本發明涉及一種控制系統，特別涉及一種六軸焊接工業機器人防碰撞控制系統。
背景技術：
由于機器人的許多人所共知的優點，它已應用于許多工業領域，在兵工企業中、工業機器人可以用于機械加工、沖壓、加料、裝配等場合；在火化工生產中，還可排險機器人排除地雷或可疑爆炸物的險情；可以說，工業機器人已越來越多地受到企業和人們的重視；目前，我國獨立研制出6類10種工業機器人，其中噴漆、點焊、搬運、裝配、壓鑄等7種機器人達到國際中期水平，非接觸式機器人性能系統達到目前國際先進水平。
盡管機器人技術在不斷進步，工業機器人在工業上的優點很多，但現有機器人仍存在如下不足：
工業機器人在使用中傷害事故時有發生，特別是工人處在機器人的工作包絡線范圍內受到的傷害如：工人可能會被機器人的運動部件如操作臂或機器人所運動的零件所碰撞或撞擊、擠壓，以及由于人的失誤、零件故障、控制系統失效等導致的傷害；為了預防機器人傷人事故的發生，常采用聯鎖防護欄、固定防護欄、警告裝置等被動預防措施，雖然我們可以在外部環境設置很多安全屏障來避免高速運動的機器人觸碰到人，但是還是無法根本上杜絕人不去接觸機器人。
產生以上事故的原因一是現有的機器人還不能像人一樣看、聽去觀察周圍的環境并作出判斷；二是很多機器人在機器人防碰撞系統上存在一定的不足，沒有建立主動認知機制，即機器人無法識別工作周圍的環境是否存在人或者會對人造成傷害而主動采取中斷或避讓措施。
技術實現要素：
本發明的目的在于針對現有技術的改進，提供一種六軸焊接工業機器人防碰撞控制系統，以克服上述已有技術存在的不足。
本發明采取的技術方案是：一種六軸焊接工業機器人防碰撞控制系統，該系統包括運算中樞模塊、控制模塊和信息采集模塊，所述控制模塊通過數據總線分別與運算中樞模塊和信息采集模塊連接，并通過i/o口與機器人控制模塊連接進行信息交換；
所述信息采集模塊包括超聲波傳感器、位置傳感器、速度傳感器和角度傳感器；所述位置傳感器設在焊接工業機器人各機械臂前端，速度傳感器和角度傳感器設在機械臂軸關節連接處，超聲波傳感器設在各機械臂兩側中部；
超聲波傳感器用于采集機器人周邊環境的信號，搜索是否有障礙物出現；
位置傳感器用于確定機械臂末端焊槍的實時位置；
速度傳感器用于確定機器人工作時各機械臂模塊以及軸關節的運動和旋轉速度；
角度傳感器用于確定每一個機械臂轉過的角度，實時定位機器人的機械臂運動空間區域；
所述運算中樞模塊包括多個并行運算模塊和一個實時運算模塊，并行運算模塊用于為并行計算提供硬件和軟件界面，實時控制模塊通過綜合使用和分析從控制模塊獲取的各種信息，實時計算機器人機械臂末端焊槍的最終位置，認知周邊環境狀態，并通過控制模塊實時給機器人控制系統發出是否主動采取中斷或避讓措施的指令；
所述控制模塊的作用：
一是將信息采集模塊采集的信息送運算中樞模塊進行并行運算和實時運算，對最終認定的機械臂末端焊槍的位置、角度、運動速度以及周圍環境信息作出判斷；
二是根據運算中樞模塊運算和判斷的結果向機器人控制模塊發出是否主動采取中斷或避讓措施的指令；
三是與外部網絡進行信息交換，或接受人工控制命令，或者輸出當前機器人機械臂運動的路徑規劃到外部設備。
其進一步的技術方案是：所述并行運算模塊采用gpu圖形處理器，實時運算模塊采用cpu中央處理器；并行運算模塊和實時運算模塊被包括在運算中樞模塊中，其包括關系或是在一個實際個體上：二者均在arm處理器上，或是分別為兩個部分：在電路板上分別有多個gpu圖形處理器和一個cpu中央處理器；
所述控制模塊采用小型可編程控制器plc。
更進一步：所述控制模塊通過數據總線連接外部網絡構成網絡交換系統，一是用于運算模塊與控制模塊之間進行通信；二是與外部網絡進行信息交換，或接受人工控制命令，或者輸出當前機器人機械臂運動的路徑規劃到外部設備。
所述控制模塊之小型可編程控制器plc中嵌入防碰撞程序。
由于采取上述技術方案，本發明之一種六軸焊接工業機器人防碰撞控制系統
具有以下有益效果：
1．本發明之一種六軸焊接工業機器人防碰撞控制系統通過信息采集模塊采集的機器人機械臂末端焊槍的信息，輸送運算中樞模塊運算，控制模塊及時將計算和判斷的結果向機器人控制模塊發出是否主動采取中斷或避讓措施的指令，該系統的安全區判斷機制包括狀態的監測：位置，速度，io狀態，報警，從而最大可能的預防傷害事故的發生，降低事故發生的概率，保障工人的人身安全，提高企業的生產安全性；
2．本發明一種六軸焊接工業機器人防碰撞控制系統通過i/o口與機器人控制模塊連接進行信息交換；工作時，當有工人誤入機械臂運動的包絡線范圍內，機器人機械臂上的傳感器檢測到該環境發生變化有危險信號的存在，將該信號反饋到機器人控制器，機器人控制器根據此時機械臂的速度，運動角度，檢測到危險信號的距離等及時對此信號做出安全性處理，減緩機器人運動速度或者小角度運行甚至停止機器人運動，從而避免安全事故的發生，當碰撞不可避免的發生了，還可以觸發報警裝置，在短時間為受傷員工發出求救信號；
3．所述運算中樞模塊包括多個并行運算模塊和實時運算模塊，使機器人控制系統在處理復雜并行運算的性能得到提升，尤其當機器人在做復雜動作時，輸出機器人姿態的反饋和控制信息速度會得到大幅度提升；
4．該一種六軸焊接工業機器人防碰撞控制系統屬于獨立模塊，所有內部程序可以升級更新，預留有更多接口可以擴展其他新式功能，增添更多的附加實用性，用于學校的實驗教學環境時可培養學生開發程序的興趣。
下面結合附圖和實施例對本發明之一種六軸焊接工業機器人防碰撞控制系統的技術特征作進一步的說明。
附圖說明
圖1：本發明之一種六軸焊接工業機器人防碰撞控制系統結構框圖（圖1中六軸焊接工業機器人的機器人控制模塊通過各軸電機伺服器與機器人機械臂末端各軸電機電連接）。
具體實施方式
一種六軸焊接工業機器人防碰撞控制系統，該系統包括運算中樞模塊、控制模塊和信息采集模塊，所述控制模塊通過數據總線分別與運算中樞模塊和信息采集模塊連接，并通過i/o口與機器人控制模塊連接進行信息交換；
所述信息采集模塊包括超聲波傳感器、位置傳感器、速度傳感器和角度傳感器；所述位置傳感器設在焊接工業機器人各機械臂前端，速度傳感器和角度傳感器設在機械臂軸關節連接處，超聲波傳感器設在各機械臂兩側中部；
超聲波傳感器用于采集機器人周邊環境的信號，搜索是否有障礙物出現；
位置傳感器用于確定機械臂末端焊槍的實時位置；
速度傳感器用于確定機器人工作時各機械臂模塊以及軸關節的運動和旋轉速度；
角度傳感器用于確定每一個機械臂轉過的角度，實時定位機器人的機械臂運動空間區域；
所述運算中樞模塊包括多個并行運算模塊和一個實時運算模塊，并行運算模塊用于為并行計算提供硬件和軟件界面，實時控制模塊通過綜合使用和分析從控制模塊獲取的各種信息，實時計算機器人機械臂末端焊槍的最終位置，認知周邊環境狀態，并通過控制模塊實時給機器人控制系統發出是否主動采取中斷或避讓措施的指令；
所述控制模塊的作用：
一是將信息采集模塊采集的信息送運算中樞模塊進行并行運算和實時運算，對最終認定的機械臂末端焊槍的位置、角度、運動速度以及周圍環境信息作出判斷；
二是根據運算中樞模塊運算和判斷的結果向機器人控制模塊發出是否主動采取中斷或避讓措施的指令；
三是與外部網絡進行信息交換，或接受人工控制命令，或者輸出當前機器人機械臂運動的路徑規劃到外部設備。
所述并行運算模塊采用gpu圖形處理器，實時運算模塊采用cpu中央處理器；并行運算模塊和實時運算模塊被包括在運算中樞模塊中，其包括關系或是在一個實際個體上：二者均在arm處理器上，或是分別為兩個部分：在電路板上分別有多個gpu圖形處理器和一個cpu中央處理器；
所述控制模塊采用小型可編程控制器plc。
所述控制模塊通過數據總線連接外部網絡構成網絡交換系統，一是用于運算模塊與控制模塊之間進行通信；二是與外部網絡進行信息交換，或接受人工控制命令，或者輸出當前機器人機械臂運動的路徑規劃到外部設備。
所述控制模塊之小型可編程控制器plc中嵌入防碰撞程序。
本發明之一種六軸焊接工業機器人防碰撞控制系統工作原理以及各模塊功能如下：
（1）當機械臂末端焊槍運動過程中周圍環境發生變化，信息采集模塊及時將監測到的環境變化信息以及機械臂的位置和運動信息通過i/o口反饋到控制模塊；
（2）控制模塊將信息傳遞給運算中樞模塊進行并行運算和實時運算，對最終認定的機械臂末端焊槍的位置、角度、運動速度以及周圍環境信息作出判斷，向機器人控制模塊發出是否主動采取中斷或避讓措施的指令；
（3）機器人控制模塊根據控制模塊發出的控制指令，控制驅動機構作為是否主動采取中斷或避讓措施的操作。
機器人控制系統是安裝于一塊電路板上的運算中樞模塊，控制模塊，數據總線，信息采集模塊。
運算中樞模塊用于進行機器人控制相關的運算，是一種具有大規模并行運算能力的計算中樞處理器：一是通過數據總線所傳輸的用于運算的傳感器數據或其他運算相關數據；二是通過數據總線與其他模塊連接通信，列如輸出運算結果形成控制命令給控制模塊或接受控制模塊發送的用于運算的數據信息。
通過網絡交換系統所連接的運算中樞模塊和控制模塊，可在模塊間進行通信；數據總線還可通過連接以太網(ethernet)，接受人工控制命令，或者輸出當前機器人移動的路線規劃等至外部設備；但不限于此。
運算中樞模塊所在的機器人控制系統應用在機器人機械臂的運動領域時，通過接受處理控制模塊所發送的機器人的位置信息或加速度、角速度等姿態信息，在進行運算后輸出當前機器人機械臂末端焊槍的準確位置、所規劃的一定時間內的運動路徑和當前運動環境的應對策略等信息。
并行運算模塊被包括在運算中樞模塊中,用于處理并行運算。采用gpu(graph1csprocessingunit)圖形處理器進行并行運算；并行運算模塊的數量有多個是指并行模塊的數量大于一個，優選情況有上百個；并行運算模塊數量較多時,機器人控制系統在處理復雜并行運算的性能會被提升，尤其在機器人移動的場景中，輸出機器人姿態的反饋和控制信息速度會被提升；其中gpu負責并行處理自定位算法中的大規模粒子濾波，實時輸出機器人在環境中的參考位置。
實時運算模塊被包括在運算中樞模塊中，采用cpu(centralprocessingunit)中央處理器進處理實時運算，從而可以在機器人控制系統用于機器人運動的場景中，綜合使用和分析從數據總線獲取的各種信息，實時計算機器人的最終濾波后的位置，認知周邊環境狀態，并通過路徑與速度規劃算法給出實時的速度指令。
并行運算模塊和實時運算模塊被包括在所述運算中樞模塊中，所述包括關系可以是在一個實際個體上、即二者均在arm處理器上；也可以是分別為兩個部分,例如在電路板上有多個gpu和一個cpu，分別作為并行運算模塊和實時運算模塊完成運算工作。
控制模塊的核心是可提供實時運算及控制功能的微控制器，是用于控制機器人移動或動作的模塊，通過采集和處理數據采集模塊所獲取的傳感數據，控制機器人調整姿態；可通過通信接口控制數據采集模塊采集所需要的數據，或者發送控制命令，或者接受所控制模塊的信息反饋，控制模塊實現控制功能所需的控制命令通過數據總線從運算中樞模塊獲取，但不限于此，在優選情況下控制模塊還可以自行處理其控制的數據采集模塊所采集的數據后發出控制命令。
控制模塊通過數據總線與其它模塊連接通信，例如輸出處理后的機器人狀態相關的數據，或接受運算中樞模塊發送的控制指令信息。
在優選情況下采用plc作為控制模塊，控制模塊用于控制一個或多個用于獲取機器人姿態與位置信息的數據采集模塊。
所述數據采集模塊用于獲取機器人的外部環境和自身狀態的信息，由感知機器人角速度、加速度、定位等傳感元件組成；所述數據采集模塊在每個機器人控制系統中可以是一個或多個，當不止一個時，每個數據采集模塊所負責的功能可相同或不同。
所述數據采集模塊包括以下至少一項：用于獲取機器人姿態信息的慣性測量模塊，用于獲取機器人位置信息的定位模塊；慣性測量模塊用于采集機器人在移動時的姿態信息和矯正機器人姿態，姿態信息包括機器人當前的速度、方位或轉動的角度等信息，矯正機器人姿態包括變換當前移動的方向角度。
數據總線用于連接本系統中所包括的各模塊，以及連接外部網絡，使得所有模塊通過數據總線可以進行通信和數據交換，并通過數據總線所連接的外部網絡與外界進行信息交換。
網絡交換系統功能類似于網絡總線，通過網絡交換系統所連接的運算中樞模塊和控制模塊，可在模塊間進行通信。數據總線還可通過連接以太網(ethernet)與如圖1中所示出的外部網絡進行信息交換，例如，接受人工控制命令，或者輸出當前機器人移動的路線規劃等至外部設備，但不限于此，運算中樞模塊通過數據總線發送控制指令至控制模塊，控制模塊通過數據總線發送機器人狀態數據至運算中樞模塊。
控制模塊發送的控制指令包括運算中樞所計算的路徑信息、機器人即將進行的動作指令、當前定位結果等。
發送機器人狀態數據是指通過控制模塊收集并處理后的反映機器人姿態和位置的數據信息，通過控制模塊的處理，可以為運算中樞模塊分流一定的工作。
本系統還包括可擴展接口，所述可擴展接口用于與外界通信以及連接其它可用于機器人控制系統的模塊，從而達到擴展機器人控制系統規模，拓展機器人控制系統功能的目的；所述可擴展接口包括但不限于網絡端口、無線接口、usb接口、高清接口以及其它工業界別的通信接口。