专利名称：通用型机电设备运动控制示教再现系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种机电设备技术领域的控制系统，具体是一种通用型机电设备运动控制示教再现系统。
背景技术：
随着社会经济与科学技术的发展，特种设备研制的需求越来越迫切。人们希望这些特种设备不但能完成一些固定的任务，也希望这些设备保留一个更新内部程序的智能方法。不仅可通过电脑上的人机界面进行编程，还可通过一种通用的机电设备运动控制示教系统再现人的复杂动作，这就为各种不同的特种设备提供了一种智能的程序更新方法。由于机电设备有其本身结构的复杂性，使通用型智能机电设备走向成熟还有一段距离。但随着新方法和新技术的不断涌现，成熟的通用型智能机电设备在市场上出现并不是可望而不可及的。
经对现有技术文献的检索发现，近些年来，相继研制出示教再现型的搬运、点焊、弧焊、喷漆、装配等门类齐全的工业机器人及水下作业、军用和特种机器人。如，中国专利01267155.X，一种示教装置，该专利申请自诉板体的一侧表面上均布有母子扣，若干个子扣与所述母扣的任意位置相配合固定，子扣的另一面上设有固定器件，教师可以将器件固定在子扣上，然后再将子扣与母扣相粘合可以构成任意所需的教学电路。中国专利200510058807.1，一种专用型工业机器人示教装置，操作人员利用安装在机器人胳膊前端的把手对机器人施加外力，就可以由力感应器或者加速度感应器检测出或推测出外力。机器人控制装置的仿形控制装置求出工具前端点的位置。目前，专用型示教再现型机器人技术已基本成熟，并在工厂中推广应用，但是通用型示教再现系统还没有相关的报道。通用型机电设备运动控制示教再现系统是智能机电设备的核心之一，其主要作用是完成人机交互，对各传感器信息进行采集，并对各执行机构进行控制，最终实现不同的手动或自动操作。通用型“示教再现”系统的设计是机器人的重要组成部分。因此，对于通用型机电设备来说，首先由熟练的操作人员操作手柄手动示教，计算机同时存储下来示教的时间序列，再手动切换到自动模式，由机器自动复现操作人员的复杂动作。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种通用型机电设备运动控制示教再现系统，使其针对各种不同的特种智能机电设备而设计的，只要提供该示教系统的输入输出接口，就可以和这些特种智能机电设备一起使用。
本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括五个模块示教模块、PC机模块、运动控制模块、机构本体模块和状态检测模块。示教模块与PC机模块相连，状态检测模块与PC机模块相连，运动控制模块与PC机模块相连，运动控制模块与机构本体模块相连。示教模块提供了操作人员与PC机模块之间的人机接口，通过状态检测模块检测操作人员的操作动作，并发送给PC机模块，由PC机模块生成设备再现的工艺文件。PC机模块可进一步将这些示教的工艺文件下载到运动控制模块，由运动控制模块控制机构本体模块运动，实现示教动作的再现。
所述的示教模块是将示教盒上的信息及其变化情况以20KHz频率采样记录下来，按神经网络算法将这些数据整理，并按ASCII码格式存储在计算机的数据库中，以备在线过程调用。
所述的示教模块由示教盒及连接在示教盒上的手柄、按钮模块、电气保护开关和接插件子模块组成。手柄、按钮模块与示教盒相连，电气保护开关与手柄、按钮模块相连，接插件子模块与示教盒相连。示教模块是连接操作人员和机电设备的唯一途径，操作人员操作示教盒的遥控手柄和按钮可以控制机构本体模块的各部分的运动，同时这些运动的参数被PC机模块的数据采集卡采集，生成标准的执行文件并储存到储存器中。
所述的PC机模块与显示装置和存储器相连。PC机模块通过USB接收运动控制模块采集到的手柄信息，并在显示装置上显示出来。PC机模块收到开始复现的工作指令，包含虚拟再现和实际再现两种。在PC机模块中整理编辑运动控制模块上传的信息并按照ASCII码格式定义形成TXT标准工艺文件。在需要重复操作以确定最佳示教过程时，应用已有的最优化线性规划方法可以进行多次示教的过程评估，从而形成最佳的一组工艺文件。
整个示教的闭环即示教结果评估环节，将操作人员操作示教盒控制的动作特征进行采集，与再现控制的动作特征进行比对，然后进行相适度打分，最终逼近一个最佳值；PC机模块将按照ASCII码格式定义形成TXT标准工艺文件储存到PC机模块的数据库中。PC机模块将储存器中的示教文件数据读出来，解析后将形成的指令序列通过总线下载到运动控制模块中再现。
所述的运动控制模块包含速度和位置闭环模块、CPLD(可编程逻辑器件)和DSP高速采集模块。CPLD和DSP高速采集模块之间通过读写控制总线、16位地址总线和数据总线相连。运动控制模块根据协议接收PC机模块发给自己的指令，按照接收到的指令控制各机构本体子模块，完成速度和位置闭环反馈控制。速度和位置闭环模块通过编码器采集当前电机运行位置，并且使用包含PID的数字处理算法完成。
所述的运动控制模块通过总线接收机构本体子模块反馈的设备位置、速度等信息。CPLD和DSP以20KHz的高速采样频率采集示教盒上各种模拟信息或数字信息，并以ASCII码格式组织这些数据。对于数字信号，使用CPLD完成数字滤波和数字采集，并且通过数字总线和地址总线传递给DSP高速采集模块；对于模拟信号，通过CPLD完成模拟信号的通路切换控制，将多路模拟信号混合输入给DSP高速采集模块；对于脉冲信号，CPLD首先完成数字滤波和数字施密特触发整形，然后分成两路信号，其中一路直接连接到DSP高速采集模块，另一路通过F/V变换，以PWM脉冲的形式输出，然后将PWM经过二阶低通滤波转换成模拟量连接到DSP高速采集模块。运动控制模块完成信号采集，将采集的信号进行编码和分配。信号的编码就是将采集的信号通过ASCII码格式保存到存储器。
所述的机构本体模块包含机电设备的各个通用运动子模块旋转子模块，直线子模块，串行运动子模块，并行运动子模块，这四个模块都与安装在设备上的电机相连，带动负载作相应的运动。机构本体模块的作用为通过机构本体模块四个子模块的组合运动，可以达到机器人三维空间的任意一点，从而带动工具实现相应的工艺操作。
所述的状态检测模块从各传感器中采集原始信号，进行处理。该模块由室温传感器信号采集处理模块、气压传感器信号采集处理模块、速度传感器信号采集处理模块、位置传感器信号采集处理模块组成，可以检测到室温、气压、速度和位置等状态情况，并将信息传送到PC模块上显示出来。这四个传感器模块也可向运动控制模块反馈传感器的状态信息，实现运动控制模块的闭环控制。
本发明上述的通用型机电设备运动控制示教再现系统，有以下几个特点1)通用性。任何一种机电设备运动，只要保留与示教再现系统相兼容的接口，就可实现示教功能；2)能记录操作人员的操作步骤并实时的在液晶显示屏上显示出来；3)能将记录下来的操作步骤生成标准的工艺储存在PC机模块里；4)能在PC机模块里对工艺方便进行编辑和修改。
总体上来说，本发明的机电设备示教再现系统实现了人机交互功能，机电设备能够通过示教再现系统获取操作人员的知识，它能以记录操作人员使用机电设备的操作步骤，而后操作者能对所做记录的工艺步骤做相应的编辑和修改，形成最后的标准工艺，同时各种环境监控模块和状态检测模块保障了机电设备的操作准确、安全，简化了操作步骤，提高了产品的可靠性。本发明为特殊机电设备的执行动作设计提供了解决方法，对于特殊工艺过程的设计具有重要的意义。
图1为本发明系统原理图。
具体实施例方式
下面结合附图对本发明的实施例作详细说明本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
如图1所示，本实施例系统包括五个模块示教模块、PC机模块、运动控制模块、机构本体模块和状态检测模块。连接关系为示教模块与PC机模块相连，状态检测模块与PC机模块相连，运动控制模块与PC机模块相连，运动控制模块与机构本体模块相连。
1示教模块。示教模块是将示教盒上的信息及其变化情况以20KHz频率采样记录下来，按神经网络算法将这些数据整理，并按ASCII码格式存储在计算机的数据库中，以备在线过程调用。该模块由示教盒及连接在示教盒上的手柄、按钮模块、电气保护开关和接插件子模块组成。手柄、按钮模块与示教盒相连，电气保护开关与手柄、按钮模块相连，接插件子模块与示教盒相连。
a)示教盒上的各种操作手柄、按钮子模块实现信号采集功能、信号滤波功能、信号预处理功能。其中对于模拟信号采用低通滤波、电压上下限控制、信号屏蔽功能；数字信号采用低通滤波、施密特触发功能和瞬变电压抑制功能；脉冲信号采用光电隔离、施密特触发和波形整形功能；b)电气保护开关子模块包含整个系统继电保护使能开关、急停开关和指示灯；继电保护使能开关、急停开关和指示灯与示教盒相连。继电保护使能开关实现系统启动上电的顺序控制。当系统出现紧急故障时，按下急停开关会使系统停机。指示灯表示了系统的上电状态。
c)接插件子模块采用抗高温、抗湿度、抗烟雾、抗盐雾等工业接插件，并且接插件阵脚采用镀金工艺提高阻抗性能；运行时，示教盒上手柄的模拟信号、数字信号等状态信号通过信号处理及接插件子模块实时传送到运动控制模块中；2PC机模块。PC机模块与显示装置和存储器相连。运动控制模块将采集到的手柄信息通过USB传送到PC机模块中，并在显示装置上显示出来。PC机模块收到开始复现的工作指令，包含虚拟再现和实际再现两种。在PC机模块中整理编辑运动控制模块上传的信息并按照ASCII码格式定义形成TXT标准工艺文件。
在需要重复操作以确定最佳示教过程时，应用已有的最优化线性规划方法可以进行多次示教的过程评估，从而形成最佳的一组工艺文件。整个示教的闭环即示教结果评估环节，将操作人员操作示教盒控制的动作特征进行采集，与再现控制的动作特征进行比对，然后进行相适度打分，最终逼近一个最佳值；PC机模块将按照ASCII码格式定义形成TXT标准工艺文件储存到PC机模块的数据库中。PC机模块将储存器中的示教文件数据读出来，解析后将形成的指令序列通过总线下载到运动控制模块中再现。
PC机模块的上位机包含示教接口子模块、示教记录子模块、示教模拟复现子模块、示教再现子模块和人机界面子模块。
a)示教接口子模块是运动控制模块和PC机模块的接口，实时采集示教盒信号，然后通过ASCII码格式发送给PC机模块上的示教接口子模块。
b)记录子模块将PC机模块接收的示教信号按照ASCII码格式记录到PC机模块的存储器硬盘上。
c)示教模拟复现子模块采用JAVA3D显示示教数据，控制三维建模的机构本体模块中的各种虚拟执行部件的运动。
d)人机界面子模块即操作人员和PC机模块的接口，通过图形的方式方便工作人员操作。
3运动控制模块。
运动控制模块包含速度和位置闭环模块、CPLD(可编程逻辑器件)和DSP高速采集模块。CPLD和DSP之间通过读写控制总线、16位地址总线和数据总线相连。
运动控制模块根据协议接收PC机模块发给自己的指令，按照接收到的指令控制各机构本体子模块，完成速度和位置闭环反馈控制。速度和位置闭环通过编码器采集当前电机运行位置，并且使用包含PID的数字处理算法完成。机构本体子模块将设备的位置、速度等信息通过总线反馈给运动控制模块。
CPLD和DSP以20KHz的高速采样频率采集示教盒上各种模拟信息或数字信息，并以ASCII码格式组织这些数据。对于数字信号，使用CPLD完成数字滤波和数字采集，并且通过数字总线和地址总线传递给DSP；对于模拟信号，通过CPLD完成模拟信号的通路切换控制，将多路模拟信号混合输入给DSP；对于脉冲信号，CPLD首先完成数字滤波和数字施密特触发整形，然后分成两路信号，其中一路直接连接到DSP，另一路通过F/V变换，以PWM脉冲的形式输出，然后将PWM经过二阶低通滤波转换成模拟量连接到DSP。运动控制模块完成信号采集，将采集的信号进行编码和分配。信号的编码就是将采集的信号通过ASCII码格式保存到存储器。
4机构本体模块。机构本体模块包括旋转子模块，直线子模块，串行运动子模块，并行运动子模块。
a)旋转子模块与安装在设备上的电机相连，连续输出旋转动作，带动负载旋转。
b)直线子模块与安装在设备上的电机相连，连续输出直线往复动作，带动负载直线运动。
c)串行运动子模块与安装在设备上的电机相连，通过多级串联连续输出旋转动作，带动负载旋转。
d)并行运动子模块与安装在设备上的电机相连，通过多级并联连续输出旋转与摆动动作，带动负载运动。
机构本体模块的作用为通过机构本体模块四个子模块的组合运动，可以达到机器人三维空间的任意一点，从而带动工具实现相应的工艺操作。
5状态检测模块状态检测模块从各传感器中采集原始信号，进行处理。该模块由室温传感器信号采集处理模块、气压传感器信号采集处理模块、速度传感器信号采集处理模块、位置传感器信号采集处理模块组成。可以检测到室温、气压、速度和位置等状态情况，并将信息传送到PC模块上显示出来。
a)室温传感器信号采集处理模块与PT100传感器相连，对采集到的传感器信号进行放大、模数转换等处理，传送到PC模块的数据采集卡上并显示。
b)气压传感器信号采集处理模块与压力传感器相连，对采集到的压力传感器信号进行放大、模数转换等处理，传送到PC模块的数据采集卡上并显示。
c)速度传感器号采集处理模块与速度传感器相连，对采集到的速度传感器信号进行放大、模数转换等处理，传送到PC模块的数据采集卡上并显示。
d)位置传感器号采集处理模块与位置编码传感器相连，对采集到的位置传感器信号进行放大、模数转换等处理，传送到PC模块的数据采集卡上并显示。
上述四个传感器模块也可向运动控制模块反馈传感器的状态信息，实现运动控制模块的闭环控制。
综上所述，示教模块提供了操作人员与PC机模块之间的人机接口，通过状态检测模块检测操作人员的操作动作，并发送给PC机模块，由PC机模块生成设备再现的工艺文件。PC机模块可进一步将这些示教的工艺文件下载到运动控制模块，由运动控制模块控制机构本体模块运动，实现示教动作的再现。
本发明使机电设备能够通过示教再现系统获取专业操作人员的知识，并以适当的方式记录专业操作人员使用智能机电设备工作时的工艺步骤，同时操作者还可对所记录的工艺步骤进行编辑和修改，实现某些工艺过程设计的智能化。
权利要求
1.一种通用型机电设备运动控制示教再现系统，其特征在于包括示教模块、PC机模块、运动控制模块、机构本体模块和状态检测模块；示教模块与PC机模块相连，状态检测模块与PC机模块相连，运动控制模块与PC机模块相连，运动控制模块与机构本体模块相连；示教模块提供了操作人员与PC机模块之间的人机接口，通过状态检测模块检测操作人员的操作动作，并发送给PC机模块，由PC机模块生成设备再现的工艺文件；PC机模块进一步将这些示教的工艺文件下载到运动控制模块，由运动控制模块控制机构本体模块运动，实现示教动作的再现。
2.如权利要求1所述的通用型机电设备运动控制示教再现系统，其特征是，所述的示教模块是将示教盒上的信息及其变化情况以20KHz的频率采样记录下来，按神经网络算法将这些数据整理，并按ASCII码格式存储在计算机的数据库中，以备在线过程调用。
3.如权利要求1或2所述的通用型机电设备运动控制示教再现系统，其特征是，所述的示教模块由示教盒及连接在示教盒上的手柄、按钮模块、电气保护开关和接插件子模块组成；手柄、按钮模块与示教盒相连，电气保护开关与手柄、按钮模块相连，接插件子模块与示教盒相连，示教模块是连接操作人员和机电设备的唯一途径，操作人员操作示教盒的遥控手柄和按钮控制机构本体模块的各部分的运动，同时这些运动的参数被PC机模块的数据采集卡采集，生成标准的执行文件并储存到储存器中。
4.如权利要求1所述的通用型机电设备运动控制示教再现系统，其特征是，所述的PC机模块与显示装置和存储器相连，PC机模块通过USB接收运动控制模块采集到的手柄信息，并在显示装置上显示出来，PC机模块收到开始复现的工作指令，包含虚拟再现和实际再现两种，在PC机模块中整理编辑运动控制模块上传的信息并按照ASCII码格式定义形成TXT标准工艺文件，在需要重复操作以确定最佳示教过程时，应用已有的最优化线性规划方法进行多次示教的过程评估，从而形成最佳的一组工艺文件。
5.如权利要求1或4所述的通用型机电设备运动控制示教再现系统，其特征是，所述的PC机模块的上位机包含示教接口子模块、示教记录子模块、示教模拟复现子模块、示教再现子模块和人机界面子模块；示教接口子模块是运动控制模块和PC机模块的接口，实时采集示教盒信号，然后通过ASCII码格式发送给PC机模块上的示教接口子模块；记录子模块将PC机模块接收的示教信号按照ASCII码格式记录到PC机模块的存储器硬盘上；示教模拟复现子模块采用JAVA3D显示示教数据，控制三维建模的机构本体模块中的各种虚拟执行部件的运动；人机界面子模块即操作人员和PC机模块的接口，通过图形的方式方便工作人员操作。
6.如权利要求4所述的通用型机电设备运动控制示教再现系统，其特征是，所述的PC机模块将按照ASCII码格式定义形成TXT标准工艺文件储存到PC机模块的数据库中，PC机模块将储存器中的示教文件数据读出来，解析后将形成的指令序列通过总线下载到运动控制模块中再现；整个示教的闭环即示教结果评估环节，将操作人员操作示教盒控制的动作特征进行采集，与再现控制的动作特征进行比对，然后进行相适度打分，最终逼近一个最佳值。
7.如权利要求1所述的通用型机电设备运动控制示教再现系统，其特征是，所述的运动控制模块包含速度和位置闭环模块、可编程逻辑器件和DSP高速采集模块；可编程逻辑器件和DSP高速采集模块之间通过读写控制总线、16位地址总线和数据总线相连；运动控制模块根据协议接收PC机模块发给自己的指令，按照接收到的指令控制各机构本体子模块，完成速度和位置闭环反馈控制；速度和位置闭环模块通过编码器采集当前电机运行位置，并且使用包含PID的数字处理算法完成。
8.如权利要求1或7所述的通用型机电设备运动控制示教再现系统，其特征是，所述的运动控制模块通过总线接收机构本体子模块反馈的设备位置、速度信息，可编程逻辑器件和DSP高速采集模块以20KHz的高速采样频率采集示教盒上各种模拟信息或数字信息，并以ASCII码格式组织这些数据对于数字信号，使用可编程逻辑器件完成数字滤波和数字采集，并且通过数字总线和地址总线传递给DSP高速采集模块；对于模拟信号，通过可编程逻辑器件完成模拟信号的通路切换控制，将多路模拟信号混合输入给DSP高速采集模块；对于脉冲信号，可编程逻辑器件首先完成数字滤波和数字施密特触发整形，然后分成两路信号，其中一路直接连接到DSP高速采集模块，另一路通过F/V变换，以PWM脉冲的形式输出，然后将PWM经过二阶低通滤波转换成模拟量连接到DSP高速采集模块；运动控制模块完成信号采集，将采集的信号进行编码和分配，信号的编码就是将采集的信号通过ASCII码格式保存到存储器。
9.如权利要求1所述的通用型机电设备运动控制示教再现系统，其特征是，机构本体模块包括旋转子模块，直线子模块，串行运动子模块，并行运动子模块；旋转子模块与安装在设备上的电机相连，连续输出旋转动作，带动负载旋转；直线子模块与安装在设备上的电机相连，连续输出直线往复动作，带动负载直线运动；串行运动子模块与安装在设备上的电机相连，通过多级串联连续输出旋转动作，带动负载旋转；并行运动子模块与安装在设备上的电机相连，通过多级并联连续输出旋转与摆动动作，带动负载运动；通过机构本体模块四个子模块的组合运动，可达到机器人三维空间的任意一点，从而带动工具实现相应的工艺操作。
10.如权利要求1所述的通用型机电设备运动控制示教再现系统，其特征是，所述的状态检测模块由室温传感器信号采集处理模块、气压传感器信号采集处理模块、速度传感器信号采集处理模块、位置传感器信号采集处理模块组成，这些模块检测到室温、气压、速度和位置情况，并将信息传送到PC模块上显示出来，这四个传感器模块同时向运动控制模块反馈传感器的状态信息，实现运动控制模块的闭环控制。
全文摘要
一种通用型机电设备运动控制示教再现系统，包括示教模块、PC机模块、运动控制模块、机构本体模块和状态检测模块；示教模块与PC机模块相连，状态检测模块与PC机模块相连，运动控制模块与PC机模块相连，运动控制模块与机构本体模块相连；示教模块提供了操作人员与PC机模块之间的人机接口，通过状态检测模块检测操作人员的操作动作，并发送给PC机模块，由PC机模块生成设备再现的工艺文件；PC机模块进一步将这些示教的工艺文件下载到运动控制模块，由运动控制模块控制机构本体模块运动，实现示教动作的再现。本发明使机电设备能够通过示教再现系统获取操作人员的知识，并记录操作的工艺步骤，同时可实现工艺过程设计的智能化。
文档编号G09B25/00GK101059919SQ20071004147
公开日2007年10月24日 申请日期2007年5月31日 优先权日2007年5月31日
发明者闫维新, 赵兴 申请人:上海交通大学