CN105643607A - 一种具备感知和认知能力的智能工业机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具备感知和认知能力的智能工业机器人，包括机器人智能控制***、伺服控制部分和执行机构部分，所述机器人智能控制***与伺服控制部分、执行机构部分通过通信总线连接，所述机器人智能控制***包括一视觉集成智能控制器，所述视觉集成智能控制器分别和显示屏、算法控制器以及通信总线板连接；视觉集成智能控制器包括中央处理芯片、视觉控制模块、显示接口、键盘接口及通信接口。本发明具有智能化的预测、跟踪和校正能力，优越的运动控制功能和性能，智能化的运动控制算法，特别适用于高速、高精度精确位置控制要求的场合，强大的同步控制功能更是满足许多行业的同步控制功能需求。

Description

一种具备感知和认知能力的智能工业机器人

技术领域

本发明涉及工业机器人领域，具体涉及一种具备感知和认知能力的智能工业机器人。

背景技术

随着人力成本上涨以及工业自动化的需求，工业机器人的市场以及规模越来越大，工业机器人市场巨大，在未来仍然有广泛应用和需求。目前的机器人市场主要由外资品牌的机器人占据，国内机器人如果利用原本的成本优势，在性能研究上有所提升，将会对深圳、国家有巨大的经济效益、社会效益。本公司所正在研究的项目，将使工业机器人结合视觉、激光、超声能力而具备感知认知能力，研发软硬件完全合一的控制***，在复杂工艺与智能化应用方面，正是国内外专利中所没有的新的项目，也是克服工业机器人目前功能和性能劣势的关键技术之一。

从经济发展的角度来说，制造业是一个国家工业生产能力的基础，智能化和高精制造业是衡量一个国家工业制造水平的最重要指标之一，有了工业机器人的广泛应用，工业制造将会有更高的自动化，同样因为全是高自动化和智能化工作，产品将会有统一的标准尺寸而使得性能更高更一致。也因此解放了人的双手，使得人可以进行更高更有智力的工作。

机器人市场上，2012年中国机器人采购量到达2.3万台，中国一跃变成仅次于日本的全球第二大机器人市场，领先美国、德国。

目前国内的机器人及其控制器均处于较为落后的水平，其主要体现在精度、速度、稳定性、功能丰富性和智能化程度等方面。

当前工业机器人品牌以日本安川、发那科、川崎以及德国库卡、瑞士ABB等品牌为主，高端品牌主要是瑞士的史陶比尔，这些机器人属于通用性质，且有各自封闭的运动控制***。这些品牌的运动控制***精度高，运行稳定性高，但在外部工艺扩展和软件功能定制等方面却面临技术困难，还不具备非常人性化的二次开发能力。

视觉技术几年来蓬勃发展，实际商用的视觉识别、定位、检测、跟踪技术在业界却非常少，国内以科创、凌云品牌为主，视觉技术集合了图像处理、模式识别、自动控制、人工智能以及计算机软件等技术，在机器人、制造、监控、跟踪等领域应用广泛。将运动控制与视觉相结合的技术研究主要集中在科研领域，美国北卡罗来纳大学的视觉研究组对基于虚拟现实的视频跟踪开展了深入地研究;加拿大国家研究理事会的计算视频研究组对视觉识别与跟踪展开了大量研究。西安理工大学利用加拿大PointGreyResearch(PGR)公司的平行光轴双目视觉摄像机Bumblebee，安装在机器人上进行图像采集和视觉反馈，使机器人具备一定的感知能力。目前能够商用的视觉识别、跟踪***成本都很高。

业界基于视觉（激光、超声）的机器人运动控制还没有真正商用，而认知、感知能力是工业机器人未来的发展趋势，这一技术的有效突破将为制造业升级换代提供强有力的技术保障，在工业焊接、压铸、装配等行业具备技术优势，且能大幅降低进口成本。

目前在焊接行业的中小企业仍然以人工为主，焊接质量和效率很难保障，比如在一个底板上需要焊接几个支撑件，这个支撑件的角度精度要求很高，这种场景需要非常有经验的专家操作，现在这样的专家很难找，单纯用机器人换人，也只能适用某些简单工艺场景，复杂工艺的定位仍然困难，如果适用本项目的技术则定位、焊接、检测可以一次完成，即保障了质量，又大幅提高了效率。同样在电子行业的镀膜和装配领域，也需要精密的定位同时完成工艺，这就是项目的核心竞争优势，可以在定位的同时完成复杂工艺的轨迹控制，大幅度提高自动化和智能化，必将成为将来制造业的核心。

全球传感技术的发展已经非常成熟，包括视觉、激光、超声、红外、计量等等传感技术已经广泛应用于智能制造领域。工业机器人在很多行业应用中也使用了这些技术，而工业机器人的智能化必然要求这些传感技术更加有机的结合在一起，使其具备感知认知能力，涉及到运动算法、智能软件、计算机、自动化等行业的集成，行业的发展趋势有以下几点：

1）工业机器人和自动化设备智能化程度越来越高，精度、效率、稳定性不断提高，功能增强，而成本不断下降。

2）使用更加简单，通过传感技术的集成应用可以非常方便的实现复杂工艺和制造技术。

3）应用场景越来越多，应用范围越来越广。随着科技的进步及自动化设备行业的发展，以前不可能用自动化实现的工艺变成了可能。

4）传感器的作用日益重要，视觉、红外、超声、计量、安全光栅、矩阵式对射光纤等非接触式光电传感器应用日益广泛；多传感器融合配置技术在产品化***中已有成熟应用。

5）智能检测和远程控制在自动化设备中应用日益广泛，自动化设备的控制***植入远程网络模块及CCD摄像头，可以远距离对设备进行参数修正及指导排除故障，有利于简化及方便售后服务，使售后服务变得及时又经济。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种具有感知认知能力的机器人控制器***，使得工业机器人能在特殊场景、特殊工艺下自主应用，提高国内的智能制造水平，拉开与国外品牌的差异化竞争。

本发明是通过以下技术方案来实现的：一种具备感知和认知能力的智能工业机器人，包括机器人智能控制***、伺服控制部分和执行机构部分，所述机器人智能控制***与伺服控制部分、执行机构部分通过通信总线连接，所述机器人智能控制***包括一视觉集成智能控制器，所述视觉集成智能控制器分别和显示屏、算法控制器以及通信总线板连接，通信总线板上通过串口连接人机交互模块，算法控制器与通信总线板之间共享内存；

视觉集成智能控制器包括中央处理芯片、视觉控制模块、显示接口、键盘接口及通信接口，中央处理芯片运行嵌入式linux***，构成控制***的上位机。

作为优选的技术方案，所述上位机包括调度模块、示教控制模块、示教检查控制模块、再现控制模块、解释模块、预处理模块、通信模块、监控故障处理模块、参数设置模块以及显示模块，所述监控故障处理模块由监控模块和故障处理模块组成。

作为优选的技术方案，所述算法控制器由DSP芯片和通信接口组成。

作为优选的技术方案，所述DSP芯片包括初始化模块、运动控制模块、参数设置模块以及状态参数更新模块。

作为优选的技术方案，所述运动控制模块是算法控制器的核心模块，包括手动模式和自动模式的运动控制方式。

作为优选的技术方案，所述通信总线板包括FPGA芯片和通信总线接口。

作为优选的技术方案，还包括视觉反馈控制***及控制电源，控制电源为伺服控制部分、视觉反馈控制***和执行机构部分提供电力。

作为优选的技术方案，所述执行机构部分包括6部减速机、6个关节和6个机械臂，所述伺服控制部分包括交流伺服驱动器、编码器、电机。

作为优选的技术方案，所述视觉反馈控制***包括视觉控制器、机器人控制器、机器人动力学、机器人环境、摄影机、图像处理、图像理解及位置估计和关节控制器。

作为优选的技术方案，所述视觉模块采用通用相机。

本发明的有益效果是：本烦具有智能化的预测、跟踪和校正能力，优越的运动控制功能和性能，智能化的运动控制算法，特别适用于高速、高精度精确位置控制要求的场合，强大的同步控制功能更是满足许多行业的同步控制功能需求。该运动控制器还提供高速IO现场总线扩展接口，可进行IO的扩展，能满足多IO点控制的要求。提供C语言等函数库和Windows动态链接库，实现复杂的控制功能。用户能够将这些控制函数与自己控制***所需的数据处理、界面显示、用户接口等应用程序模块集成在一起，建造符合特定需求的控制***，以适应各种应用领域的要求。

***通过大规模集成电路集成了图像处理、运动模型、数学算法、逻辑控制、单元调度、高速通信、I/O扩展等能力，大幅降低了成本，提高集成度和控制效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的整体***方框图；

图2为视觉反馈控制***的***方框图。

具体实施方式

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

本说明书（包括任何附加权利要求、摘要和附图）中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

如图1所示，本发明的包括机器人智能控制***、伺服控制部分和执行机构部分，所述机器人智能控制***与伺服控制部分、执行机构部分通过通信总线连接，所述机器人智能控制***包括一视觉集成智能控制器，所述视觉集成智能控制器分别和显示屏、算法控制器以及通信总线板连接，通信总线板上通过串口连接人机交互模块，算法控制器与通信总线板之间共享内存；

视觉集成智能控制器包括中央处理芯片、视觉控制模块、显示接口、键盘接口及通信接口，中央处理芯片运行嵌入式linux***，构成控制***的上位机。

上位机包括调度模块、示教控制模块、示教检查控制模块、再现控制模块、解释模块、预处理模块、通信模块、监控故障处理模块、参数设置模块以及显示模块，调度模块用于在启动机器人***后，建立一个正常的工作环境，启动调度线程、通信线程、解释线程及界面线程，然后等待按键操作并监控当前机器人的状态，协调上位机的各个模块完成机器人控制；

示教控制模块通过操作轴操作键选择坐标系及速度等级来完成机器人示教运动，达到用户指定的位置，通过视觉反馈进行校正；示教检查控制模块用来检查示教好的程序是否按预想的路径或逻辑运行，通过按下“前进”或“后退”键进行逐行检查，直到达到预想的编程要求；

再现控制模块用于实现机器人的自动运行，机器人读取示教检查好的程序，根据程序的指令逐行自动运行；解释模块由词法分析、语法分析、语义分析及符号表组成，用于提取程序文件里的指令、数据及符号信息；

预处理模块用于对机器人的运动数据进行路径规划，使机器人按规划路径运行；监控故障处理模块由监控模块和故障处理模块组成，监控模块用于机器人状态监控、IO监控、位姿监控及变量监控，故障处理模块用于伺服报警错误、轨迹规划错误、通信错误及总线连接错误现象的处理；

参数设置模块用于运动参数设置、伺服参数设置、运用参数设置、轴最大速度及加速度设置、软极限设置及干涉区设置；

显示模块用于显示机器人状态、示教编程、参数设置和界面监控，为使用者显示一个友好操作界面，显示模块使用minigui，minigui是一款面向嵌入式***的高级窗口***(WindowingSystem)和图形用户界面(GraphicalUserInterface，GUI)支持***。

算法控制器由DSP芯片和通信接口组成；DSP芯片包括初始化模块、运动控制模块、参数设置模块以及状态参数更新模块；运动控制模块是算法控制器的核心模块，包括手动模式和自动模式的运动控制方式；完成机器人运动数据的正逆解算法、插补算法及轨迹规划；

参数设置模块接收上位机的轴参数设置和笛卡尔参数设置，通过算法使用轴参数和笛卡尔参数来规划机器人运动，包括各轴最大速度、加速度、加速时间及停机减速度参数；

状态参数更新模块用来更新全局状态参数、轴状态参数以及笛卡尔状态参数。通信总线板包括FPGA芯片和通信总线接口，FPGA芯片以每2ms时间间隔从DSP芯片读取一次插补数据，FPGA芯片内部再作一个六关节的数据同步处理，通过通信总线发送到机器人的六个伺服控制装置，实现机器人六轴联动控制。

机器视觉作为机器人智能控制***的一部分，其通过监控、识别、检测、测量等任务实现，反馈给控制器相关环境与作业信息，控制器据此并结合用户配置与专家库资讯，按照用户编写的任务程序完成相关动作。同时，可以实现在线校正、学习优化等功能。

如图2所示，视觉反馈控制***采用成熟运动控制模块+PC104模块形式，是具有良好性价比的运动控制平台解决方案。运动控制部分使用DSP+FPGA架构，可以实现点位控制、连续规迹控制等功能。PC104部分使用通用的X86架构，可以运行标准操作***（WinCE）。该运动控制器相较插卡式的运动控制器具有更高的可靠性、小尺寸、低***成本、开发成本和维护成本等特点，同时仍然具有嵌入式运动控制器的开放性和成熟运动控制功能的特点。通过视觉反馈，实现智能化控制，预测和跟踪运动轨迹，校正误差。

智能机器人工作流程：

1）可视化人机界面设定减速机、伺服、机械参数；

2）拖拽式设定工艺、运动轨迹；校正机器人运行精度，设定焊枪坐标和工件坐标；

3）通过视觉***分析记忆原点坐标，启动机器回原点，本体机构到达***指定位置，焊枪回到工作原点坐标；

4）示教工艺后，把***切换到自动运行模式，在安全光栅无遮挡的情况下启动运行；

5）工件定位准确，视觉抓取图像，进行图像处理，跟踪工艺轨迹；

6）夹紧工件；

7）调用工艺程序自动运行，机器人将根据工艺轨迹运行；

8）调整焊机参数，确保焊接效率和精度；

9）视觉***跟踪轨迹，对误差予以实时校正，保障焊接精度；

10）焊接完成时机器人回到原点；

11）取走工件，加装工件，循环焊接。

1、大幅降低劳动强度、改善品质、提高生产效率

通过工业机器人和机械手代替人工作业，已经在很多行业应用，在焊接、喷涂等高污染、高劳动强度行业大大的解放了人力资源，而具备感知能力的智能机器人可以应用于精密制造比如装配、焊接、码垛等行业，通过简易的操作即可完成复杂的工艺流程，大幅降低自动化集成难度，降低对作业人员的技能要求，把作业员彻底的从枯燥乏味、高强度的劳度中解脱出来，让工作变得轻松愉快。

智能工业机器人参数自由设定，让频繁的产品更换变得如此简单，只需输入几个数字即可。智能工业机器人在提高智能制造易用性的基础上，也大幅降低了成本，具备很高的性价比，对广大的中小制造企业升级换代，实现自动化作业提供了可靠的保障。同时为企业提高了效率和产品质量，企业以较低的投资获取更大的利润。智能机器人的使用是制造业发展的必然趋势，必将为中国智能制造战略做出更大的贡献。

2、广泛的适用性，优良的稳定性，快速且平滑的速度控制

基于视觉（超声、激光、红外、计量等）等传感技术与工业机器人的有机结合，使得智能工业机器人的适用性更加广阔，尤其在精密制造行业前景光明，相比于普通的工业机器人，智能机器人的性能优越，控制灵活，使用简便，具备更高的稳定性，对广大制造企业来说也具备更高的性价比。

3、拥有智能化的运动控制、动态跟踪等丰富功能

在精密装配和精密制造的行业中，很多场景应用到精确定位、精确跟踪、误差实时校正、实时监测等功能，智能机器人恰恰适用这一需求，具备这种能力。

4、实现运动前瞻、避障、参数识别等先进算法

通过赋予机器人感知认知能力，使得智能工业机器人在实际应用中具备超前的判断能力，减少了事后的处理，大大提高了效率和产品质量。

5、可视化人机交互

智能工业机器人具有可视化的人机界面，每个界面可自由切换，参数设置简单易用，I/O页可以轻松查看各输入输出点的状态，判别各感应器是否正常，大大降低对使用者的技能要求，解决企业养人的痛点。

6、操作简单，上岗容易

实现机器视觉与运动控制***模块化且有机结合。基于此功能模块化、流程一体化的智能控制***，能够更加简便的完成视觉与机器人的标定，并配置相关任务以协同完成。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何不经过创造性劳动想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书所限定的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种具备感知和认知能力的智能工业机器人，其特征在于：包括机器人智能控制***、伺服控制部分和执行机构部分，所述机器人智能控制***与伺服控制部分、执行机构部分通过通信总线连接，所述机器人智能控制***包括一视觉集成智能控制器，所述视觉集成智能控制器分别和显示屏、算法控制器以及通信总线板连接，通信总线板上通过串口连接人机交互模块，算法控制器与通信总线板之间共享内存；

视觉集成智能控制器包括中央处理芯片、视觉控制模块、显示接口、键盘接口及通信接口，中央处理芯片运行嵌入式linux***，构成控制***的上位机。

2.根据权利要求1所述的具备感知和认知能力的智能工业机器人，其特征在于：所述上位机包括调度模块、示教控制模块、示教检查控制模块、再现控制模块、解释模块、预处理模块、通信模块、监控故障处理模块、参数设置模块以及显示模块，所述监控故障处理模块由监控模块和故障处理模块组成。

3.根据权利要求1所述的具备感知和认知能力的智能工业机器人，其特征在于：所述算法控制器由DSP芯片和通信接口组成。

4.根据权利要求3所述的具备感知和认知能力的智能工业机器人，其特征在于：所述DSP芯片包括初始化模块、运动控制模块、参数设置模块以及状态参数更新模块。

5.根据权利要求4所述的具备感知和认知能力的智能工业机器人，其特征在于：所述运动控制模块是算法控制器的核心模块，包括手动模式和自动模式的运动控制方式。

6.根据权利要求1所述的具备感知和认知能力的智能工业机器人，其特征在于：所述通信总线板包括FPGA芯片和通信总线接口。

7.根据权利要求1所述的具备感知和认知能力的智能工业机器人，其特征在于：还包括视觉反馈控制***及控制电源，控制电源为伺服控制部分、视觉反馈控制***和执行机构部分提供电力。

8.根据权利要求7所述的具备感知和认知能力的智能工业机器人，其特征在于：所述执行机构部分包括6部减速机、6个关节和6个机械臂，所述伺服控制部分包括交流伺服驱动器、编码器、电机。

9.根据权利要求7所述的具备感知和认知能力的智能工业机器人，其特征在于：所述视觉反馈控制***包括视觉控制器、机器人控制器、机器人动力学、机器人环境、摄影机、图像处理、图像理解及位置估计和关节控制器。

10.根据权利要求9所述的具备感知和认知能力的智能工业机器人，其特征在于：所述视觉模块采用通用相机。