协作机器人控制方案.pdf

协作机器⼈控制⽅案 协作机器⼈另⼀个额外特点是可以⼒矩感知、控制和限制。机器⼈感知外部极⼩的⼒矩变化并做出反应避免碰撞。 在有些情况下，⼒矩传感器被放置在电机减速箱的后⾯来直接检测外部⼒矩的任何快速增加的变化， ⽽其他时候，机器⼈需要输出⼀定扭 矩去提升负载和把负载从⼀个位置移动到另⼀个位置。 当机器⼈识别出运动过程中⼀个异常扭矩增加值，如碰撞，会⾃动停下来。 碰撞检测和规避机制的另外⼀个特点是当接触到物体或⼈员时进⾏⼯作模式转换，从⾮柔性全速模式(循环同步位置模式或循环同步速度模 式)转换到⼒矩模式(循环同步⼒矩模式)。 柔顺的循环⼒矩模式使得⼈员可以⽤⼿很轻易地推开机械⼿臂。机器⼈可以在触碰物体时⾃动进⼊柔顺模式，或者在全速模式下运⾏。 另⼀个重要模式是⽰教模式，在这个模式下，操作⼈员移动机械⼿臂到预定位置，Elmo控制器记录下这些位置点以便在正常操作模式下复 现设定轨迹。 系统⾥的每个驱动器既可以在⾼速、⾼加减速情况下运⾏，⼜可以在低速情况下运⾏，并且都能保证极⾼的精度和准确性。⽤同⼀款驱动器 实现反差如此巨⼤的⾼低速操作是得益于驱动器1:2000的动态电流范围和⾮常宽的带宽响应。 ⼀个驱动器物理尺⼨⾜够⼩到能直接安装在机器⼈关节上，⼏乎是这种复杂机器⼈项⽬的唯⼀选择。 把驱动器放置在离编码器反馈⾜够近的地⽅可以节省电缆，减少⼲扰影响，获得⽐较低的EMI和RFI指标，系统稳定性⼤⼤提升。 另⼀个让驱动器更易集成进关节的特性是驱动器固有的坚固性，可以承受关节内极⾼的机械加减速度。 Elmo应⽤⼯具 Elmo⾼级且易⽤的配置⼯具，EASII软件，可以帮助客户调试⽹络中的每个轴，达到最优的伺服性能。 系统辨识、合适的控制器设计、使⽤⾼阶滤波器克服机械系统缺陷等可以提升系统获得最优伺服性能，这仅仅是这个⼯具的⼀部分功能。此 外，使⽤带特殊位置分组增益的简单、⾼级的系统辨识⽅法进⾏多轴系统辨识可以消除不同轴之间的交叉影响。在这个应⽤中还⽤到了更多 其他具有特⾊的功能，最终⽬标是获得最⾼带宽、最快的响应时间，同时保证机器⼈运⾏稳定、平滑，并且具有很⾼的裕度。 系统⾥的每个轴采⽤双闭环控制算法来提⾼减速机后端关节末端位置的定位精度。 增量式编码器和Hall元件作为速度环反馈置于减速箱前端，19位⾼分辨率绝对值编码器作为负载末端位置反馈，这样的⽤法只是Elmo⾦线 系列驱动器的⼀个标准⽤法。 双闭环控制算法可以提升伺服电机性能达到最优状态。 Elmo提供PCB插针安装式驱动器，也可以同时配套提供接⼝转接板，这允许客户通过转接板连接EtherCAT总线、IO和编码器反馈。 ⽩⾦版Maestro,终极多轴运动控制器 控制整个系统的是Elmo⾼级的多轴运动控制器P-MAS,通过实时串⾏EtherCAT总线在250us内同步16个轴(最短可现实100us内同步8个 轴)。 Elmo的⾼级多轴运动控制器P-MAS可以提供内容丰富的机器⼈运动学功能，例如Cartesian, SCARA,3-Link,Delta等等，使⽤这些功能就 可以很容易应对机器⼈应⽤的挑战。 内置的运动学功能⽀持MCS(机器坐标系)和PCS(产品坐标系)，在翻转、传送和其他外部装置中可以实现完全同步。 此外，P-MAS为客户应⽤预留了⼀个实时内核。这部分内核允许机器⼈开发⽤户编写⾃⼰特殊的运动学转换⽅程，这⼀功能使得P-MAS⽀ 持任何⾼端的机器⼈，⼏乎不受类型限制，因为客户可以针对应⽤编写⾃⼰的运动学功能。 对于这种在250us总线循环时间内完成机器⼈运动学正逆解计算的应⽤必须使⽤基于四核强⼤处理器的多轴运动控制器P-MAS。 运动学⽅程解算是在⽤户实时应⽤程中进⾏的，计算系统中所有轴的⽬标位置、⽬标速度或扭矩并在每个EtherCAT总线周期输出。 DS-402协议中的循环同步模式是Elmo的EtherCAT版本驱动器的内置标准操作模式。 在P-MAS和上位主机、PLC或HMI之间多种标准和专门的通讯协议使得P-MAS与第三⽅设备通讯变得⼗分容易，如触摸屏、⼿操板、PLC 和PC机等。 与上位主机的通讯能⼒如Ethernet, TCP/IP和UDP协议，快速的⼆进制协议如MODBUS和Ethernet/IP, 使得与上位主机之间的通讯变得快 速⽽有效。 机器⼈⼯作在两种模式，第⼀种是⽰教模式，第⼆种是⼯作模式。 在⽰教模式下，操作⼈员可以沿着需要的⼯作路径移动机器⼈⼿臂到⼀些关键位置点上，在移动过程中多轴运动控制器记录下相关的位置点 以便在⼯作模式下复现⼯作路径。 在⽰教模式下伺服驱动器是运⾏在同步循环⼒矩模式。除了⽬标⼒矩命令外，多轴运动控制器还会输出额外的补偿⼒矩去克服重⼒、机器⼈ 动⼒学等阻抗因素，维持拖拽过程平滑。 这种复杂机器⼈解决⽅案的亮点之⼀就是整个⽰教过程对 协作机器人控制方案主要关注的是如何安全、高效地操作和控制机器人，特别是在人机协作的环境中。协作机器人具备力矩感知和控制的能力，能够检测到微小的外部力矩变化，以此来防止碰撞并确保安全。这通常是通过安装力矩传感器来实现的，传感器可能位于电机减速箱后方，监测任何快速的力矩变化。 当机器人识别到异常扭矩增加，比如碰撞，它会自动停止以避免伤害。此外，机器人会根据接触情况切换工作模式，从非柔性全速模式（如循环同步位置模式或速度模式）转换到力矩模式（循环同步力矩模式）。这种力矩模式允许工作人员轻松推开机器人手臂，增加了人机交互的安全性。 示教模式是另一个关键功能，操作人员可以直接手动移动机器人到预定位置，控制器记录这些位置点，以便在常规操作中再现路径。Elmo控制器在这个过程中起着至关重要的作用，它提供了高级的配置工具EASII软件，用于调试网络中的每个轴，优化伺服性能。通过系统辨识、控制器设计和高阶滤波器的应用，可以提升系统的伺服性能，消除轴间的交叉影响。 在硬件层面，每个驱动器都能够在高速和低速下保持高精度，小型化设计允许它们直接安装在机器人关节上，减少电缆、降低干扰，提高EMI和RFI指标，增强系统稳定性。驱动器的坚固性使其能承受高机械加减速度，适应关节内部的工作条件。 Elmo的驱动器支持多种安装方式，包括PCB插针安装，并可以提供接口转接板，方便连接EtherCAT总线、IO和编码器反馈。高级的多轴运动控制器P-MAS通过实时串行EtherCAT总线进行快速同步，处理复杂的运动学问题，如Cartesian、SCARA、3-Link、Delta等，支持机器坐标系（MCS）和产品坐标系（PCS）的转换，确保与外部设备的完全同步。 P-MAS控制器还有一个实时内核，允许用户自定义运动学函数，适用于各种高端机器人应用。它基于四核处理器，能够快速解算运动学方程，输出目标位置、速度或扭矩，采用DS-402协议的循环同步模式运行。通信方面，P-MAS支持多种标准和专用协议，与上位机、PLC、HMI等设备轻松交互，使用如Ethernet、TCP/IP、UDP、MODBUS和Ethernet/IP等协议。 协作机器人有两种主要工作模式：示教模式和工作模式。在示教模式下，伺服驱动器运行在同步循环力矩模式，除了目标力矩命令，控制器还会输出补偿力矩以克服重力和动力学阻力，确保平稳的操作。这个解决方案的一大亮点是其易于使用，即使是没有编程经验的操作人员也能轻松进行示教操作。第二种操作模式则是工作模式，机器人按照示教的路径执行任务。