專利名稱：多功能機器人控制系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于控制機器人的裝置和方法，尤其涉及一種用于控制各種電動機械結(jié)構(gòu)的機器人。
背景技術(shù)：
在二十世紀七十年代后期，工業(yè)機器人和類似的高度靈活的機械工具贏得了商業(yè)上的接受。從那時起，工業(yè)機器人的使用才開始增加，特別是在汽車制造中。
工業(yè)機器人的主導(dǎo)意圖就是制造的靈活性。機器人使得各個裝配線和工作單元不利用或利用最小的手工設(shè)備的改變制造不同的物品。在制造領(lǐng)域中，機器人的應(yīng)用方面是很廣闊的，并且一直在延伸。例子有計算機視覺檢查、點焊和電弧焊、噴漆、鉆井、部件放置及粘結(jié)應(yīng)用。
機器人和機械工具之間的界限并沒有嚴格的限定。與傳統(tǒng)的機械工具相比，機器人一般具有更多移動的關(guān)節(jié)(或軸)，這些關(guān)節(jié)為定位末端受動器提供更大的自由度。在機器人領(lǐng)域中，術(shù)語“末端受動器”被用來泛指由機器人執(zhí)行的各種運動設(shè)備。這種設(shè)備根據(jù)制造應(yīng)用的不同而不同，如點焊。
機器人一般包括具有機械關(guān)節(jié)的定位臂、使關(guān)節(jié)移動的動力裝置如馬達、輔助確定機器人的位置(或姿勢)的傳感器。雖然大部分的機器人包括這些組件，但新舊機器人在電子機械結(jié)構(gòu)上存在巨大的差別。
例如，當一些機器人裝配有線性軸和轉(zhuǎn)動軸時，就要依賴于轉(zhuǎn)動(即旋轉(zhuǎn))關(guān)節(jié)。具有一系列延伸臂和轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)的機器人被稱作有關(guān)節(jié)的機器人。
甚至在特定類的機器人中，也存在機械的差別。例如，有關(guān)節(jié)的機器人的轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)可以從其支撐臂--肩關(guān)節(jié)偏置，可以集中到支撐臂--肘關(guān)節(jié)，或者軸向上排列支撐臂--腕關(guān)節(jié)。同樣，線性關(guān)節(jié)可以是共線的或正交的。動力裝置和反饋傳感器是不同結(jié)構(gòu)的另一個來源。例如，一些機器人裝備有步進馬達和其它伺服馬達。
電子控制系統(tǒng)用來控制和安排機器人的動作。對于末端受動器和機器人定位之間的必要的協(xié)調(diào)動作，優(yōu)選為機器人控制系統(tǒng)為域I/O和末端受動器子系統(tǒng)提供一定水平的軟件設(shè)計和界面。傳統(tǒng)的機器人控制系統(tǒng)是因機器人結(jié)構(gòu)和機器人制造商而異的各種用戶化電子技術(shù)的集合。
在制造過程中，機器人由一系列控制指令指揮來移動末端受動器通過機器人工作空間中一系列點。機器人指令系列(或程序)優(yōu)選為存儲在永久性存儲系統(tǒng)中(如磁盤中的計算機文件)。
制造公司(機器人用戶)通過它們的工程師和技師，已經(jīng)達到了要求制造控制系統(tǒng)的兩個重要特征。第一個，機器人用戶利用商業(yè)化的標準計算機和操作系統(tǒng)界面不是用戶化的私有系統(tǒng)來尋求實施的控制系統(tǒng)。這種向商業(yè)化水平的計算機硬件和軟件的使用趨勢被稱為“開放系統(tǒng)移動”。
選擇基于標準計算機的控制系統(tǒng)是因為它們向用戶提供了借助于標準網(wǎng)絡(luò)和I/O設(shè)備(如標準軟驅(qū))簡化訪問制造數(shù)據(jù)的途徑，運行其它軟件的能力，以及對于取代和擴充部件的有競爭力的市場。利用開放系統(tǒng)移動是減少用戶長期以來因為系統(tǒng)變化和維護依賴機器工具和機器人的制造商的目的。
機器人用戶尋求的第二個特征是對于所有機器人共同的操作和程序界面和設(shè)備。對于所有機器人共同的界面減少了特殊操作員的需要，這些特殊操作員需要訓練如何使用用戶化的私有系統(tǒng)。
對于開放系統(tǒng)特征，因為通用操作系統(tǒng)的局限性，基于標準用途的計算機系統(tǒng)傳輸機器人控制系統(tǒng)的嘗試還沒有完全成功。機器人安全和精確的需要要求機器人控制系統(tǒng)是高度可靠的，即抗撞擊，并且要求實時捆綁。
對于通用操作系統(tǒng)如Microsoft Windows NT的多特征設(shè)計目標，最后產(chǎn)出的是復(fù)雜的，不太可靠的軟件平臺。此外，這種系統(tǒng)不能保證實時控制系統(tǒng)的執(zhí)行。
對于共同操作界面特征，對操作界面提供甚至非常有限的標準的嘗試還沒有沿伸到一個機器人具體制造商之外。盡管存在使不同機器人制造商合作的困難，但電子機械結(jié)構(gòu)的巨大差別實際已經(jīng)阻礙了具有共同操作界面的機器人控制系統(tǒng)的發(fā)展。
相應(yīng)地，提供一種改進的機器人控制系統(tǒng)，既利用商業(yè)標準的計算機系統(tǒng)，又適合不同結(jié)構(gòu)的機器人將是理想的。特別地，對機器人控制提供一種開放系統(tǒng)和共同操作界面的優(yōu)勢將是理想的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的機器人控制系統(tǒng)提供利用商業(yè)標準通用計算機軟件和硬件的機器人控制。根據(jù)本發(fā)明的控制系統(tǒng)和方法適用于各種機械結(jié)構(gòu)的機器人，這種控制系統(tǒng)和方法使不同的機器人制造商具有一個共同的操作界面。
本發(fā)明提供了一種用于運行或處理裝備有機械關(guān)節(jié)的機器人的機器人指令程序，一種移動關(guān)節(jié)的動力裝置，以及一種位置反饋傳感器。機器人機械動力裝置接收一個運動信號，而反饋傳感器提供一個位置信號。
根據(jù)本發(fā)明的一種控制系統(tǒng)包括一個具有通用操作系統(tǒng)的通用計算機和一個實時計算機系統(tǒng)，實時計算機系統(tǒng)與通用計算機進行電子通訊，并且操作性的鏈接到機械動力裝置和位置反饋傳感器。通用計算機包括一個程序執(zhí)行模塊，用于選擇性地開始和中止機器人指令的程序的處理并且產(chǎn)生多個機器人移動指令。
在實時計算機系統(tǒng)中，移動指令數(shù)據(jù)緩沖器用于存儲多個移動指令。實時計算機系統(tǒng)還包括一個機器人移動模塊和一個控制計算法則。移動模塊鏈接到數(shù)據(jù)緩沖器用于連續(xù)處理多個移動指令并計算機械關(guān)節(jié)所需的位置。控制計算法則與機器人移動模塊保持軟件通訊用來重復(fù)計算基于反饋信號的所需運動信號以及機械關(guān)節(jié)所需的位置。
本發(fā)明的另一部分提供了一種適用于控制不同電子機械結(jié)構(gòu)的機器人的機器人控制系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)包括與機器人具體控制器單元保持電子或軟件通訊的機器人獨立計算機單元。
機器人獨立計算機單元操作性地通過I/O界面與機器人連接，其包括一個視頻顯示器和一個運行產(chǎn)生一系列機器人移動指令的操作界面模塊的第一數(shù)字信息處理器。機器人具體控制器單元包括一個運行實時捆綁操作系統(tǒng)的第二數(shù)字信息處理器和執(zhí)行機器人移動指令的機器人移動模塊。
操作界面模塊優(yōu)選為包括一個結(jié)構(gòu)變量，用于存儲限定機器人電子機械結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)；一個第一代碼段，用于根據(jù)第一電子機械結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一個第一操作顯示；一個第二代碼段，用于根據(jù)一個第二電子機械結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一個第二操作顯示；以及一個第三代碼段，用于根據(jù)電子機械結(jié)構(gòu)選擇第一或第二代碼段。


在形成說明書一個部分的所附附圖中，相同的圖號所指的部件相同。
圖1說明根據(jù)本發(fā)明的機器人控制系統(tǒng)的軟件程序、計算機軟件和機器人連接示意框圖；圖2是提供一個提供通用計算機與實時計算機子系統(tǒng)雙向通訊監(jiān)視器的軟件和方法步驟的優(yōu)選實施例的簡單流程圖；圖3是一個說明由本發(fā)明實施例可控制的另一類型機器人結(jié)構(gòu)的有關(guān)節(jié)工業(yè)機器人的側(cè)面正視圖；圖4是一個裝備有線性關(guān)節(jié)的工業(yè)機器人的側(cè)面正視圖，說明由本發(fā)明實施例可控制的多型機器人結(jié)構(gòu)的其中之一；圖5是一個適合不同電子機械結(jié)構(gòu)的機器人并說明根據(jù)本發(fā)明的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中結(jié)構(gòu)變量作用的優(yōu)選軟件和方法步驟的簡單流程圖；圖6是一個對存儲在說明旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)變量中的數(shù)據(jù)響應(yīng)產(chǎn)生的模仿操作界面顯示屏；以及圖7是一個對存儲在說明線性關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)變量中的數(shù)據(jù)響應(yīng)產(chǎn)生的范例操作界面顯示屏；具體實施方式
本發(fā)明公開的是許多不同形式可以實施方案。在附圖中顯示的以及在下文中詳細描述的都是本發(fā)明的優(yōu)選實施例。然而，應(yīng)當明白本公開是本發(fā)明原理的范例，并不是將本發(fā)明限定到說明的實施例。
在各圖中，一個方框或單元可以指示集中起來執(zhí)行相同的單一功能的多個單獨軟件和/或硬件。同樣地，一條線可以代表多個單個的信號或多個軟件數(shù)據(jù)共享或相互連接的情況。
機器人和其它制造機械一樣都包括具有機械關(guān)節(jié)的定位臂，用于關(guān)節(jié)移動的定位動力裝置如馬達，以及用于指示機器人某個部件位置的位置反饋傳感器。此處使用的“機械動力裝置”術(shù)語是指用于機器人運動的各種裝置。典型的機器人動力裝置是液壓活塞、氣動活塞、伺服馬達、步進馬達和線性馬達。
參照圖1，顯示了工業(yè)機器人4，Cincinnati Milacron776馬達的控制系統(tǒng)10的各個元件。機器人4包括一系列對應(yīng)于伺服馬達的轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)5、6、7和8以及末端受動器9?？刂葡到y(tǒng)10包括一個通用計算機14和一個實時計算機子系統(tǒng)16。
此處所用的“通用計算機”是指商業(yè)標準的計算機，是相對于基于CPU的用戶化電子設(shè)備，用于特殊應(yīng)用的多用途設(shè)計如設(shè)備控制。例如，包括熟知的傳統(tǒng)的IBM-兼容個人計算機組或更多的PC機組。PC機是基于Intel公司(INTEL)、Advanced Micro Devices，Inc.(AMD)以及VIATechnologies，Inc.的復(fù)雜指令設(shè)置的(CISC)CPU。相關(guān)地，INTEL的CPU生產(chǎn)線中CPU集成芯片可以利用的有名稱為“80486”、“Pentium”、“PentiumII”、“PentiumIII”。AMD生產(chǎn)的通用計算機范例CPU生產(chǎn)線可以利用的是名稱為“AMD-K6”。VIATechnologies，Inc.的通用計算機CPU可用的名稱為“Cyrix”。
基于減化的指令設(shè)置(RISC)CPU也是熟知的。如可以利用CompaqComputer Corporation生產(chǎn)的基于Alpha集成芯片的計算機。
如圖1所示，通用計算機14利用通用計算機操作系統(tǒng)來進行操作?！巴ㄓ貌僮飨到y(tǒng)”是指商業(yè)標準的操作系統(tǒng)如可以利用Microsoft Corp.生產(chǎn)的名為MS-DOS、WINDOWS 95、WINDOWS 98、WINDOWSNT及WINDOWS 2000。通用操作系統(tǒng)的其它例子包括Macintosh(AppleComputers，Inc.)、UNIX(不同經(jīng)銷商)、Open VMS(Compaq ComputerCorporation)。
在通用計算機上運行所安裝的是一個程序執(zhí)行模塊18、一個操作界面模塊20以及監(jiān)視通訊代碼段22。術(shù)語“模塊”在此處是指軟件元素如程序、輔程序、軟件處理、子程序或代碼段組等。控制系統(tǒng)10的軟件模塊優(yōu)選為作為具體處理運行的具體可執(zhí)行的程序。除非有相反的指示，軟件模塊和代碼段通過調(diào)用子程序享用各個需要的軟件變量和常量的訪問，共享存儲空間等。
程序執(zhí)行模塊18處理機器人指令24的程序，這些程序可以被存儲作如圖1表示的數(shù)據(jù)文件。執(zhí)行機器人指令程序24，程序執(zhí)行模塊18產(chǎn)生了機器人移動指令26，傳送到實時計算機子系統(tǒng)16。通過執(zhí)行模塊18，由機器人操作員制作的相對更人性化的可讀機器人指令24被解釋并轉(zhuǎn)換成實時計算機子系統(tǒng)16的移動指令26。
同樣，借助于操作界面模塊20在響應(yīng)操作員的提示中，程序執(zhí)行模塊18允許通過選擇開始和中止移動指令26對實時計算機子系統(tǒng)16進行機器人程序24運行的操作控制。
操作界面模塊20操作性地與操作顯示屏28，鍵盤和/或鼠標30，以及其它想用的標準外圍設(shè)備連接。在優(yōu)選的實施例中，顯示屏28是一個觸摸屏，其允許機器人操作員通過顯示屏以及鍵盤/鼠標30輸入提示符和數(shù)據(jù)。
對于機器人操作提示符和選擇，操作界面模塊20使得通過磁盤上載的并通過程序執(zhí)行模塊18處理(或執(zhí)行)的機器人指令文件24控制地移動機器人4。操作界面模塊20生成操作屏并接受操作員的數(shù)字數(shù)據(jù)和提示符。數(shù)字數(shù)據(jù)輸入項被傳送到其它需要的程序模塊。由機器人操作員輸入開始或中止機器人程序的運行的提示符被操作界面模塊20接收并發(fā)送到執(zhí)行模塊18。
除了接收用于上載、開始及中止程序24的操作員輸入之外，操作界面20優(yōu)選為包括操作員使用的編輯器來產(chǎn)生新的機器人指令程序25。因為本發(fā)明提供了一個依賴于通用計算機如Windows NT PC機的控制系統(tǒng)，所以還有同樣可能在另外一臺PC機如辦公PC機上產(chǎn)生一個機器人程序，然后通過標準外圍設(shè)備如磁盤驅(qū)動器或計算機網(wǎng)絡(luò)鏈接將該文件轉(zhuǎn)移到通用計算機14。
通用計算機14與實時計算機子系統(tǒng)16電連接，用于數(shù)據(jù)交換(即，通訊)。實時計算機子系統(tǒng)16優(yōu)選為包括一個用于過程控制應(yīng)用設(shè)計的硬件、固件和軟件組合。相對于具有通用操作系統(tǒng)的通用計算機，實時計算機提供了具有相對快速周期(如0.5-2msec)的多個控制回路所需的計算的實質(zhì)未中斷的執(zhí)行。
因為執(zhí)行信號處理需要，實時計算機子系統(tǒng)16的CPU計算機優(yōu)選為DSP基的計算機。在DSP基控制計算機的分類中，Delta Tau DataSystem，Inc.(Chatsworth，CA)制造的可利用的商業(yè)化的系統(tǒng)中，名稱為“PMAC”、“PMAC2”、“Turbo PMAC”和“UMAC”是優(yōu)選的。
實時計算機子系統(tǒng)16包括一個機器人移動模塊32，一個移動指令數(shù)據(jù)緩沖器34，運動學模型36，伺服控制算法38，以及監(jiān)視互相通訊代碼段40。實時子系統(tǒng)16還包括了提供同機器人定位相關(guān)電子設(shè)備可操作連接的I/O硬件及軟件驅(qū)動?？?2所表示的是接收和轉(zhuǎn)換機器人反饋信號44到計算機數(shù)據(jù)反饋信號46所必需的硬件及軟件組件。類似地，框48表示將計算機數(shù)據(jù)調(diào)整點50轉(zhuǎn)化為相應(yīng)動力裝置的適合的運動信號52所必需的組件。
根據(jù)機器人4的結(jié)構(gòu)，運動信號52和反饋信號44可以是類似的信號、數(shù)字信號或兩種信號的合成。例如，典型的電機放大動力裝置要求一種相似的運動信號。最新的稱為“靈巧”的裝置可以直接由數(shù)字信號致動。這樣，通過I/O系統(tǒng)42和48執(zhí)行的信號轉(zhuǎn)換類型因機器人的結(jié)構(gòu)不同而不同。
機器人移動模塊32駐留在實時計算機子系統(tǒng)16中用于接受移動指令26和反饋信號44/46來產(chǎn)生必須的運動信號50/52。機器人移動模塊32依賴于運動學模型36和伺服控制算法38轉(zhuǎn)變?yōu)殛P(guān)節(jié)位置需要的移動指令26進而轉(zhuǎn)變?yōu)楹线m的運動信號調(diào)整點50。在本發(fā)明的優(yōu)選實施例中，移動指令26表達為關(guān)節(jié)位置的變化或末端受動器位置的變化。
基于關(guān)節(jié)位置的移動指令依賴于一維關(guān)節(jié)軸模型的預(yù)定范圍，如旋轉(zhuǎn)軸在+90°到-90°的范圍內(nèi)，線性關(guān)節(jié)在0-1200毫米(mm)范圍內(nèi)?；陉P(guān)節(jié)位置的移動指令的一個例子是“以60°設(shè)定關(guān)節(jié)一”。在本發(fā)明的優(yōu)選實施例中，機器人移動模塊32被設(shè)計用來接受關(guān)節(jié)移動指令作為一個功能調(diào)用說明所有機器人機械關(guān)節(jié)5、6、7和8的位置，從而使其中之一或所有的關(guān)節(jié)移動。
表達為末端受動器位置的移動指令依賴于一個預(yù)定的而且用戶化的三維坐標系統(tǒng)，這個三維坐標用于查找末端受動器的位置?；谀┒耸軇悠魑恢玫囊粋€移動指令是一個將末端受動器移動到末端受動器空間中一點的調(diào)用。
對于關(guān)節(jié)位置移動指令，機器人移動模塊32包括用于將來自反饋信號46的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成關(guān)節(jié)位置的軟件模型。所需的計算因所用的關(guān)節(jié)類型和反饋信號的類型而異。例如，直接測量關(guān)節(jié)位置的讀數(shù)的位置反饋傳感器需要簡單的轉(zhuǎn)換，而測量定位馬達旋轉(zhuǎn)數(shù)時就需要更復(fù)雜的轉(zhuǎn)換。
為了處理基于末端受動器位置的移動指令，如果末端受動器9能夠得到一個理想的位置，機器人移動模塊32另外還包括一個計算關(guān)節(jié)5、6、7和8關(guān)節(jié)所需位置的運動學模型。
更具體地，實時計算機子系統(tǒng)16利用運動學模型算法計算機器人的正運動和逆運動。正運動特征是指通過給定機器人的關(guān)節(jié)位置或動力裝置的位置，確定末端受動器的位置和方向。逆運動是指通過給定末端受動器位置，確定動力裝置位置或關(guān)節(jié)角度。
圖1中框36展示了單個關(guān)節(jié)軸模塊和所有運動學模型所需的結(jié)合。在其它專利和技術(shù)文獻中描述的運動學算法見Addison-Wesley 1989年所著的《Introduction toRoboticsMechanics and Control》第二版Craig，JohnJ.中的第3及第4章。具體的模型應(yīng)用則根據(jù)所控機器人的電子機械結(jié)構(gòu)不同而不同。
由于定位動力裝置及反饋傳感器的組合構(gòu)成了一個動態(tài)系統(tǒng)，實時計算機子系統(tǒng)16還包括了提供必要的動態(tài)計算的控制算法38。在可利用的閉環(huán)伺服馬達控制方案中優(yōu)選的是帶前饋算法的比例-積分-導(dǎo)數(shù)(PID)控制算法。
數(shù)據(jù)緩沖器34是一個軟件變量，它能在通用計算機14和實時計算機子系統(tǒng)16上實現(xiàn)編程來存儲從程序執(zhí)行模塊18接收的多個動指令26。盡管理想的數(shù)據(jù)緩沖器34的存儲容量可以變化，但在本發(fā)明的優(yōu)選實施例中，數(shù)據(jù)緩沖器34和連接的模塊優(yōu)選配置為有2-10個移動指令被存儲，更優(yōu)選為有3到4的移動指令被存儲。
對于移動指令緩沖器34，甚至在通用計算機中對程序執(zhí)行響應(yīng)延遲的情況下控制系統(tǒng)10提供了對機器人4充分連續(xù)的、無中斷的控制。
綜上說明，運行通用操作系統(tǒng)的通用計算機是相對不可靠的，顯露出不可預(yù)料的控制程序中斷。由于機器人移動模塊32能連續(xù)從數(shù)據(jù)緩沖器34提取移動指令26，實時計算機子系統(tǒng)16對機器人4的精確移動控制是不受通用計算機14的操作方面不可預(yù)料的延遲的影響。
盡管可能利用各種數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換機制來提供通用計算機14和實時計算機子系統(tǒng)16之間的電子及軟件級的通訊，但優(yōu)選為商業(yè)標準的數(shù)據(jù)總線后面板。數(shù)據(jù)總線的連接在圖1中通過參照標號54符號化地表示。ISA總線、PCI總線以及VME總線是典型的數(shù)據(jù)總線，目前優(yōu)選為ISA總線。
為了數(shù)據(jù)總線54方便的、節(jié)省空間的連接，通用計算機14及實時計算機子系統(tǒng)16的主板部分是數(shù)據(jù)總線卡。這里用到的“總線卡”是指印刷電路板，它帶有電子組件以及能插入數(shù)據(jù)總線托架中插槽的多個接觸點的接頭。上面講述的Delta Tau Data Systems，Inc制造的DSP實時計算機可以利用為ISA數(shù)據(jù)總線卡。
在優(yōu)選的實施例中，控制系統(tǒng)10包括了一個通用計算機14和實時計算機子系統(tǒng)16之間的安全(監(jiān)視)通訊(框22和40)。流程圖2顯示了優(yōu)選的用于維持監(jiān)視管理的代碼段。如圖例所展示的，優(yōu)選的監(jiān)視方案包括能在通用計算機14和實時計算機子系統(tǒng)16執(zhí)行的代碼段。駐留在通用計算機14中的是一個狀態(tài)代碼段56，駐留在實時計算機子系統(tǒng)的是一個時鐘代碼段58和一個時鐘復(fù)位代碼60段以及一個操作失敗時保護代碼段62。
代碼段交互作用于兩個軟件變量激活軟件開關(guān)(ASW)64，用于表明通用計算機14中的程序是激活的或者是出錯閑置的，以及時鐘變量(TV)66，用于存儲時耗的讀數(shù)。時鐘變量66駐留在實時計算機子系統(tǒng)16中而激活軟件開關(guān)64是通過數(shù)據(jù)總線54或者其它方式共享的，激活軟件開關(guān)64是作為一個整型軟件變量應(yīng)用的0表示未設(shè)定位置，1表示確定激活的位置。
狀態(tài)代碼段56是可選的，但最好同程序執(zhí)行模塊18(框68)相繼運行并重復(fù)地將激活程序開關(guān)設(shè)成激活位置(框74)。在一個程序執(zhí)行模塊18運行循環(huán)結(jié)束后，狀態(tài)代碼段56檢查指示特定錯誤的其它軟件變量(框70)或者在通用計算機14中執(zhí)行的其它程序的延遲(框72)。相應(yīng)地，如果程序執(zhí)行模塊18中斷或者檢測到錯誤或其它的延遲，激活開關(guān)64不被設(shè)置。
時鐘代碼段58根據(jù)消耗時間減小時鐘變量66。時鐘代碼段58優(yōu)選為實時計算機子系統(tǒng)16的系統(tǒng)服務(wù)功能并體現(xiàn)在執(zhí)行循環(huán)中。
當激活軟件開關(guān)處在激活位置(框76)時，時鐘復(fù)位代碼段60重復(fù)地將時鐘變量復(fù)位到規(guī)定的時間值(框78；優(yōu)選為2秒)并重復(fù)地將激活軟件開關(guān)設(shè)回不確定位置(框80)。失敗保護代碼段62通過激活信號50/52以及其它的機器人I/O關(guān)閉機器人4來響應(yīng)時鐘變量的溢出。
在通用計算機的操作停止或者延遲超過2秒鐘時，代碼段56、58、60和62一起作用提供一個關(guān)閉機器人4的監(jiān)視服務(wù)。
回來參考圖1，本發(fā)明的另一個特征是提供給通用計算機14的軟件適用于控制不同電子機械結(jié)構(gòu)的機器人。根據(jù)發(fā)明的這個方面，通用計算機14充當了一個機器人獨立的計算機單元，而實時計算機子系統(tǒng)16充當了一個一定程度上的機器人具體控制器單元或者是用戶化的機器人的接口或適配器。
對于本發(fā)明的多配置部分重要的是操作界面模塊20的強化多功能性。圖3和圖4說明了利用不同電子機械結(jié)構(gòu)的機器人工作挑戰(zhàn)性。圖3是圖1中的帶關(guān)節(jié)機器人4的側(cè)面圖，只不過是用稍大的比例去顯示更細的細節(jié)。機器人4的臂是通過一系列轉(zhuǎn)動(旋轉(zhuǎn))關(guān)節(jié)5、6、7和8連接起來的。對照而言，圖4是機器人86的側(cè)面圖，它是由一個轉(zhuǎn)動軀干(torso)關(guān)節(jié)87和2個線性關(guān)節(jié)88、89組成。
根據(jù)上述的關(guān)節(jié)數(shù)，機器人4的第2、3關(guān)節(jié)與機器人86的第2、3關(guān)節(jié)是不同類型的關(guān)節(jié)。為了克服在結(jié)構(gòu)上不同，本發(fā)明的操作界面包括了一個結(jié)構(gòu)變量，用于存儲指定機器人電子機械結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)并顯示每種結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的代碼段。
在優(yōu)選的實施例中，結(jié)構(gòu)變量被定義并/或指定大小，用來儲存數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)定義機器人關(guān)節(jié)的類型是線性的還是轉(zhuǎn)動的，以及指定的轉(zhuǎn)動是不是可繞轉(zhuǎn)的，也就是說能不能轉(zhuǎn)動超過360度。
圖5到圖7提供了一個實例，說明操作界面模塊20怎樣用結(jié)構(gòu)變量來適應(yīng)不同的機器人。如圖5所示，選中代碼段90的顯示響應(yīng)操作請求將關(guān)節(jié)/坐標軸3(框92)設(shè)置限定。代碼段90在結(jié)構(gòu)變量94中檢查數(shù)據(jù)，確定關(guān)節(jié)3是線性的還是轉(zhuǎn)動的(框96)。
根據(jù)要控制的機器人的第3個關(guān)節(jié)是否是轉(zhuǎn)動的(如機器人4)，或線性的(如機器人86)，代碼段90選擇2個可能的顯示之一來設(shè)置關(guān)節(jié)限定。對于轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)類型，框98被選中，屏幕28上產(chǎn)生圖6的旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)/坐標軸的顯示。對于線性關(guān)節(jié)類型，框100被選中，產(chǎn)生圖7的線性關(guān)節(jié)/坐標軸的顯示。
前述說明及附圖應(yīng)視為對本發(fā)明的說明而不應(yīng)當是限制本發(fā)明的。在本發(fā)明的精神和范圍的其它結(jié)構(gòu)和實施例是可能的，對于本領(lǐng)域技術(shù)人員是很容易想到的。
權(quán)利要求
1.一種控制系統(tǒng)，用于運行具有一個機械關(guān)節(jié)、一個移動關(guān)節(jié)的機械動力裝置以及一個位置反饋傳感器的機器人的機器人指令程序，機械動力裝置用來接收一個運動信號，反饋傳感器提供一個位置信號，其包括一個具有通用操作系統(tǒng)的通用計算機，所述的通用計算機包括一個程序執(zhí)行模塊，用于選擇性地開始和中止機器人指令的程序的處理并且產(chǎn)生多個機器人移動指令；和一個實時計算機系統(tǒng)，實時計算機系統(tǒng)與通用計算機進行電子通訊，并且操作性的與機械動力裝置和位置反饋傳感器連接，一個移動指令數(shù)據(jù)緩沖器用于存儲所述的多個移動指令，一個機器人移動模塊，與所述的數(shù)據(jù)緩沖器相連，用于連續(xù)處理所述的多個移動指令并計算機械關(guān)節(jié)所需的位置，以及一個控制算法，其與所述的機器人移動模塊保持軟件通訊，用來重復(fù)計算基于反饋信號的需要的運動信號以及所述的機械關(guān)節(jié)需要的位置。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的控制系統(tǒng)，其進一步包括一個在所述實時計算機子系統(tǒng)與所述通用計算機進行通訊的監(jiān)視雙向通訊，用于探測所述通用計算機的操作中斷。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的控制系統(tǒng)，其中，所述的監(jiān)視雙向通訊包括一個時鐘變量，用于存儲一個時耗讀數(shù)；一個時鐘代碼段，用于根據(jù)消逝的時間調(diào)整所述的時鐘變量；一個激活軟件開關(guān)，其具有一個激活位置和一個未設(shè)置位置；一個狀態(tài)代碼段，其安裝在所述的通用計算機中，用于重復(fù)將所述的激活軟件開關(guān)切換到所述的激活位置；一個時鐘復(fù)位代碼段，其安裝在所述的實時計算機子系統(tǒng)中，用于當所述激活軟件開關(guān)在所述激活的位置時重復(fù)將所述時鐘變量復(fù)位到規(guī)定的時間量，并重復(fù)將所述激活軟件開關(guān)設(shè)置到未設(shè)置的位置上；以及一個失敗安全代碼段，其安裝在所述的實時計算機子系統(tǒng)中，如果所述的時鐘變量達到一個規(guī)定的值時，用于重復(fù)檢查所述時鐘變量，并設(shè)定所述激活信號來關(guān)閉機器人。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的控制系統(tǒng)，其中，所述的激活軟件開關(guān)是作為一個整型軟件變量應(yīng)用的，0表示未設(shè)定位置，1表示激活的位置。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的控制系統(tǒng)，進一步包括一個數(shù)據(jù)總線，用于接收總線卡，其中，所述的實時計算機子系統(tǒng)包括一個具有中央處理單元的總線卡，所述的總線卡安裝在所述的數(shù)據(jù)總線中。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的控制系統(tǒng)，其中所述的通用計算機和所述的實時計算機子系統(tǒng)通過標準數(shù)據(jù)總線電連接。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的控制系統(tǒng)，其中所述的通用計算機和所述的實時計算機子系統(tǒng)通過ISA數(shù)據(jù)總線電連接。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的控制系統(tǒng)，進一步包括一個數(shù)據(jù)總線，用于接收總線卡，其中所述的實時計算機包括一個具有中央處理單元的第一總線卡，所述的通用計算機包括一個具有中央處理單元的第二總線卡，所述的第一和第二總線卡都安裝在所述的數(shù)據(jù)總線。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的控制系統(tǒng)，其中所述的實時計算機子系統(tǒng)包括一個具有數(shù)字信號處理器(DSP)的計算機。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的控制系統(tǒng)，其中所述的通用計算機是一個具有Intel Pentium處理器的計算機。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的控制系統(tǒng)，其中所述的通用計算機是一個具有DEC/Compaq Alpha處理器的計算機。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的控制系統(tǒng)，其中所述的通用操作系統(tǒng)是一個非捆綁實時系統(tǒng)。
13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的控制系統(tǒng)，其中所述的通用操作系統(tǒng)選自WINDOWSNT、WINDOWS 2000、WINDOWS 95、WINDOWS 98、Open VMS、PC/MS DOS、Unix中的一種。
14.根據(jù)權(quán)利要求1所述的控制系統(tǒng)，其中所述的通用計算機是一個具有Intel Pentium處理器的計算機并且所述通用操作系統(tǒng)是MicrosoftWindows NT。
15.根據(jù)權(quán)利要求1所述的控制系統(tǒng)，其中機械動力裝置是伺服馬達并且所述的控制算法是伺服控制算法。
16.根據(jù)權(quán)利要求1所述的控制系統(tǒng)，其中所述機器人移動模塊包括一個運動學械型，用于計算響應(yīng)移動指令所需的關(guān)節(jié)位置。
17.一種多功能機器人控制系統(tǒng)，適用于控制不同電子機械結(jié)構(gòu)的機器人，控制系統(tǒng)包括機器人獨立計算機單元，包括一個視頻顯示器和一個第一數(shù)字處理器，第一數(shù)字處理器運行一個操作界面模塊，產(chǎn)生系列機器人移動指令；以及具體機器人控制器單元，其與機器人操作性地連接，其包括一個運行實時捆綁操作系統(tǒng)的第二數(shù)字處理器，以及一個執(zhí)行所述機器人移動指令的機器人移動模塊，所述的機器人具體控制器單元與所述機器人獨立計算單元保持電子通訊。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的控制系統(tǒng)，其中所述通用計算機和所述實時計算機子系統(tǒng)通過標準數(shù)據(jù)總線電連接。
19.根據(jù)權(quán)利要求17所述的控制系統(tǒng)，其中所述的第一數(shù)字處理器運行一個操作界面模塊，該操作界面模塊包括一個結(jié)構(gòu)變量，用于存儲指定機器人電子機械結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)；一個第一代碼段，用于根據(jù)第一電子機械結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一個第一操作顯示；一個第二代碼段，用于根據(jù)第二電子機械結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一個第二操作顯示；以及一個第三代碼段，用于根據(jù)所述的電子機械結(jié)構(gòu)選擇所述的第一電子機械結(jié)構(gòu)或第二電子機械結(jié)構(gòu)。
20.根據(jù)權(quán)利要求19所述的控制系統(tǒng)，其中所述的第一代碼段產(chǎn)生一個請求操作限定為轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)的操作顯示。
21.根據(jù)權(quán)利要求19所述的控制系統(tǒng)，其中所述的第二代碼段產(chǎn)生一個請求線性關(guān)節(jié)操作限定的操作顯示。
22.根據(jù)權(quán)利要求19所述的控制系統(tǒng)，其中所述的結(jié)構(gòu)變量被限定用于存儲指定機器人關(guān)節(jié)類型的數(shù)據(jù)。
23.根據(jù)權(quán)利要求19所述的控制系統(tǒng)，其中所述的結(jié)構(gòu)變量被限定用于存儲指定機器人線性關(guān)節(jié)類型的數(shù)據(jù)。
24.根據(jù)權(quán)利要求19所述的控制系統(tǒng)，其中所述的結(jié)構(gòu)變量被限定用于存儲指定機器人轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)類型的數(shù)據(jù)。
25.根據(jù)權(quán)利要求19所述的控制系統(tǒng)，其中所述的結(jié)構(gòu)變量被限定用于存儲指定是否機器人關(guān)節(jié)是可繞轉(zhuǎn)的數(shù)據(jù)。
26.一種操作界面模塊，用于控制不同電子機械結(jié)構(gòu)的機器人，操作界面模塊包括一個第一代碼段，用于根據(jù)第一電子機械結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一個第一操作顯示；一個第二代碼段，用于根據(jù)第二電子機械結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一個第二操作顯示；一個第三代碼段，用于根據(jù)所述的電子機械結(jié)構(gòu)選擇第一或第二代碼段。
27.根據(jù)權(quán)利要求26所述的操作界面，其中所述的第一代碼段產(chǎn)生一個請求轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)的操作限定的操作顯示。
28.根據(jù)權(quán)利要求26所述的操作界面，其中所述的第二代碼段產(chǎn)生一個請求線性關(guān)節(jié)的操作限定的操作顯示。
29.根據(jù)權(quán)利要求26所述的操作界面模塊，其中所述的結(jié)構(gòu)變量被限定用于存儲指定機器人關(guān)節(jié)類型的數(shù)據(jù)。
30.根據(jù)權(quán)利要求26所述的操作界面模塊，其中所述的結(jié)構(gòu)變量被限定用于存儲指定機器人線性關(guān)節(jié)類型的數(shù)據(jù)。
31.根據(jù)權(quán)利要求26所述的操作界面模塊，其中所述的結(jié)構(gòu)變量被限定用于存儲指定機器人轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)類型的數(shù)據(jù)。
32.根據(jù)權(quán)利要求26所述的操作界面模塊，其中所述的結(jié)構(gòu)變量被限定用于存儲指定是否機器人關(guān)節(jié)是繞轉(zhuǎn)的數(shù)據(jù)。
全文摘要
一種改進的多功能機器人控制系統(tǒng)10包括一個通用計算機14，其具有一個與實時計算機子系統(tǒng)16保持電子通訊的通用操作系統(tǒng)。通用計算機包括一個程序執(zhí)行模塊18，用于選擇性地開始或中止機器人指令24的程序處理，并產(chǎn)生多個機器人移動指令26。實時計算機子系統(tǒng)16包括一個移動指令數(shù)據(jù)緩沖器34，用于存儲多個移動指令26，一個與數(shù)據(jù)緩沖器34相連的機器人移動模塊32，用于連續(xù)處理移動并計算機器人機械關(guān)節(jié)所需的位置。實時計算機系統(tǒng)16還包括一個6動態(tài)控制算法38，與移動模塊32保持軟件通訊，基于機器人關(guān)節(jié)反饋信號44/46，重復(fù)計算動力裝置運動信號50/52。
文檔編號G06F19/00GK1484807SQ01821647
公開日2004年3月24日 申請日期2001年12月20日 優(yōu)先權(quán)日2000年12月28日
發(fā)明者約翰R·拉帕姆, 約翰R 拉帕姆 申請人:自動裝置工作空間技術(shù)有限公司