CN107367993A - 用于六自由度机械臂示教的数据采集器*** - Google Patents

用于六自由度机械臂示教的数据采集器*** Download PDF

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禹鑫燚
陈志南
张强
欧林林
杨帆
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Abstract

用于六自由度机械臂示教的数据采集器***,数据采集器连接MCU主控模块,MCU主控模块通过WiFi无线连接PC端,数据采集器与示教机械臂关节的六个绝对式编码器通过RS485电路进行双向通信连接,六个绝对式编码器分别对应机械臂的六个自由度;数据采集器输出数据给MCU主控模块,MCU主控模块输出数据给PC端,PC端输出操作指令给MCU主控模块,MCU主控模块输出操作指令给数据采集器;数据采集器和示教机械臂、MCU主控模块都连接外接电源模块。

Description

用于六自由度机械臂示教的数据采集器***
技术领域
本发明涉及一种机械臂示教的采集器***,尤其是一种用于六自由度机械臂示教的数据采集器***。
背景技术
随着各行业对工业机器人的广泛使用,他们期望机器人可以在最短时间,以更简单的方式,完成更加复杂的任务,尤其是喷涂、焊接、抛光打磨等轨迹规划复杂的行业。目前工业机器人的使用,距离实现完全智能化还有一段距离,大多数任务的完成主要依靠示教——再现形式实现,那么如何实现示教依然是机器人执行加工任务前的一项重要工作。示教——再现中的“示教”顾名思义为示范教导的意思,即在机器人正常加工之前,操作者利用某种交互方式示范执行加工任务时所需动作,并且将示教过程记录在存储器中。“再现”即对示教的过程重现,利用存储器中的数据,经过一定的转换,并经由机器人的驱动器、控制器实现机器人对工件的加工动作。示教-再现的工作,一般包括示教轨迹点的位置、姿态,运动过程中的速度、加速度。
传统的数据采集器***没有使用WiFi无线通信,因此需要复杂的接线工作,并且连接线长度也限制了示教工作的空间,也不具有数据保密性。传统的机械臂示教***采集频率和通信频率不够高,不能达到高精度高效率的工业示教工作要求。大部分数据采集器不能反馈控制过程中的各项工作状态和参数,交互性能较低,因此不能让用户有良好的操作体验,无法达到较好的示教效果。因此需要一种有较高采集频率和无线通信频率的数据采集器,而且能够及时反馈工作状态和参数,可以适应各种工业生产要求的示教工作,并带给用户良好的操作体验。
目前,针对机械臂示教的数据采集器***的设计主要集中在数据采集器结构和有线通信等方面,针对无线通信、高效采集频率和通信频率方面的研究较少。朱茂娟、王林冰、曾奇等提出一种机器人及其示教通信***(朱茂娟,王林冰,曾奇等.机器人及其示教通信***:中国,205620710[P].2016-01-04),实现了示教采集器与控制器之间的数据通信,但是通信频率较低,不能满足高精度高效率的工业生产要求;陈恳、任书楠、王国磊等提出了一种工业机器人示教***(陈恳,任书楠,王国磊等.工业机器人示教***:中国,104700705[P].2015-06-10),该***能够完成示教采集、数据通信和示教控制,但是通信方式是有线的,具有空间局限性且缺少保密性。
发明内容
本发明要克服现有技术的上述缺点,本发明提出一种用于六自由度机械臂示教的数据采集器***。
首先该***能够根据指令及时反馈工作状态和参数,让用户可以直观地跟踪整个示教过程;其次该***使用了WiFi无线通信方式,实现了无线控制,建立连接方便,数据的传输高效稳定,没有了数据线的限制,工作空间得以扩展;最后采该***的采集频率和通信频率非常高,能够满足高精度高效率的工业示教工作要求。
本发明为解决现有技术问题所采用的技术方案是:
一种用于六自由度机械臂示教的数据采集器***,其特征在于:数据采集器连接MCU主控模块,MCU主控模块通过WiFi无线连接PC端,数据采集器与示教机械臂关节的六个绝对式编码器通过RS485电路进行双向通信连接,六个绝对式编码器分别对应机械臂的六个自由度;数据采集器输出数据给MCU主控模块,MCU主控模块输出数据给PC端,PC端输出操作指令给MCU主控模块,MCU主控模块输出操作指令给数据采集器;数据采集器和示教机械臂、MCU主控模块都连接外接电源模块;各模块具体构成是:
供电模块,其输入为+24V交流电压,电压输入后首先经过保护电路,保护电路可以防止电流回流对电源产生影响和破坏。之后+24V交流电压进入稳压滤波电路,再将稳压滤波后的+24V交流电压作为六自由度示教机械臂关节中的绝对式编码器的供电电源。然后+24V交流电压经过降压电路、整流电路和稳压滤波电路分别转变为+5.4V直流电压和+3.3V直流电压,+5.4V直流电压用于给部分数据采集电路供电,+3.3V直流电压用于给MCU和部分数据采集电路供电。
数据采集模块,通过RS485电路与六自由度示教机械臂关节中的绝对式编码器连接,通过串口与MCU的主芯片连接。当数据采集模块收到MCU主控模块发来的控制指令后,通过RS485电路对六个绝对式编码器发送广播指令或查询指令代码,编码器根据相应指令返回某个关节的实时角度数据或者六个关节的实时同步运动角度数据,采集模块再将角度数据通过串口发送给MCU主控模块。
MCU主控模块,包括主芯片和其它辅助电路,负责各种通信功能的配置以及指令和数据的处理。MCU主控模块控制数据采集器通过WiFi通信模块与PC端建立连接;将接收到的一个或多个编码器的角度信息进行整合处理,并通过WiFi通信模块发送给PC端;通过WiFi通信模块接收来自PC端的各种指令,做出相应处理,包括向PC端发送连接响应、采集准备就绪信号、停止采集信号、采集频率设置成功或失败响应、采集频率和采集周期信息、修改各轴地址成功或失败响应、各轴地址信息等,和向数据采集模块发送开始采集指令、停止采集指令等,以及修改各轴地址、修改采集频率。
WiFi通信模块,由下位机数据采集器的WiFi模块开启WiFi热点,PC端通过无线网络连接接入热点,采用UDP通信协议模式建立无线连接,并通过WiFi透传模式快速传输数据。通过WiFi通信模块,PC端可以向数据采集器发送各种控制指令,数据采集器可以向PC端发送角度和参数信息。其数据传输方式采用UDP通信协议,数据采集器与PC端互相锁定了对方的IP地址和端口号,为一对一的通信,第三方无法再接入连接,保证了数据传输的保密性;对指令、参数、角度数据都做了校验,保证了数据传输的正确性;采用WiFi透传模式,数据的无线收发几乎无延迟,保证了数据传输的高效性;所用的WiFi模块传输距离远穿墙能力强,并且一旦锁定了双方的IP地址和端口号后,无论是数据采集器或是PC端单方断电掉线重连后都能直接继续进行数据传输,保证了数据传输的稳定性。
用户可使用PC端交互软件无线控制数据采集器。用户对六自由度机械臂进行直接示教,数据采集器将按照关节顺序采集六个绝对式编码器的同时刻角度信息,并通过WiFi通信将角度信息无线发送给PC端,用于最终生成示教轨迹控制文件以控制工作机械臂完成示教作业。数据采集器***具有较高的数据采集频率和WiFi通信频率,能够满足高精度高效率的工业机器人示教作业要求。
本发明的优点和积极效果是:
本发明比较其它类别的机械臂示教数据采集器,成本低廉,结构简单,搭建方便,便于操作,可以满足各种不同类型的用户需求。能够及时反馈工作状态和参数,让用户可以直观地跟踪整个示教过程,使用了WiFi无线通信方式,连接方便,数据传输高效稳定,工作空间得以扩展,采集频率和通信频率非常高,能够满足高精度高效率的工业示教工作要求。一种用于六自由度机械臂示教的数据采集器***是进行喷涂、焊接、抛光、打磨等复杂工作的行业的优良选择,专业化、低成本、便安置、易操作、通用性强等特点方便了所有厂家和操作者。
附图说明
图1为本发明的平台组成示意图。
图2为本发明的控制原理框图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明做进一步详述。
一种用于六自由度机械臂示教的数据采集器***,如图1所示,平台组成主要包括PC端交互软件1、六自由度机械臂2和数据采集器3。PC端交互软件1安装在用户的电脑上,便于用户进行各种设置和操作;PC端交互软件1与六自由度机械臂2之间用数据线连接,此时六自由度机械臂2作为工作机械臂,PC端交互软件1可以将控制六自由度机械臂2执行示教轨迹;PC端交互软件1与数据采集器3之间通过WiFi模块无线连接,PC端交互软件1可以给数据采集器3下达各种设置和操作指令,数据采集器3将参数和角度信息反馈给PC端交互软件1;数据采集器3与六自由度机械臂2之间通过RS485电路连接,此时六自由度机械臂2作为示教机械臂,数据采集器3可以对六自由度机械臂2发送广播和查询指令,六自由度机械臂2向数据采集器3返回相应的角度数据信息;电源模块4外接+24V电源,数据采集器3与电源模块4通过电线连接,电源模块4给数据采集器3提供所需的工作电压。
结合图1和图2,本发明专利的具体实施方式如下:
PC端交互软件安装在用户的电脑上,数据采集器连接电源模块。按照对图1的描述搭好机械臂示教平台后,用户即可进行六自由度机械臂的示教操作。
用户将供电模块外接+24V电源,供电模块采用了LM2576S系列降压芯片和B0505S系列电源芯片,供电模块对外接电压进行降压稳压之后分别给MCU模块、RS485电路和编码器提供+3.3V、+5.4V和+24V电源。
MCU主控模块采用了STM32F103系列主芯片,需要+3.3V外部供电,由供电模块提供。MCU主控模块可以控制WiFi通信模块开启WiFi热点,并建立数据采集器与PC端的WiFi通信连接;MCU主控模块接收到PC端发来的读取编码器轴地址指令后,可以读取当前各关节中的编码器的轴地址,并通过WiFi通信模块向PC端反馈当前各个编码器的轴地址;接收到PC端发来的修改编码器轴地址指令后,完成该编码器轴地址的修改,并向PC端反馈修改成功响应;接收到PC端发来的修改采集频率指令后,完成采集频率和周期的修改,并向PC端反馈修改成功响应;接收到PC端发来的查询采集频率和周期指令后,向PC端反馈当前采集频率和周期;接收到PC端发来的开始采集指令后,控制数据采集模块进行示教角度数据采集,并向PC端发送角度数据;接收到PC端发来的停止采集指令后,停止数据采集模块的采集工作,并向PC端反馈停止采集响应。
WiFi模块采用了ESP8266WiFi模块,MCU模块上电后开始自动设置ESP8266WiFi模块的WiFi热点的账号和密码并开启WiFi热点,设置数据传输协议为UDP协议,设置通信方式为透传模式,设置数据采集器的本机IP地址和端口号,并锁定PC端交互软件的IP地址和端口号;PC端使用无线网络连接功能接入该WiFi热点。
数据采集模块电路主要由串口和RS485电路组成,MCU主控模块收到开始采集指令后控制数据采集模块执行采集功能,数据采集模块根据采集周期定时按关节顺序向各个编码器发送广播指令和查询指令;采集期间由操作人员手持示教机械臂末端进行示教操作,数据采集模块收到六个编码器的角度数据传给MCU主控模块整合后,通过WiFi通信模块向PC端发送实时角度数据,PC端将收到的角度数据发送给交互界面模块显示并保存成角度数据包。
以上是整个***的控制情况,WiFi模块的存在,让用户的操作变得简单方便,操作空间得以拓展,数据传输保密且稳定;较高的采集频率和数据传输频率,使得数据采集器可以适用于高精度高效率的工业示教生产要求。
要强调的是,本发明所述的实施例是说明性的,而不是限定性的,因此本发明包括并不限于具体实施方式中所述的实施例,凡是由本领域技术人员根据本发明的技术方案得出的类似的其它实施方式,同样属于本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种用于六自由度机械臂示教的数据采集器***,其特征在于:数据采集器连接MCU主控模块,MCU主控模块通过WiFi无线连接PC端,数据采集器与示教机械臂关节的六个绝对式编码器通过RS485电路进行双向通信连接,六个绝对式编码器分别对应机械臂的六个自由度;数据采集器输出数据给MCU主控模块,MCU主控模块输出数据给PC端,PC端输出操作指令给MCU主控模块,MCU主控模块输出操作指令给数据采集器;数据采集器和示教机械臂、MCU主控模块都连接外接电源模块;各模块具体构成是:
供电模块,其输入为+24V交流电压,电压输入后首先经过保护电路,保护电路可以防止电流回流对电源产生影响和破坏;之后+24V交流电压进入稳压滤波电路,再将稳压滤波后的+24V交流电压作为六自由度示教机械臂关节中的绝对式编码器的供电电源;然后+24V交流电压经过降压电路、整流电路和稳压滤波电路分别转变为+5.4V直流电压和+3.3V直流电压,+5.4V直流电压用于给部分数据采集电路供电,+3.3V直流电压用于给MCU和部分数据采集电路供电;
数据采集模块,通过RS485电路与六自由度示教机械臂关节中的绝对式编码器连接,通过串口与MCU的主芯片连接;当数据采集模块收到MCU主控模块发来的控制指令后,通过RS485电路对六个绝对式编码器发送广播指令或查询指令代码,编码器根据相应指令返回某个关节的实时角度数据或者六个关节的实时同步运动角度数据,采集模块再将角度数据通过串口发送给MCU主控模块;
MCU主控模块,包括主芯片和其它辅助电路,负责各种通信功能的配置以及指令和数据的处理;MCU主控模块控制数据采集器通过WiFi通信模块与PC端建立连接;将接收到的一个或多个编码器的角度信息进行整合处理,并通过WiFi通信模块发送给PC端;通过WiFi通信模块接收来自PC端的各种指令,做出相应处理,包括向PC端发送连接响应、采集准备就绪信号、停止采集信号、采集频率设置成功或失败响应、采集频率和采集周期信息、修改各轴地址成功或失败响应、各轴地址信息等,和向数据采集模块发送开始采集指令、停止采集指令等,以及修改各轴地址、修改采集频率;
WiFi通信模块,由下位机数据采集器的WiFi模块开启WiFi热点,PC端通过无线网络连接接入热点,采用UDP通信协议模式建立无线连接,并通过WiFi透传模式快速传输数据;通过WiFi通信模块,PC端可以向数据采集器发送各种控制指令,数据采集器可以向PC端发送角度和参数信息。
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