一种模块化结构的机器人及其控制方法[发明专利]

(12)发明专利申请

(10)申请公布号 CN 108262742 A(43)申请公布日 2018.07.10

(21)申请号 201810068749.8(22)申请日 2018.01.24

(71)申请人 深圳市智能机器人研究院

地址 518057 广东省深圳市南山区高新中

一道9号软件大厦8楼813室(72)发明人 张启毅　李小龙　景煜　谭靖喜　

杨雷　陈和平　席宁　(74)专利代理机构 广州嘉权专利商标事务所有

限公司 44205

代理人 胡辉(51)Int.Cl.

B25J 9/08(2006.01)B25J 9/16(2006.01)

权利要求书2页 说明书6页 附图3页

()发明名称

一种模块化结构的机器人及其控制方法(57)摘要

本发明公开了一种模块化结构的机器人及其控制方法，其中，机器人包括控制器和机器人，所述机器人包括基座、末端执行模块以及两者之间交替连接的中空关节模块和连接模块，通过调整中空关节模块和连接模块改变机器人的自由度和输出力矩，控制器通过连接线依次与中空关节模块和末端执行模块串联连接，所述连接线贯穿中空关节模块和连接模块；所述中空关节模块用于根据控制信息控制连接模块或末端执行模块进行旋转运动；述控制器用于将控制信息传输给中空关节模块和末端执行模块，从而控制中空关节模块和末端执行模块的工作状态。本发明的机器人具有更高的灵活性，且控制机器人的方法灵活简单，可广泛应用于机器人领域。

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1.一种模块化结构的机器人，其特征在于，包括控制器和机器人，所述机器人包括基座、多功能的末端执行模块以及两者之间交替连接的中空关节模块和连接模块，通过调整中空关节模块和连接模块改变机器人的自由度和输出力矩，控制器通过连接线依次与中空关节模块和末端执行模块串联连接，所述连接模块内部中空，所述连接线贯穿中空关节模块和连接模块；

所述中空关节模块用于根据控制信息控制连接模块或末端执行模块在360°范围内进行旋转运动；

所述控制器用于采用串联式EtherCAT通讯方法将控制信息传输给中空关节模块和末端执行模块，从而控制中空关节模块和末端执行模块的工作状态。

2.根据权利要求1所述的一种模块化结构的机器人，其特征在于，所述中空关节模块包括若干个中空关节，所述中空关节包括多种型号的中空关节，且每种型号的中空关节具有不同的扭矩功率，所述连接模块包括若干个直线连接杆和/或若干个转角连接杆，所述直线连接杆包括多种型号的直线连接杆，所述转角连接杆包括多种型号的转角连接杆。

3.根据权利要求2所述的一种模块化结构的机器人，其特征在于，各所述中空关节包括输出端编码器、中空谐波减速器、中空力矩电机、输入端光栅编码器和驱动器，所述驱动器分别与输出端编码器、输入端光栅编码器和中空力矩电机连接，所述中空谐波减速器分别与输出端编码器与中空力矩电机连接，所述中空力矩电机与输入端光栅编码器连接，所述驱动器可拆卸的固定在中空关节的外壳上；

所述输出端编码器用于实时检测中空谐波减速器输出端的速度信息，并将检测到的信息发送给驱动器；

所述中空谐波减速器用于降低中空力矩电机的转速，从而提高输出力矩；所述中空力矩电机用于向中空谐波减速器提供动力；

所述输入端光栅编码器用于实时检测中空力矩电机的转速信息，并将检测到的信息发送给驱动器；

所述驱动器用于控制和检测输出端编码器、中空力矩电机和输入端光栅编码器的工作状态，并将从各部件接收到的信息反馈回给控制器。

4.根据权利要求3所述的一种模块化结构的机器人，其特征在于，各所述中空关节还包括失电制动器，所述失电制动器与中空力矩电机连接。

5.根据权利要求1-4任一项所述的一种模块化结构的机器人，其特征在于，所述中空关节模块和连接模块之间采用径向连接方式进行连接。

6.一种模块化结构的机器人的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：根据机器人结构在获取可视化的中空关节模型、连接模型及末端执行模型，并搭建机器人模型，根据机器人模型自动从控制模型数据库中获取相应的控制算法；

根据用户输入的信息设置机器人的工作参数，基于串联式EtherCAT通讯方法，结合控制算法和工作参数自动对机器人进行控制。

7.根据权利要求6所述的一种模块化结构的机器人的控制方法，其特征在于，所述工作参数包括各中空关节的旋转参数、距离参数、夹角参数，以及末端执行器的姿态参数。

8.根据权利要求6所述的一种模块化结构的机器人的控制方法，其特征在于，包括预先设计控制算法数据库的步骤，具体包括以下步骤：

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针对每种类型的机器人，计算机器人的运动学正逆解，根据计算获得的正逆解生成相应的控制算法；

将各种类型的机器人的控制算法进行打包和存储；所述每种类型的机器人为通过末端执行模块、中空关节模块和连接模块搭建的不同类型的机器人。

9.根据权利要求8所述的一种模块化结构的机器人的控制方法，其特征在于，所述计算机器人的运动学正逆解的步骤，具体为：

根据机器人的结构及自由度参数选择相应的运动学逆解求解方法计算机器人的运动学正解公式；

其中，运动学逆解求解方法包括解析解法、数值解法和几何解法。10.根据权利要求9所述的一种模块化结构的机器人的控制方法，其特征在于，所述运动学正解公式为：

其中，Aj表示机器人末端的齐次坐标变换矩阵，Ai表示两个连续连杆之间的齐次坐标变换矩阵；向量p表示表示机器人末端位置信息，向量[n o a]表示机器人末端姿态信息，n，o，a分别为normal(垂直轴)、orientation(方向轴)与approach(接近轴)，用于表示机器人末端姿态相对于全局参考坐标系Fx,y,z的另一个坐标系Fn,o,a。

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一种模块化结构的机器人及其控制方法

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技术领域

[0001]本发明涉及机器人领域，尤其涉及一种模块化结构的机器人及其控制方法。背景技术

[0002]随着工业自动化的发展，机器人的使用越来越广泛。面对越来越多的应用要求，机器人的发展也呈现多样化。例如，目前已经有用于工厂的装配机器人，金属焊接机器人，也有用于与工人进行人机合作的协作机器人。这种发展呈现出的趋势是机器人呈现特种化，根据不同的需求设计制造不同的机器人，以最大化自动化的效果。而与特种机器人相对应的模块化机器人，特点是它们没有唯一的自由度，可以根据用户需要增加换删除模块，以扩大机器人的使用灵活度。

[0003]专利CN102101290A中提供的模块化重构机器人是一种较为简单的模块化机器人，可将模块化运用于机器人本身结构中，但其结构比较单一，连接方式存有缺陷，不能最大化机器人关节的运动角度，及机器人的关节不能进行360°运动，了机器人的灵活性。另外该模块化机器人运用的是Can协议，且末端执行器只能固定一个两臂爪子，限定了机器人的功能，无法满足机器人多功能的要求。并且，现有的机器人控制方法都是一种机器人需要编写一种与之对应的控制算法程序，这种控制方法繁琐，不利于对机器人进行灵活控制，也增加了用户使用难度。

发明内容

[0004]为了解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种更加灵活的模块化结构的机器人。

[0005]本发明的另一目的是提供一种模块化结构的更加灵活的机器人的控制方法。[0006]本发明所采用的技术方案是：[0007]一种模块化结构的机器人，包括控制器和机器人，所述机器人包括基座、多功能的末端执行模块以及两者之间交替连接的中空关节模块和连接模块，通过调整中空关节模块和连接模块改变机器人的自由度和输出力矩，控制器通过连接线依次与中空关节模块和末端执行模块串联连接，所述连接模块内部中空，所述连接线贯穿中空关节模块和连接模块；[0008]所述中空关节模块用于根据控制信息控制连接模块或末端执行模块在360°范围内进行旋转运动；

[0009]所述控制器用于采用串联式EtherCAT通讯方法将控制信息传输给中空关节模块和末端执行模块，从而控制中空关节模块和末端执行模块的工作状态。[0010]进一步，所述中空关节模块包括若干个中空关节，所述中空关节包括多种型号的中空关节，且每种型号的中空关节具有不同的扭矩功率，所述连接模块包括若干个直线连接杆和/或若干个转角连接杆，所述直线连接杆包括多种型号的直线连接杆，所述转角连接杆包括多种型号的转角连接杆。[0011]进一步，各所述中空关节包括输出端编码器、中空谐波减速器、中空力矩电机、输

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入端光栅编码器和驱动器，所述驱动器分别与输出端编码器、输入端光栅编码器和中空力矩电机连接，所述中空谐波减速器分别与输出端编码器与中空力矩电机连接，所述中空力矩电机与输入端光栅编码器连接，所述驱动器可拆卸的固定在中空关节的外壳上；[0012]所述输出端编码器用于实时检测中空谐波减速器输出端的速度信息，并将检测到的信息发送给驱动器；

[0013]所述中空谐波减速器用于降低中空力矩电机的转速，从而提高输出力矩；[0014]所述中空力矩电机用于向中空谐波减速器提供动力；

[0015]所述输入端光栅编码器用于实时检测中空力矩电机的转速信息，并将检测到的信息发送给驱动器；

[0016]所述驱动器用于控制和检测输出端编码器、中空力矩电机和输入端光栅编码器的工作状态，并将从各部件接收到的信息反馈回给控制器。[0017]进一步，各所述中空关节还包括失电制动器，所述失电制动器与中空力矩电机连接。

[0018]进一步，所述中空关节模块和连接模块之间采用径向连接方式进行连接。[0019]本发明所采用的另一技术方案是：[0020]一种模块化结构的机器人的控制方法，包括以下步骤：[0021]根据机器人结构在获取可视化的中空关节模型、连接模型及末端执行模型，并搭建机器人模型，根据机器人模型自动从控制模型数据库中获取相应的控制算法；[0022]根据用户输入的信息设置机器人的工作参数，基于串联式EtherCAT通讯方法，结合控制算法和工作参数自动对机器人进行控制。[0023]进一步，所述工作参数包括各中空关节的旋转参数、距离参数、夹角参数，以及末端执行器的姿态参数。[0024]进一步，包括预先设计控制算法数据库的步骤，具体包括以下步骤：[0025]针对每种类型的机器人，计算机器人的运动学正逆解，根据计算获得的正逆解生成相应的控制算法；

[0026]将各种类型的机器人的控制算法进行打包和存储；[0027]所述每种类型的机器人为通过末端执行模块、中空关节模块和连接模块搭建的不同类型的机器人。[0028]进一步，所述计算机器人的运动学正逆解的步骤，具体为：

[0029]根据机器人的结构及自由度参数选择相应的运动学逆解求解方法计算机器人的运动学正解公式；[0030]其中，运动学逆解求解方法包括解析解法、数值解法和几何解法。[0031]进一步，所述运动学正解公式为：

[0032][0033]

其中，Aj表示机器人末端的齐次坐标变换矩阵，Ai表示两个连续连杆之间的齐次坐标变换矩阵；向量p表示表示机器人末端位置信息，向量[n o a]表示机器人末端姿态信息，n，o，a分别为normal(垂直轴)、orientation(方向轴)与approach(接近轴)，用于表示机器

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人末端姿态相对于全局参考坐标系Fx,y,z的另一个坐标系Fn,o,a。[0034]本发明的有益效果是：一种模块化结构的机器人，包括控制器和机器人，所述机器人包括基座、多功能的末端执行模块以及两者之间交替连接的中空关节模块和连接模块，通过调整中空关节模块和连接模块改变机器人的自由度和输出力矩，控制器通过连接线依次与中空关节模块和末端执行模块串联连接，所述连接模块内部中空，所述连接线贯穿中空关节模块和连接模块；所述中空关节模块用于根据控制信息控制连接模块或末端执行模块在360°范围内进行旋转运动；所述控制器用于采用串联式EtherCAT通讯方法将控制信息传输给中空关节模块和末端执行模块，从而控制中空关节模块和末端执行模块的工作状态。通过调整中空关节模块和连接模块改变机器人的自由度和输出力矩，使机器人适应不同的工作场合，提高了机器人的适应性。通过使用内部中空的中空关节模块和连接模块，连接线直接贯穿中空关节模块和连接模块，从而使中空关节模块的旋转角增加至360°，提高了机器人的灵活性。通过使用多功能的末端执行模块，增加机器人的功能，满足人们对机器人多功能的要求。

[0035]本发明的另一有益效果是：一种模块化结构的机器人的控制方法，包括以下步骤：根据机器人结构在获取可视化的中空关节模型、连接模型及末端执行模型，并搭建机器人模型，根据机器人模型自动从控制模型数据库中获取相应的控制算法；根据用户输入的信息设置机器人的工作参数，基于串联式EtherCAT通讯方法，结合控制算法和工作参数自动对机器人进行控制。用户只需在控制器上搭建机器人模型，控制器系统自动生成控制算法，无需用户编写控制程序，更加简单方便的控制机器人，有利于用户的操作使用。附图说明

[0036]图1是本发明一种模块化结构的机器人的结构示意图；

[0037]图2是本发明一种模块化结构的机器人的控制方法的步骤流程图；[0038]图3是长的20A&25A直线连接杆的结构示意图；[0039]图4是短的20A&25A直线连接杆的结构示意图；[0040]图5是短的17A&20A直线连接杆的结构示意图；[0041]图6是长的14A&17A直线连接杆的结构示意图；[0042]图7是短的14A&17A直线连接杆的结构示意图；[0043]图8是14A&17A转角连接杆的结构示意图；[0044]图9是17A&20A转角连接杆的结构示意图。

具体实施方式[0045]实施例一[0046]如图1所示，一种模块化结构的机器人，包括控制器和机器人，所述机器人包括基座、多功能的末端执行模块以及两者之间交替连接的中空关节模块和连接模块，通过调整中空关节模块和连接模块改变机器人的自由度和输出力矩，控制器通过连接线依次与中空关节模块和末端执行模块串联连接，所述连接模块内部中空，所述连接线贯穿中空关节模块和连接模块；

[0047]所述中空关节模块用于根据控制信息控制连接模块或末端执行模块在360°范围

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内进行旋转运动；

[0048]所述控制器用于采用串联式EtherCAT通讯方法将控制信息传输给中空关节模块和末端执行模块，从而控制中空关节模块和末端执行模块的工作状态；[0049]所述多功能的末端执行模块包括多种末端执行器。[0050]上述机器人的工作原理为：用户根据应用场景的需要，调整中空关节模块、连接模块和末端执行模块，从而得到用户所需的自由度和输出力矩的机器人，控制器通过采用串联式EtherCAT通讯方法分别与中空关节模块和末端执行模块连接，从而控制机器人的运动。因为机器人使用内部中空的中空关节模块和连接模块，连接线直接贯穿中空关节模块和连接模块，从而使中空关节模块的旋转角增加至360°，提高了机器人的灵活性。通过采用采用串联式EtherCAT通讯方法进行通讯，避免使用并联连接产生过多的连接线。通过使用多功能的末端执行模块，根据不同的应用场景，切换不同的末端执行器，所述末端执行器包括有摄像头、手抓器或者电焊笔等，增加机器人的功能，满足人们对机器人多功能的要求。[0051]进一步作为优选的实施方式，所述中空关节模块包括若干个中空关节，所述中空关节包括多种型号的中空关节，且每种型号的中空关节具有不同的扭矩功率，所述连接模块包括若干个直线连接杆和/或若干个转角连接杆，所述直线连接杆包括多种型号的直线连接杆，所述转角连接杆包括多种型号的转角连接杆。[0052]所述每个中空关节具有两个连接口，一个固定接口，一个运动接口。根据中空关节所能提供的扭矩功率将中空关节区分成不同的型号，型号分别有：14A、17A、20A、25A等，不同型号的中空关节的连接口尺寸不一样。所述直线连接杆和转角连接杆都具有两个连接口，所述直线连接杆的两连接口的轴向相同，所述转角连接杆的两连接口的轴向相互垂直。根据连接杆的两连接口区分连接杆的型号，如果某连接杆的两连接口分别与20A型号的中空关节连接，则该连接杆的型号为20A&20A；如果某连接杆的一连接口与25A型号的中空关节连接，另一接口与20A型号的中空关节连接，则该连接杆的型号为20A&25A。每种型号的直线连接杆根据长度的长短区分长直线连接杆和短直线连接杆，在每种型号下设定的以第一长度设定为长，以第二长度设定为短。如图3所示，为长的20A&25A直线连接杆；如图4所示，为短的20A&25A直线连接杆，如图5所示，为短的17A&20A直线连接杆；如图6所示，为长的14A&17A直线连接杆；如图7所示，为短的14A&17A直线连接杆；如图8所示，为14A&17A转角连接杆；如图9所示，为17A&20A转角连接杆。通过组合不同型号的中空关节和连接杆可以搭建丰富种类的机器人，可以满足多种应用场景，提高了机器人的适应性。[0053]进一步作为优选的实施方式，所述末端执行模块安装有若干个末端执行器。当末端执行器数目为两个或两个以上时，所述末端执行器通过串联的方式连接至中空关节模块。

[00]根据不同的应用场景，切换不同的末端执行器，增加机器人的功能，满足人们对机器人多功能的要求，同时也可以将多个末端执行器串联实用。比如，末端执行模块包括自适应抓手和摄像机，所述摄像机依次通过自适应抓手和中空关节模块串联至控制器，控制器同时控制自适应抓手和摄像机进行工作。[0055]进一步作为优选的实施方式，各所述中空关节包括输出端编码器、中空谐波减速器、中空力矩电机、输入端光栅编码器和驱动器，所述驱动器分别与输出端编码器、输入端光栅编码器和中空力矩电机连接，所述中空谐波减速器分别与输出端编码器与中空力矩电

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机连接，所述中空力矩电机与输入端光栅编码器连接，所述驱动器可拆卸的固定在中空关节的外壳上；

[0056]所述输出端编码器用于实时检测中空谐波减速器输出端的速度信息，并将检测到的信息发送给驱动器；

[0057]所述中空谐波减速器用于降低中空力矩电机的转速，从而提高输出力矩；[0058]所述中空力矩电机用于向中空谐波减速器提供动力；

[0059]所述输入端光栅编码器用于实时检测中空力矩电机的转速信息，并将检测到的信息发送给驱动器；

[0060]所述驱动器用于控制和检测输出端编码器、中空力矩电机和输入端光栅编码器的工作状态，并将从各部件接收到的信息反馈回给控制器。[0061]所述中空谐波减速器包括刚轮和柔轮，所述刚轮与中空关节的壳体固定连接。所述柔轮与中空力矩电机连接，所述柔轮用于降低中空力矩电机的转速，从而提高输出力矩。所述中空力矩电机给柔轮提供动力。因为驱动器可以拆卸，方便对对驱动器进行线连接。当需要安装某中空关节时，可以拆卸下驱动器进行线安装，提高了用户的操作体验。[0062]进一步作为优选的实施方式，各所述中空关节还包括失电制动器，所述失电制动器与中空力矩电机连接。

[0063]所述失电制动器用于失电制动。[00]进一步作为优选的实施方式，所述中空关节模块和连接模块之间采用径向连接方式进行连接。

[0065]采用径向连接方式进行连接，方便对中空关节模块和连接模块的组装和拆卸。由于每一个中空关节都有驱动器，每个驱动器都有线连接口，因此需要更换机器人某些部件时，只需拆卸某部件即可，无需整机拆卸。[0066]参照图1，对一具体模块化结构机器人进行解释分析。该机器人包括包括基座1，基座上与第一25A中空关节2的固定接口连接，所述第一25A中空关节2的运动接口与第二25A中空关节3的固定接口连接，所述第二25A中空关节3的运动接口与20A&25A直线连接杆4的一接口连接，所述20A&25A直线连接杆4的另一接口与20A中空关节5的固定接口连接，所述20A中空关节5的运动接口与17A&20A转角连接杆6的一接口连接，所述17A&20A转角连接杆6的另一接口通过一17A&17A直线连接杆7与第一17A中空关节8的固定接口连接，所述第一17A中空关节8的运动接口与第二17A中空关节9的固定接口连接，所述第二17A中空关节9的运动接口与14A&17A直线连接杆10的一接口连接，所述14A&17A直线连接杆10的另一接口与第一14A中空关节11的固定接口连接，所述第一14A中空关节11的运动接口与第二14A中空关节12的固定接口连接，所述第二14A中空关节12的运动接口与末端执行模块连接；[0067]所述控制器通过连接线连接至第一25A中空关节2的驱动器，第一25A中空关节2的驱动器通过连接线连接至第二25A中空关节3的驱动器，各中空关节的驱动器依次连接，最后第二14A中空关节12的驱动器通过连接线连接至末端执行模块。[0068]上述机器人包括了7个中空关节，每个中空关节都可以进行360°选择，也即该机器人具有7个自由度，最终该机器人的输出力矩为14A。用户可根据具体的使用场景可以搭建不同自由度的机器人和不同输出力矩的机器人，该机器人具有良好的适应性，而且机器人搭建方便，有利于用户的操作。

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实施例二

[0070]如图2所示，一种模块化结构的机器人的控制方法，包括以下步骤：[0071]S1、预先设计控制算法数据库。[0072]其中，S1包括步骤S11～S12：[0073]S11、针对每种类型的机器人，计算机器人的运动学正逆解，根据计算获得的正逆解生成相应的控制算法。所述每种类型的机器人为通过末端执行模块、中空关节模块和连接模块搭建的不同类型的机器人。所述计算机器人的运动学正逆解的步骤，具体为：根据机器人的结构及自由度参数选择相应的运动学逆解求解方法计算机器人的运动学正解公式。其中，运动学逆解求解方法包括解析解法、数值解法和几何解法。[0074]其中，所述运动学正解公式为：

[0075]

其中，Aj表示机器人末端的齐次坐标变换矩阵，Ai表示两个连续连杆之间的齐次坐标变换矩阵；向量p表示表示机器人末端位置信息，向量[noa]表示机器人末端姿态信息，n，o，a分别为normal(垂直轴)、orientation(方向轴)与approach(接近轴)，用于表示机器人末端姿态相对于全局参考坐标系Fx,y,z的另一个坐标系Fn,o,a。[0077]S12、将各种类型的机器人的控制算法进行打包和存储。[0078]S2、根据机器人结构在获取可视化的中空关节模型、连接模型及末端执行模型，并搭建机器人模型，根据机器人模型自动从控制模型数据库中获取相应的控制算法。[0079]S3、根据用户输入的信息设置机器人的工作参数，基于串联式EtherCAT通讯方法，结合控制算法和工作参数自动对机器人进行控制。所述工作参数包括各中空关节的旋转参数、距离参数、夹角参数，以及末端执行器的姿态参数。[0080]用户根据搭建的机器人，用户在控制器的控制界面上获取可视化的中空关节模型、连接模型及末端执行模型，所述模型已经编好存储在控制器中，用户只需直接调用获取即可，将获取到的模型连接搭建成机器人。搭建机器人后，系统会自动从控制模型数据库中获取与该机器人匹配的控制算法。获取控制算法后，用户在控制界面上输入机器人的工作参数，如末端执行器运动开始的位姿信息和运动结束的位姿信息，控制器结合控制算法和用户输入的工作参数自动的控制机器人进行运动。[0081]通过上述控制方法，用户只需在控制器的可视化界面上搭建机器人模型，控制器系统自动生成控制算法，无需用户编写控制程序，从而使控制方法更加简单方便，方便于用户的操作使用。

[0082]以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做作出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

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