本發(fā)明屬于自動化領(lǐng)域，具體涉及一種基于機器人操作系統(tǒng)ROS和無線通訊的智能多機器人控制系統(tǒng)，主要用于對機械零部件加工裝配等的全自動化生產(chǎn)線領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

目前工業(yè)機器人技術(shù)已經(jīng)趨于成熟，并應(yīng)用到了各工業(yè)自動化生產(chǎn)線中，但是工業(yè)機器人仍舊采取示教再現(xiàn)的工作模式，對于一款新的加工產(chǎn)品編程任務(wù)異常繁重。在對生產(chǎn)線的柔性制造能力要求不斷提高的背景下，對工業(yè)機器人軟件開發(fā)的高效性、可移植性等方面也提出了更高的要求。同時，隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷推進(jìn)和工業(yè)4.0智慧工廠的提出，要求生產(chǎn)線的全自動化程度進(jìn)一步提高，要求協(xié)調(diào)工作站工業(yè)機器人系統(tǒng)與工業(yè)機器人運送系統(tǒng)，最終形成無人全智能型的自動化生產(chǎn)線。隨著近年出現(xiàn)的機器人操作系統(tǒng)ROS為這一工作提供了良好平臺，ROS系統(tǒng)基于一種點對點的軟件通訊機制，同時包括了串聯(lián)式工業(yè)機器人控制算法組件，工業(yè)機器人定位導(dǎo)航功能組件及各種通訊組件，而且可以集成OpenCV、OROCOS等開源軟件，大大提高了多機器人協(xié)作的智能型控制系統(tǒng)的開發(fā)效率。

基于無線通訊的多機器人控制系統(tǒng)，需要進(jìn)行工業(yè)機器人的運動學(xué)及軌跡規(guī)劃求解、移動機器人的運動學(xué)及路徑規(guī)劃與定位導(dǎo)航計算，以及各機器人之間的通訊和協(xié)同作業(yè)調(diào)度，對于控制系統(tǒng)硬件和控制算法實現(xiàn)有著較高要求，現(xiàn)有技術(shù)在工業(yè)機器人及移動機器人的實時協(xié)同作業(yè)方面還存在不足。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

有鑒于此，本發(fā)明的目的是提供基于無線通訊的智能多機器人控制系統(tǒng)，可以實現(xiàn)全自動化無人生產(chǎn)線。

本發(fā)明的目的是通過這樣的技術(shù)方案實現(xiàn)的，一種基于無線通訊的智能多機器人控制系統(tǒng)，包括中控系統(tǒng)、工業(yè)機器人工作站系統(tǒng)和工業(yè)機器人運送系統(tǒng)，中控系統(tǒng)，包括工業(yè)PC和工業(yè)機器人控制系統(tǒng)，工業(yè)機器人控制系統(tǒng)包括PLC處理器模塊，PLC處理器模塊通過EtherCAT與工業(yè)PC相連；工業(yè)機器人工作站系統(tǒng)，包括工業(yè)機器人，工業(yè)機器人均為6DOF的串聯(lián)機器人，工業(yè)機器人的控制系統(tǒng)包括嵌入式運動控制器、伺服驅(qū)動器、傳感器和控制開關(guān)；嵌入式運動控制器通過EtherCAT連接工業(yè)PC，通過數(shù)字輸入輸出接口分別連接伺服驅(qū)動器、傳感器和控制開關(guān)；工業(yè)機器人運送系統(tǒng)包括機載計算機、嵌入式ARM控制器、電機驅(qū)動、編碼器、慣性測量單元、激光雷達(dá)和無線WIFI通訊模塊。

進(jìn)一步，所述工業(yè)PC中安裝UBUNTU操作系統(tǒng)與機器人操作系統(tǒng)ROS及Moveit！組件，并安裝OROCOS開源機器人控制軟件包；工業(yè)PC與PLC處理器模塊及嵌入式運動控制器之間采用socket通訊，工業(yè)PC與工業(yè)機器人采用無線WIFI通訊；工業(yè)PC發(fā)送指令至嵌入式運動控制器，并接收嵌入式運動控制器反饋的編碼器數(shù)據(jù)；所述工業(yè)機器人的機載計算機與嵌入式運動控制器均安裝UBUNTU操作系統(tǒng)與機器人操作系統(tǒng)ROS及Moveit！組件。

進(jìn)一步，所述工業(yè)PC使用機器人操作系統(tǒng)ROS中的話題實現(xiàn)工業(yè)PC上節(jié)點與工業(yè)機器人嵌入式運動控制器上節(jié)點、工業(yè)機器人機載計算機上節(jié)點的通訊；工業(yè)PC獲取工業(yè)機器人傳遞過來的所處的空間位置信息，將運動指令傳遞給工業(yè)機器人嵌入式運動控制器。

進(jìn)一步，所述的工業(yè)PC調(diào)用ROS的Moveit！并結(jié)合OROCOS軟件包的KDL組件進(jìn)行工業(yè)機器人運動學(xué)計算和軌跡規(guī)劃，通過socket向工業(yè)機器人嵌入式運動控制器發(fā)送目標(biāo)位置指令，并實時獲取工業(yè)機器人當(dāng)前位置，同時利用機器人操作系統(tǒng)ROS中Rviz工具實時顯示工業(yè)機器人的運動。

進(jìn)一步，所述工業(yè)機器人運送系統(tǒng)包括底層運動控制模塊(該模塊的作用是什么)、信號采集與處理模塊(該模塊的作用是什么)、路徑規(guī)劃和定位導(dǎo)航算法模塊(該模塊的作用是什么)；

進(jìn)一步，路徑規(guī)劃和定位導(dǎo)航模塊通過A*最優(yōu)路徑算法以costmap的最小代價路徑作為工業(yè)機器人運動的全局路徑，使用動態(tài)窗口法進(jìn)行局部路徑規(guī)劃，并利用AMCL算法對工業(yè)機器人的位姿進(jìn)行跟蹤；所述的A*最優(yōu)路徑算法是基于深度優(yōu)先的啟發(fā)式搜索算法；所述動態(tài)窗口法在速度空間(v，w)中進(jìn)行多組數(shù)據(jù)的采樣得到多組軌跡的估計，對這些軌跡進(jìn)行評價，選取出最優(yōu)局部軌跡對應(yīng)的速度發(fā)布給機器人；所述AMCL算法是自主工業(yè)機器人在二維環(huán)境下的一種基于概率的定位系統(tǒng)，它采用自適應(yīng)或者KLD采樣蒙特卡洛方法進(jìn)行定位，并且使用粒子濾波對工業(yè)機器人在地圖中進(jìn)行位姿跟蹤。

由于采用了上述技術(shù)方案，本發(fā)明具有如下的優(yōu)點：

本發(fā)明采用ROS軟件和OROCOS開源軟件包進(jìn)行工業(yè)機器人控制系統(tǒng)軟件開發(fā)，具有開發(fā)效率高，算法實現(xiàn)容易的特點，并利用A*最優(yōu)路徑算法和AMCL算法進(jìn)行移動機器人定位導(dǎo)航和路徑規(guī)劃完成了移動機器人的控制軟件開發(fā)，最終通過無線通訊網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)了智能多機器人控制系統(tǒng)的開發(fā)。

附圖說明

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚，下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)描述，其中：

圖1為本發(fā)明工業(yè)機器人工作站系統(tǒng)示意圖；

圖2為本發(fā)明基于無線通訊的多機器人控制系統(tǒng)示意圖；

圖3為本發(fā)明工業(yè)PC與工業(yè)機器人及工業(yè)機器人的節(jié)點與話題示意圖。

具體實施方式

以下將結(jié)合附圖，對本發(fā)明的優(yōu)選實施例進(jìn)行詳細(xì)的描述；應(yīng)當(dāng)理解，優(yōu)選實施例僅為了說明本發(fā)明，而不是為了限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。

附圖1為本發(fā)明的工業(yè)機器人工作站系統(tǒng)，包括裝配機器人1、焊接機器人3、打磨機器人4、測量機器人2及逆裝配機器人5，各機器人均為包括嵌入式運動控制器的6DOF，各工位配備工裝夾具；工業(yè)機器人嵌入式運動控制器與所述的中控系統(tǒng)之間利用socket通訊，接收中控系統(tǒng)下發(fā)的控制指令并反饋編碼器信號；工業(yè)機器人嵌入式運動控制器與PLC處理器、PLC I/O之間通過Modbus總線通信；

附圖2為本發(fā)明的基于無線通訊的多機器人控制系統(tǒng)，包括工業(yè)PC、工業(yè)機器人控制系統(tǒng)與通訊系統(tǒng)、工業(yè)機器人運送系統(tǒng)；其中，工業(yè)機器人控制系統(tǒng)包括：變壓器、空氣開關(guān)、濾波器、接觸器、繼電器、開關(guān)電源、PLC處理器模塊，用于控制各工業(yè)機器人的啟動和停止，其中，PLC處理器模塊通過EtherCAT與工業(yè)PC相連；工業(yè)機器人工作站系統(tǒng)，包括裝配機器人、焊接機器人、打磨機器人、測量機器人及逆裝配機器人，各機器人均為6DOF的串聯(lián)機器人，其控制系統(tǒng)包括嵌入式運動控制器、伺服驅(qū)動器、傳感器和控制開關(guān)；嵌入式運動控制器通過EtherCAT連接工業(yè)PC，通過數(shù)字輸入輸出接口分別連接伺服驅(qū)動器、傳感器和控制開關(guān)；工業(yè)機器人運送系統(tǒng)，包括機載計算機、嵌入式ARM控制器、電機驅(qū)動、編碼器、慣性測量單元、激光雷達(dá)和無線WIFI通訊模塊。

附圖3為工業(yè)PC與工業(yè)機器人及工業(yè)機器人的節(jié)點與話題。Robot_Interface、Robot_Receptor為工業(yè)機器人節(jié)點，Center_Receptor、StationRobot、Center_Interface為運行在工業(yè)PC上的節(jié)點,StationRobot_Motion為運行在工業(yè)機器人嵌入式運動控制器上的節(jié)點。

Robot_Receptor將工業(yè)機器人的位置速度等狀態(tài)信息以話題/msg_to傳遞給工業(yè)PC節(jié)點Center_Receptor；Center_Receptor接收到來自工業(yè)機器人節(jié)點Robot_Receptor的話題/msg_to，分析該話題中包含的工業(yè)機器人位置速度信息，如果信息顯示工業(yè)機器人已到達(dá)指定位置，則將信號以話題/cmd_center發(fā)送給Moveit！內(nèi)部的節(jié)點StationRobot，經(jīng)過運動學(xué)及軌跡規(guī)劃運算后，得到各個關(guān)節(jié)的目標(biāo)位置，以話題/cmd_station發(fā)送給工業(yè)機器人嵌入式控制器的StationRobot_Motion節(jié)點；StationRobot_Motion將各關(guān)節(jié)的目標(biāo)運動位置發(fā)送給各關(guān)節(jié)伺服電機，使工業(yè)機器人實現(xiàn)期望軌跡，同時將實時獲得的各關(guān)節(jié)的位置以話題/Jntsts_station發(fā)送給節(jié)點StationRobot節(jié)點；StationRobot節(jié)點經(jīng)過運動學(xué)求解，得到工業(yè)機器人末端的當(dāng)前位姿，并將此信息發(fā)送至Center_Receptor；Center_Receptor節(jié)點從StationRobot節(jié)點獲得各關(guān)節(jié)位置后，通過話題/feedback_center將工業(yè)機器人當(dāng)前位姿返回工業(yè)PC上的節(jié)點Center_Interface進(jìn)行顯示，同時通過話題/Jntsts_center將工業(yè)機器人當(dāng)前位姿發(fā)送至Robot_Receptor；Robot_Receptor節(jié)點判斷工業(yè)機器人是否運動到位，如果到位則通過話題/cmd_robot通知工業(yè)機器人節(jié)點Robot_Motion進(jìn)行工業(yè)機器人的定位導(dǎo)航規(guī)劃，Robot_Motion通過話題/Jntsts_robot反饋實時運動狀態(tài)給Robot_Receptor節(jié)點；Robot_Receptor節(jié)點通過話題/feedback_robot將工業(yè)機器人運動狀態(tài)發(fā)送給Robot_Interface進(jìn)行顯示，同時通過話題/msg_to反饋信息給Center_Receptor。

基于無線通訊的多機器人系統(tǒng)的軟件實現(xiàn)，主要包括兩個部分：工業(yè)PC端對工業(yè)機器人的運動控制算法、通訊系統(tǒng)及顯示界面的編寫；工業(yè)機器人端的運動控制算法、通訊系統(tǒng)及顯示界面的編寫。

(1)工業(yè)PC端工業(yè)機器人控制軟件編寫

在工業(yè)PC中安裝UBUNTU操作系統(tǒng)與機器人操作系統(tǒng)ROS及Moveit！組件，并安裝OROCOS開源機器人控制軟件包；工業(yè)PC與PLC處理器及工業(yè)機器人嵌入式運動控制器之間采用socket通訊，工業(yè)PC與工業(yè)機器人采用無線WIFI通訊；工業(yè)PC發(fā)送指令至工業(yè)機器人的嵌入式運動控制器，并接收嵌入式運動控制器反饋的編碼器數(shù)據(jù)。工業(yè)PC使用ROS中的話題(Topic)實現(xiàn)工業(yè)PC上節(jié)點(Node)與工業(yè)機器人嵌入式運動控制器上節(jié)點(Node)和工業(yè)機器人機載計算機上節(jié)點(Node)的通訊。工業(yè)PC調(diào)用ROS的Moveit！并結(jié)合OROCOS軟件包的KDL組件進(jìn)行工業(yè)機器人運動學(xué)計算和軌跡規(guī)劃，通過socket向工業(yè)機器人嵌入式運動控制器發(fā)送目標(biāo)位置指令，并實時獲取工業(yè)機器人當(dāng)前位置，同時利用ROS中Rviz工具實時顯示工業(yè)機器人的運動。

利用Qt開發(fā)工業(yè)PC端的控制界面，將OROCOS包含進(jìn)工程，將運動學(xué)及軌跡規(guī)劃算法封裝為算法模塊，利用OROCOS的Chain組件建立6DOF的串聯(lián)機器人鏈結(jié)構(gòu)，根據(jù)工業(yè)機器人的機械結(jié)構(gòu)的DH參數(shù)并調(diào)用OROCOS中Frame組件的DH函數(shù)及Chain組件的addSegment函數(shù)將連桿結(jié)構(gòu)逐一添加至機器人鏈結(jié)構(gòu)中，由此得到工業(yè)機器人關(guān)節(jié)與末端位姿的齊次變換矩陣；通過調(diào)用ChainFkSolverPos_recursive的JntToCart函數(shù)求得從關(guān)節(jié)到末端的位置正運動學(xué)解，通過調(diào)用ChainIkSolverVel_NR的CartToJnt函數(shù)求得從末端到關(guān)節(jié)的位置逆運動學(xué)解；通過調(diào)用path_line、path_circle和path_composite分別實現(xiàn)笛卡爾坐標(biāo)直線軌跡、圓弧軌跡和復(fù)合軌跡規(guī)劃。

(2)工業(yè)機器人系統(tǒng)控制軟件編寫

在工業(yè)機器人機載計算機中安裝UBUNTU操作系統(tǒng)與機器人操作系統(tǒng)ROS及Moveit！組件，控制系統(tǒng)包括底層運動控制模塊、信號采集與處理模塊、路徑規(guī)劃和定位導(dǎo)航算法模塊及顯示界面模塊。嵌入式ARM控制器采集慣性測量單元、編碼器和激光雷達(dá)等信號進(jìn)行處理并反饋至機載計算機，機載計算機對工業(yè)機器人進(jìn)行路徑規(guī)劃和定位導(dǎo)航計算，控制驅(qū)動電機運行至工業(yè)機器人工作站，通過ROS的話題(Topic)機制上工業(yè)PC發(fā)布位置信息。使用A*最優(yōu)路徑算法以costmap的最小代價路徑作為工業(yè)機器人運動的全局路徑，使用動態(tài)窗口法(DWA)進(jìn)行局部路徑規(guī)劃，并利用AMCL算法對工業(yè)機器人的位姿進(jìn)行跟蹤。所述的A*最優(yōu)路徑算法是基于深度優(yōu)先的啟發(fā)式搜索算法；所述DWA算法在速度空間(v，w)中進(jìn)行多組數(shù)據(jù)的采樣得到多組軌跡的估計，對這些軌跡進(jìn)行評價，選取出最優(yōu)局部軌跡對應(yīng)的速度發(fā)布給機器人；所述AMCL算法是自主工業(yè)機器人在二維環(huán)境下的一種基于概率的定位系統(tǒng)，它采用自適應(yīng)(或者KLD采樣)蒙特卡洛方法進(jìn)行定位，并且它使用粒子濾波對機器人在已知的地圖中進(jìn)行位姿跟蹤。

本發(fā)明提出了一種基于無線通訊的智能多機器人控制系統(tǒng)，并按照所述流程編寫控制程序?qū)崿F(xiàn)了多機器人協(xié)作的智能控制系統(tǒng)的運行控制。

以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實施例，并不用于限制本發(fā)明，顯然，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以對本發(fā)明進(jìn)行各種改動和變型而不脫離本發(fā)明的精神和范圍。這樣，倘若本發(fā)明的這些修改和變型屬于本發(fā)明權(quán)利要求及其等同技術(shù)的范圍之內(nèi)，則本發(fā)明也意圖包含這些改動和變型在內(nèi)。