一条结构总线可以被设计为由附加连接装置扩展到至少一个外部单元，例如第七轴，特别是传送轴，或者任何用于处理信息的单元，例如安全装置。
此外，独立于所述结构总线，所述连接装置还包括将上述模块连接至所述机器人的电源线。
所述第一结构总线优选地直接或间接地与电源模块相连，该模块的每一个都贡献于所述机器人的电动机。这也可以使得上述接口能够成为接口卡，该接口卡用于计算由所述或每一个相关传感器测量到的运动的速度和/或加速度，对其输出信号进行串行化，并且，值得注意的是，当传感器的输出信号是模拟信号时，首先要对其进行数字化。作为一种变化，所述相关接口被并入相关传感器，并具有上述相同的功能。
具体实施方式
通过以下对根据发明的多轴机器人及其控制***的实施例的描述，可以使人更好地理解本发明，并对其它优点有更清晰的了解，该实施例仅仅通过参照附图举例给出，其中的简单图形是相关控制***及多轴机器人的理论概略表示。
图中所示的机器人R的机械臂A沿着方向X-X′所示的传送路径设置。该机械臂配备了六个电动机，每一个电动机关于机械臂的六个轴中的一个来移动机械臂的移动部件，以将工具O移到指定位置。这些电动机在图中以机械化装置10来表示。实际上，它们是分布在机械臂A中的。机器人R中分布有六个模拟位置传感器或编码器12，用于测量所述机械臂关于其六个轴中每一个的移动。
三个接口卡14安装在机械臂A上，并且每一个与两个传感器12相联系。每一个卡14用于对从传感器或编码器12输出的模拟信号进行数字化和串行化。每一个卡14还用于计算按时产生的信号的第一偏移和/或第二偏移，该信号用于确定机器人R的相关移动部件的速度和/或相应加速度。因为卡14位于传感器或编码器12附近，可用大约20kHz的高频率进行偏移的计算，而信息帧以10kHz传输。
实际上，根据结构的选择，卡14可以被并入传感器12，为两个传感器所共用，并且分布于机械臂A中，如前所述，也可以安装在机械臂A的底部。可以用单独的卡代替各个上述卡14。
机器人R还包括控制机械臂A的控制器C，该控制器包括外壳20，其罩住了六个电源模块22，该电源模块经由电缆24接收供电。每一个模块22贡献于机械臂A的一个电动机，利用十八根导线通过第一连接电缆52将这六个模块22连接到机械臂A。实际上，组件10的电动机是三相电动机，并且每一个模块22均通过三根导线连接到相应的电动机。
计算与处理单元26，通常称为“CPU”，也安装在外壳20内部，并且通过PCI总线28连接到控制卡30，该控制卡30配备了接口32。
作为变化，所述卡30可以被并入卡26中。
外部便携式计算机60可以通过以太网连接62连接至单元26，用于其编程和/或显示其操作参数。
单元26用于计算所述机器人R的路径，并产生每一个模块22的控制信号，这些模块依次控制组件10的电动机。考虑到机械臂A的实际行为，为了控制这些模块22，由元件26到30组成的组合件，通过单独的功能总线B一方面连接到三个卡34，其中每一个卡34控制两个模块22，另一方面连接到三块接口卡14。
总线B分为两根结构总线B1和B2。
包含于外壳20内的铜制总线B1，用于将来自模块22的控制信号传送到卡34，并且用这种方式控制组件10的电动机。信息也经由总线B1从卡34到卡30进行流动。
第二结构总线B2由光纤形成，并包括在接口32和识别与校准卡16之间的连接电缆54，该卡16安装在机械臂A的底部附近，以串联的方式通过第二总线B2连接至每一个卡14。
总线B2由光纤制成，这样可以免于受到由组件10的电动机或编码器12的工作时造成的电磁干扰的影响。
对于单元26而言，两根结构总线B1和B2形成单独的功能总线B，利用该总线经由卡30发送或接收控制信号。
使用结构总线B1和B2，使得至控制卡30的信息传输特别快，实际上，以小于100微秒的重复间隔完成。所述信息还经由PCI总线28在元件26和30之间快速传递。
如图中虚线所示，结构总线B2可以开放以合并附加连接装置B′2，利用电源模块22′、两个传感器12′以及接口卡14′来控制外部轴，例如传送轴。
类似的，连接装置B′1可用于将总线B1连接到与传感器12＂相关联的接口卡14＂，例如在安全装置内部。
这样，本发明使控制***具有高度的灵活性，并能适应其工作环境。特别地，在需要添加外部轴的控制的时候，没有必要增加在控制器C和机械臂A之间连接的电缆。
机器人R及其控制***的安装特别容易，因为通过在接口32和卡16之间连接总线B2，储存在卡16上的信息就可以使得控制器C能够对机器人R进行识别。
本发明显著地降低了机器人控制***的设计、生产和布线成本，而且对于信息的收集，特别是对关于所述机器人移动部件的位置、速度和加速度的信息的收集，与采用具有并行总线的集中式构造的***的最强大的设备相比，在速度上同样快，并且具有更高的精确度。
本发明也可以用两条结构总线B1和B2形成功能总线。然而，相反地，可以配备单独的总线或者多于两条结构总线。
此发明不仅仅限于配备了模拟位置传感器的机器人。它还可以用数字传感器实现，在这种情况下，由所述例子中描述的卡14所提供的接口可以被并入每一个传感器中。
识别与校准卡16可以配备于控制器C中，而不是在机械臂A上，在这种情况下，元件A和C可以被配对，因为卡16使得单元26“识别”机械臂A。

Claims (14)

1.一种多轴机器人，包括机械臂(A)，该机械臂(A)用于在空间移动工具(O)并由电动机(10)驱动，以及控制***，该控制***包括：
控制器(C)，包括至少一个电源模块(22)和至少一个计算与处理单元(26)，其中所述电源模块(22)为所述电动机(10)供电，所述计算与处理单元(26)用于计算所述机械臂(A)的路径并产生所述模块的控制信号，
连接装置(52，B)，位于所述机械臂、所述电源模块和所述单元之间，至少用于从所述模块向所述电动机供电，其特征在于，
所述连接装置(52，B)包括一套至少一条的结构总线(B1，B2)，该总线将与所述计算与处理单元(26)相关的控制单元(30)一方面连接到所述模块(22)，另一方面连接到至少一个数字接口(14)，该数字接口(14)具有至少一个在所述机械臂(A)上的位置传感器(12)，并且还在于，
至少一条结构总线的这种组件形成了单独的功能总线，使得在所述单独的功能总线的频率下，所述模块能够为所述计算与处理单元所控制，并且反馈信号能够从所述机械臂传输到所述计算与处理单元和/或所述电源模块。
2.权利要求1中的机器人，其特征在于，所述单独的功能总线(B)被分成至少两条结构总线(B1，B2)，其中第一条将所述控制单元(30)连接到所述模块(22)，第二条(B2)或其后的总线将所述控制单元(30)连接到所述接口(14)。
3.权利要求2中机器人，其特征在于，所述第一结构总线为金属总线(B1)。
4.权利要求3中的机器人其特征在于，所述金属总线可以由铜制成。
5.权利要求2或3之一中的机器人，其特征在于，所述结构总线之一为光纤总线(B2)。
6.权利要求1至3之一中的机器人，其特征在于，所述控制单元(30)通过PCI型总线(28)连接到所述计算与处理单元(26)。
7.权利要求1至3之一中的机器人，其特征在于，所述控制单元(30)被并入所述计算与处理单元(26)。
8.权利要求1至3之一中的机器人，其特征在于，包括被并入所述功能总线(B)的识别与校准卡(16)。
9.权利要求1至3之一中的机器人，其特征在于，每一条结构总线(B1，B2)被设计成通过附加连接装置(B′1，B′2)进行扩展，以能够与至少一个用于处理信息的外部单元(12′，12＂，14′，14＂，22′)进行交互。
10.权利要求1至3之一中的机器人，其特征在于，独立于所述功能总线(B)，所述连接装置还包括电源导线(52)，该导线将所述模块(22)连接到所述机械臂(A)。
11.权利要求1至3之一中的机器人，其特征在于，所述结构总线中的第一结构总线(B1)直接或间接地连接至所述电源模块(22)，每一个电源模块对所述机器人(R)的电动机供电。
12.权利要求1至3之一中的机器人，其特征在于，所述数字接口是接口卡(14)，其用于计算由每一个位置传感器(12)测量的移动的速度和/或加速度，对其输出信号进行串行化，并且，当所述传感器的输出信号是模拟的时，还对其进行数字化。
13.权利要求1到3之一中的机器人，其特征在于，所述接口被并入所述位置传感器，并用于计算由所述传感器测量的移动的速度和加速度，对其输出信号进行串行化，并且，当所述传感器的输出信号是模拟的时，还对其进行数字化。
14.权利要求1至3的任何一个中的机器人，其特征在于，所述接口被并入所述机械臂或者被置于该机械臂的底部。
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