一种坐标式焊接机器人控制系统、方法和机器人

1.本发明涉及工业机器人控制技术领域，具体涉及一种坐标式焊接机器人控制系统、方法和机器人。


背景技术：

2.据中国机器人产业发展报告显示，中国机器人市场约占全球的1/3，预计2021年将从2019年57.3亿美元增长到70亿美元，现在焊接机器人占全球工业机器人的40％以上,焊接机器人可在高温、缺氧、有毒等高危环境下工作，能很好地完成重复性工作，提高工厂生产效率。而焊接机器人的重复精度和稳定性与控制系统软硬件的稳定性和可靠性息息相关。
3.控制焊接机器人轨迹规划的软件和硬件被称为焊接机器人控制系统。焊接机器人系统中的传统示教器多是基于linux和wince进行开发，wince有丰富的gui库，能缩短开发周期，但它不支持跨平台。linux内核小，资源占有率低，图形界面支持效果差。
4.焊接系统种类繁多，单从处理器结构上就可分为以单片机、plc、专用微处理器、pc+运动控制卡和以arm、dsp、fpga等嵌入式芯片为核心的控制系统。早期机器人控制器常采用以mcu为核心的控制器。但随着技术的发展，对控制器的计算速度大幅度提高，仅凭单片机不能满足对复杂算法进行高速运算的要求。后来很多制造商提供了整套以plc作为核心控制器的解决方案，以plc为核心的机器人系统不仅技术成熟可靠、在扩展性和互换性等方面都有很好的优势，大大缩短了开发周期，但是plc不支持复杂的算法，处理的数据较简单，不能满足多轴联动这类复杂的运动轨迹。再后来以pc+运动控制卡作为机器人控制系统的核心。运动控制卡可用于各种运动场合，大多用来控制步进电机和伺服电机，该结构可充分利用pc的资源，实时控制机器人运动并检测其状态，确保系统的位置与速度控制精度，虽能缩减开发时间，但成本高且不利于进行二次开发。


技术实现要素：

5.本发明解决的一个主要问题是传统焊接机器人控制系统稳定性和可靠性差，以及控制器开发成本高的的问题。
6.本发明提供一种坐标式焊接机器人控制系统，包括上位机、下位机、硬件模块和机器人外围设备，所述上位机与所述下位机连接，用于输入，和/或，输出运动控制指令；
7.所述下位机用于运行控制算法，并生成控制焊机的控制逻辑；
8.所述硬件模块用于通过拓展板接口接收所述控制逻辑，并将所述控制逻辑传输至所述机器人外围设备。
9.进一步地，所述下位机的系统架构为：
10.soc fpga架构或arm+fpga架构，所述soc fpga架构为在单一芯片上集成arm处理器和fpga的soc芯片。
11.进一步地，所述上位机包括：
12.示教器，所述示教器使用android系统开发，用于实现人机交互、示教、编辑应用程序、设置控件设备参数和显示当前被控对象状态。
13.进一步地，所述上位机还包括：
14.遥杆控件，所述遥杆控件用于通过遥杆采样板上的串口向所述示教器发送控制指令。
15.进一步地，所述示教器还用于转换处理所述控制指令，并将转换处理后的控制指令发送给所述下位机。
16.进一步地，所述机器人外围设备包括：
17.数字焊机、轴电机、轴电机驱动、位置传感器、焊缝追踪装置、送丝机和清枪站；
18.所述数字焊机通过第一io扩展接口与所述硬件模块连接；
19.轴电机驱动接收所述硬件模块发出的脉冲差分信号，驱动所述轴电机运转；
20.所述位置传感器通过第二io扩展接口与所述硬件模块连接；
21.所述焊缝追踪装置通过拓展板上的扩展串口与所述硬件模块通信连接；
22.所述送丝机通过第三io扩展接口与所述硬件模块连接，或通过所述扩展串口与所述硬件模块通信连接；
23.所述清枪站通过第四io扩展接口与所述硬件模块连接，或通过所述扩展串口与所述硬件模块通信连接。
24.进一步地，所述轴电机驱动为8轴驱动。
25.进一步地，所述上位机还包括：
26.软件控制层，所述软件控制层用于监听用户按钮事件和摇杆串口事件，从而得到监听信息；
27.软件视图层，所述软件视图层用于接收所述监听信息后更新视图，并输入控制指令。
28.根据本发明的另一个方面，还公开一种坐标式焊接机器人运动控制方法，其特征在于，如前任一所述的一种坐标式焊接机器人控制系统运行时用于实现所述坐标式焊接机器人控制方法，所述坐标式焊接机器人控制方法包括：
29.解析线程数据，得到示教器的原始关节角；
30.规划运动轨迹和运动速度，得到插补后的目标关节角序列；
31.将所述目标关节角序列转换为轴电机的轴在每个时刻发送的脉冲数；
32.将所述脉冲数发送至fpga以驱动电机转动；
33.电机转动的同时，监测线程，得到所述轴电机的轴的运动量；
34.将所述运动量回传到上位机进行数据存储和展示。
35.根据本发明的再一个方面，还公开一种坐标式焊接机器人，其特征在于，所述坐标式焊接机器人包括机器人本体和如前任一所述的一种坐标式焊接机器人控制系统，所述坐标式焊接机器人控制系统用于控制所述机器人本体执行焊接。
36.本发明在主控制器上采用了嵌入式处理器作为系统核心控制器，核心控制器soc fpga架构既拥有fpga高速并行处理和定制灵活的优势，又拥有arm处理器实现灵活控制、图形界面显示和网络传输方面的优势。相较于处理器+fpga架构来说，两者间的通信宽带和通信效率大幅度提高。soc fpga采用的是片上集成方式，在同一芯片上集成了fpga和hps系
统，两者间设计了高达128位的数据位宽，运行频率达200mhz高速并行总线，大大提高了两者间的通信带宽和通信效率。还可根据工程需求定制soc系统，选择外设、存储器和接口，还能嵌入自己特有的功能由于焊接机器人控制系统需要工作在稳定可靠的散热环境下，嵌入式ic功耗低，体积小，无风扇设计也可有效保证系统稳定性和可靠性；另外它成本低且可靠性高，具有良好的扩展性，技术资料开放，开发难度低，其多任务的特点能有效提高数据处理的速度。
附图说明
37.本发明构成说明书的一部分附图描述了本发明的实施例，并且连同说明书一起用于解释本发明的原理。
38.图1为本发明实施例中焊接机器人控制系统总体架构示意图。
39.图2为本发明实施例中soc简化系统硬件设计结构示意图。
40.图3为本发明实施例中示教器与控制器的通信模型示意图。
41.图4为本发明实施例中焊接机器人控制系统硬件总体架构示意图。
42.图5为本发明实施例中上位机mvc模式图。
43.图6为本发明实施例中下位机软件架构图。
44.图7为本发明实施例中焊接机器人运动规划算法流程图。
45.图8为本发明实施例中带姿态变换的直线焊缝示意图。
46.图9为本发明实施例中圆弧焊缝示意图。
47.图10为本发明实施例中整圆形焊缝工件示意图。
48.图11为本发明实施例中协同焊接方式和焊接效果示意图。
49.图12为本发明实施例中摆焊焊接效果示意图。
50.图13为本发明实施例中激光跟踪焊接效果示意图。
具体实施方式
51.下面将结合附图来详细描述本发明的各种示例性实施例。应注意到：除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。
52.同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。
53.以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。
54.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
55.对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。
56.在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。
57.应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一
个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
58.实施例一，如图1所示，为焊接机器人控制系统的总体架构，除了机器人外围设备(以下简称外设)和本体结构外，整个系统分解为上位机、下位机和硬件三大模块；
59.上位机主要负责人机交互，用户可以通过摇杆的控制方式精准的控制机器人移动，也可以通过触屏的方式与机器人进行交互，上位机通过以太网的方式与下位机连接通信；
60.下位机是由一个arm+fpga的soc构成，在arm层进行整个机器人的逻辑控制，包括通信、算法和工艺控制等控制，是整个控制系统的核心部分，而在fpga层提供各类接口与硬件层进行数据的交互；
61.硬件部分主要是将fpga中定义的引脚地址扩展出来，通过拓展板拓展的接口与外围设备对接。
62.1.1嵌入式处理器选型：
63.通常传统的嵌入式系统架构设计生产成本高，且受限于pcb走线和i/o引脚性能，因此本专利采用soc fpga架构，如图2所示，即在单一芯片上集成arm处理器和fpga的新型soc芯片，它有如下优势：
64.(1)既拥有fpga高速并行处理和定制灵活的优势，又拥有arm处理器实现灵活控制、图形界面显示和网络传输方面的优势。
65.(2)相较于处理器+fpga架构来说，两者间的通信宽带和通信效率大幅度提高。soc fpga采用的是片上集成方式，在同一芯片上集成了fpga和hps系统，两者间设计了高达128位的数据位宽，运行频率达200mhz高速并行总线，大大提高了两者间的通信带宽和通信效率。
66.(3)用户可根据工程需求定制soc系统，选择外设、存储器和接口，还能嵌入自己特有的功能，设计出有竞争优势的处理器。
67.(4)采用soc fpga可缩短产品上市时间，基于arm处理器中的linux操作系统开发软件，可有效缩减开发时长；充分发挥fpga的可编程逻辑优势，建立有竞争优势的通用硬件。
68.本发明旨在开发一个功能完备的经济型焊接机器人控制系统硬件，intel公司针对中低端应用推出了arria v、和cyclone v两个系列，针对高端应用推出了arria 10系列，综合表2列出的soc fpga关键特性，本实施例中选用cyclone v系列的de0
‑
nano
‑
soc作为系统核心板。
69.表2 soc fpga关键特性
[0070][0071]
选择cyclone v se 5csema4u23c6n型号的soc fpga作为核心处理器，它有三个50mhz时钟，40k个可编程逻辑单元，2460k嵌入式内存，5个模拟锁相环pll，2个硬盘控制器，1个4线spi接口，一个usb
‑
blaster ii接口；而双核cortex
‑
a9 arm核心有1gb ddr3 sdram和可烧录linux系统的sd卡。
[0072]
1.2示教器(工业安卓屏)选型
[0073]
本实施例选择的迈充科技y7p10安卓屏的wifi性能总体比其他安卓屏高，y7p10安卓屏采用4核cortex
‑
a7架构，主频1.2ghz的cpu。采用12v供电，标配7寸、分辨率为1024*600的ips电容触摸屏，2片512mb ddr3共1gb运行内存，含4路rs
‑
232，1路rs
‑
485，4路usb，百兆以太网接口，完全可以提供一个可靠友好的人机界面，示教和编辑应用程序，实现工具参数、外部轴参数和外部设备参数的设置以及焊接机器人状态的显示。
[0074]
1.3焊机选型
[0075]
由于在焊接领域，数字式焊机应用得越来越广泛。它主要依靠软件实现功能，可综合多种焊接功能于一体。与传统焊机相比，数字化焊机具有更高的可靠性和稳定性，还具有安全节能的特点，更适合用于自动化焊接。数字化逆变焊机将是焊机今后发展的主流方向，因此，本发明选用麦格米特artsen plus系列的全数字igbt逆变多功能焊机，具体型号为artsen plus 500dr，当此焊机与全数字控制的送丝机连接后能选择基于实时能量控制的直流、脉冲和双脉冲焊接三种方式，也可定制特殊的焊接控制方式。
[0076]
1.4驱动器选型
[0077]
本系统采用脉冲加方向控制电机运转，焊接机器人末端配备的焊枪负载小，对驱动器力矩和负载能力要求不高，但期望有较高精度和设计的焊接机器人，控制位置的各个轴需要的额定功率在700w左右，控制姿态的各个轴需要的额定功率为200w。
[0078]
基于以上条件，本发明实施例选用松下(panasonic)a4系列的mcdjt3220交流伺服驱动器，该型号的驱动器主要是对驱动器的功能进行了简化是一款专门用于位置控制的经济型伺服驱动器，适用功率为50w
‑
50kw的电机。
[0079]
驱动机位置控制方式有三种，一是集电极开路指令脉冲输入，频率可达200khz，最小脉动宽度2.5us；二是差分指令脉冲输入，脉冲频率可达500khz，最小脉动宽度1us；三是高速差分指令脉冲输入，最高达4mhz，最小脉动宽度0.125us。
[0080]
1.5通信方式选择
[0081]
如图3所示，为示教器与控制器的通信模型，示教器中的示教盒属于可移动的手持
设备，采用无线通信方式可提高它的移动性与灵活性。近年来，应用广泛并具有发展前景的无线通信方式如表4所示：
[0082]
表4无线通信方式
[0083][0084][0085]
由于焊接机器人控制系统任务复杂，传输的数据多，就目前的无线通信方式来说，wifi覆盖广，对示教盒没有位置要求，传输速率快，技术开发难度低，后期维护成本低，使用期间无需其他费用。故本实施例中的焊接机器人控制系统无线通信采用wifi方式，但为了防止通信在强干扰环境下受到影响，在一些实施例中还设计了rs485和网线这两种通信方式。
[0086]
1.6硬件架构设计
[0087]
de0
‑
nano
‑
soc v 5csema4u23c6n作为控制系统硬件的控制核心，迈充科技y7p10安卓屏作为示教器，控制器和示教器之间可采用wi
‑
fi、485和网线方式通信，结合嵌入式、android系统、wi
‑
fi技术和串口通信技术设计出可靠性高、操作简单并有良好人机交互的控制系统硬件，为此确定系统硬件总体架构，见图4。
[0088]
由于安卓工业屏没有额外的引脚，不能直接进行扩展，因此做一个摇杆采样板，通过rs
‑
232串口将摇杆数据传给示教器，经转换处理后再下发给核心板控制机器人各轴进
给。
[0089]
1.7上位机系统软件设计
[0090]
上位机使用android开发，使用一个android工业屏幕和摇杆外设作为硬件基础，上位机程序可以响应用户的触控操作，以及提供了摇杆的操作方式，让用户更方便的控制机器人的单轴运动。
[0091]
如图5所示为上位机mvc模式图，结合mvc设计模式，将上位机模型层分为这几个部分，安卓屏与摇杆之间的串口通信及数据处理，示教器与下位机的socket通信数据处理，机器人参数和速度，工艺等参数设置等。
[0092]
视图层主要可以分为这5种界面：机器人类型的选择，欢迎界面，主界面，示教界面，焊接/抓取界面，文件管理界面，参数设置界面；在参数设置界面为了充分利用界面空间，采用安卓中的fragment进行设计，参数设置中分为普通参数，结构参数，回零测定，工具坐标系的标定，限速设定，输入输出口，报警设置，和控制系统8个碎片部分。
[0093]
控制层主要分为用户按钮事件监听，摇杆串口事件的监听，通过监听到用户触摸电机或者摇杆的移动，及时更新视图，并且操控相应的模型实现相应的功能。
[0094]
1.8示教器主要界面功能
[0095]
人机交互界面，是用户体验的重要一部分，按照示教再现的步骤和实际需求，示教器应当包含如下功能界面：
[0096]
首先应该是对机器人进行脉冲当量的校准，因此在参数设置界面需要增加每个轴的脉冲当量的设定界面；校准完成后需要设定机器人相关参数，包括速度，加速度，焊接工艺的选择；参数设定完成就可以按照指定的位姿进行机器人的回零操作；回零完成，即可对机器人进行示教、运动的功能了；最后为了方便管理示教文件，需要设计一个文件管理功能模块。
[0097]
1.9下位机软件架构设计
[0098]
下位机由一个arm硬核和一个fpga硬核组成，在arm中嵌入了一个linux系统，开发c++程序与上位机进行通信，提供机器人轨迹规划、姿态规划等相关算法，负责所有的业务请求。
[0099]
下位机软件架构图如图6所示，下位机系统处于整个控制系统的中间层，主要是对用户指令的响应和对外设信号与数据的反馈，程序由6个线程构成，分别是数据接收线程、数据解析线程、运动线程、信号监听线程、tcp心跳线程和主监测线程组成。
[0100]
数据接收线程主要对上位机下发的数据进行接收，只对接收到的数据进行分割，并判断是否符合协议规则。每一个数据序列都是由指令字、长度、数据和校验位组成，在数据接收线程对数据长度和校验位进行验证。验证通过，则将数据放入消息队列，等待数据解析线程解析。验证失败，则向上位机反馈错误，请求重发指令且向用户报告错误。
[0101]
运动线程以轮询的方式，对单轴运动、示教运动和自动焊接等各个运动状态标志进行判断，如果其中一种运动标志被改变了，该线程就对此运动进行响应，发送相应的脉冲给fpga接口，进一步驱动机器人运动。
[0102]
信号监听线程也是以轮询的方式在系统中存在，fpga提供每个io口的地址接口，通过这些地址接口，对每个传感器的信号进行读取。当外部信号触发时，信号监听线程将不同传感器数据返回给上位机，用户通过上位机对传感器状态的显示，判断当前机器人的运
动状态。信号监听线程也可通过fpga提供的232或者485接口，获得焊缝追踪系统返回的偏移数据，并在下位机实时的对姿态进行修正。
[0103]
tcp心跳线程主要用于保证上下位机能够及时的获取当前网络的连接状态，上位机每隔一定时间向下位机发送一个心跳协议，下位机接收到协议后，将心跳标志激活。tcp心跳线程每个三个心跳周期检测一次心跳标志，如果心跳标志未被激活，则表示网络断开，下位机会停下所有运动，避免发生碰撞。
[0104]
主监控线程作为整个下位机的主线程，从系统上电开始，到断电结束，此线程一直存在于系统当中。该线程的主要作用是确保上下位机同时进行系统的初始化，每次用户重启上位机程序时，需要重新建立通信连接和重新初始化下位机。在主监控线程主要对socket通信状态进行监听，如果有新的连接请求，则结束旧的socket连接，释放系统资源，并复位整个下位机控制系统，保证上下位机同时初始化。
[0105]
如图7所示，关于机器人的运动算法主要在自动焊接模块中实现，通过数据解析线程解析，得到示教的原始关节角后，通过轨迹规划和速度规划得到插补后得到的目标关节角序列，转换为每个轴在每个时刻发送的脉冲数，发送到fpga，进而驱动每个轴的电机转动，完成轨迹运动；焊枪标定算法则是通过信号监测线程读出每个轴的运动量，并调用焊枪标定算法接口，完成对标定结果计算，最后回传到上位机进行数据存储和展示。
[0106]
1.10环境搭建方法
[0107]
下位机核心控制系统软件使用eclipse搭建了嵌入式linux开发环境，通过调用linux线程资源和socket资源实现系统级别的操作，为了保证程序运行速度和稳定性，使用c++进行开发，并引入了eigen矩阵库进行矩阵运算。
[0108]
下位机程序通过以太网进行程序的下传和调试，上位机需要保证ip地址在同一个区间当中。
[0109]
在安装arm
‑
ds5集成系统时，系统会自带linux的c++编译器，因此建项目时需要选择linux编译器来编译程序。soc上的linux系统使用win32disk imager烧录到下位机arm芯片，此系统是一个经过裁剪后的linux小系统，烧录在cortex m3芯片上，支持以太网接口、usb等多种接口。
[0110]
在本实施例中，机器人焊接控制系统主要的数据通信协议选用是tcp协议，在一定程度上能够从底层避免丢包可能性，但是通信稳定性的影响因素是多方面的。所以本系统在软件层编写了“看门狗”线程保证消息发送的实时可达性，通过每1s的间隔检测一次报警标志来实现。
[0111]
在本实施例中，机器人焊接控制系统支持掉电保护功能，应用系统会因为瞬时欠压或掉电，造成重要数据丢失而不能恢复，设计掉电保护电路，增强系统异常掉电处理能力。并设计用于状态检测及应急处理的i/o接口，包括限位检测、驱动告警信号检测和急停等。
[0112]
在本实施例中，机器人焊接控制系统支持清枪站，清理焊接机器人在工作过程中产生的粘堵及在焊枪气体保护套内的飞浅物，确保气体长期畅通无阻，提高焊缝质量；支持进丝机，保证送丝精度和提高焊丝利用率；支持外部轴联动耦合加工，有时需配合两轴变位体，因此设计8轴驱动。
[0113]
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精
神和原则范围之内所作的任何修改、等同替换以及改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
[0114]
实施技术方案后的实施效果：
[0115]
本发明主要测试针对直角坐标式焊接机器人的功能测试，是整个系统最基本也是最重要的测试之一，主要是对前述轨迹规划算法的验证。将悬臂式焊接机器人作为测试的小平台，悬臂式焊接机器人具有较小的结构，但是运行的效果和坐标式焊接机器人是相同的。
[0116]
坐标式焊接机器人在焊接工件水平直线焊缝的焊接效果较好，焊接轨迹较为连续，没有出现断焊和不均匀的现象产生，证明空间直线算法和加减速算法基本稳定。
[0117]
如图8所示，展示的是焊接过程中带姿态变换的直线焊缝，在过焊缝连接处的焊接较为均匀，没有出现堆焊和缺焊出现，证明了多段焊缝之间的速度规划算法能够在实际现场得到良好的应用效果。
[0118]
如图9所示，圆弧也是实际焊接现场最常用的示教形状之一，三点圆弧焊接能够取得较好的实际应用效果，证明圆弧轨迹规划算法在焊接这种大圆弧的场景应用成功。
[0119]
如图10所示，展示了三点示教得到的整圆形焊缝的焊接效果，完成的焊缝中没有出现断焊等焊接缺陷出现，说明三点示教整圆形轨迹规划算法能够满足这种基础圆形焊缝的焊接要求。
[0120]
如图11所示为协同焊接方式和焊接效果，对于相贯线和需要固定工件的焊接场景，常常需要机器人与变位机进行协同焊接。焊接机器人与变位机协同运动不仅可以完成奇异焊缝的焊接，还能够在一定程度上提高焊接时候的稳定性，进而提高焊接的质量。通过变位机进行的点焊圆形焊缝具有较强的层次感，在焊接质量上有较大的提升。
[0121]
如图12所示，对于缝隙较大或者厚度较大的焊缝焊接，为了提高焊接的质量，常常会用到摆焊功能。通过摆焊不仅能够扩大焊接的幅度，甚至能够达到鱼鳞焊的效果。通过直角坐标式焊接机器人的摆动轴完成摆焊运动，不仅具有较强的使用性，还在很大程度上节约了整个机器人使用成本。
[0122]
如图13所示，为激光跟踪焊接效果示意图，跟踪得到焊缝与实际的焊缝相一致，恰好完成直线焊缝的焊接，证明了焊缝跟踪轨迹规划算法能够完成对焊缝跟踪仪测得偏差的补偿。
[0123]
还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。