GB/T 33262-2016 工业机器人模块化设计规范

　　ICS 25. 040.30 J 28

　　中 华 人 民 共 和 国 国 家 标 准

　　GB/T 33262—2016

　　工业机器人模块化设计规范

　　Design specification ofmodularityforindustrialrobot

　　2016-12-13发布 2017-07-01实施

　　中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局中 国 国 家 标 准 化 管 理 委 员 会

　　发

　　布

　　GB/T 33262—2016

　　GB/T 33262—2016

　　前 言

　　本标准按照 GB/T 1. 1—2009给出的规则起草 。

　　本标准由中国机械工业联合会提出 。

　　本标准由全国 自动化与集成标准化技术委员会(SAC/TC159)归 口 。

　　本标准主要起草单位 :沈阳新松机器人自动化股份有限公司 、北京航空航天大学 、北京机械工业自动化所 、中机生产力促进中心 。

　　本标准主要起草人 :徐方 、邹风山 、李邦宇 、宋吉来 、魏洪兴 、杨书评 、王海丹 、刘颖 。

　　工业机器人模块化设计规范

　　1 范围

　　本标准规定了工业机器人(以下简称 “机器人 ”)模块化设计的术语 、模块化分类 、模块化设计要求和模块化设计方法等 。

　　本标准适用于工业机器人(包括串联型 、并联型 、SCARA 型)模块化设计 。

　　2 规范性引用文件

　　下列文件对于本文件的应用是必不可少的 。凡是注 日期的引用文件 ,仅注 日期的版本适用于本文件 。凡是不注日期的引用文件 ,其最新版本(包括所有的修改单)适用于本文件 。

　　GB 146. 1 标准轨距铁路机车车辆限界

　　GB 1589 道路车辆外廓尺寸 、轴荷及质量限值

　　GB/T 11291. 1—2011 工业环境用机器人 安全要求 第 1部分 :机器人

　　GB/T 12642—2013 工业机器人 性能规范

　　GB/T 12644—2001 工业机器人 特性表示

　　GB/T 14468. 1—2006 工业机器人 机械接 口 第 1部分 :板类

　　GB/T 14468. 2—2006 工业机器人 机械接 口 第 2部分 :轴类

　　3 术语和定义

　　下列术语和定义适用于本文件 。

　　3. 1 机器人模块化术语和定义

　　3. 1. 1

　　模块 module

　　构件 component

　　能够单独命名并独立地完成一定功能的单元 。

　　3. 1.2

　　机构模块 mechanism module

　　用于机器人运动的传递和运动形成的转换的模块 。

　　3. 1.3

　　控制模块 controlmodule

　　记录机器人当前运行状态 ,实现机器人控制功能的模块 。

　　3.2 机构模块术语和定义

　　3.2. 1

　　关节模块 jointmodule

　　实现机器人旋转 、移动等运动功能的模块 。

　　GB/T 33262—2016

　　3.2.2

　　连杆模块 link module

　　实现关节模块间连接的模块 。

　　3.2.3

　　模块接口 module interface

　　机构模块与机构模块相互对接的部位 。

　　3.3 控制模块术语和定义

　　3.3. 1

　　伺服驱动模块 servo motormodule

　　控制伺服电机动作的模块 。

　　3.3.2

　　主控模块 main controlmodule

　　对机器人姿态和运动轨迹进行规划 ,完成机器人的运动学计算 ,并输出相应信号量 。

　　3.3.3

　　传感模块 sensing module

　　实现机器人内部状态或外部环境感知功能 ,完成机器人本体或作业对象物理信息反馈的测量 。 3.3.4

　　I/O模块 I/O module

　　输入输出模块 。

　　3.3.5

　　安全模块 security module

　　实现过流 、过热和缺相等保护的模块 。

　　4 模块化分类

　　4. 1 原则

　　机器人模块化的分类原则如下 :

　　— 模块的划分不能影响系统的主要功能 ;

　　— 模块划分时应使各模块间相互作用最小 ,模块功能独立性最大 ,保持每个模块单元在功能及结构上有一定的独立性和完整性 ;

　　— 模块单元间的接合要素要便于联接和分离 ;

　　— 以尽可能少的模块组成尽可能多的产品,且模块结构尽量简单 、规范 ;

　　— 相同模块在结构和功能上应具有互换性 ,性能和结构各异而功能相同的模块也应能互换使用 ;

　　— 注意模块在整个系统中的作用 、可更换性与扩展性 。

　　4.2 分类

　　机器人模块分类如下 :

　　— 机构模块 ;

　　— 控制模块 。

　　5 模块化设计要求

　　5. 1 机构模块

　　5. 1. 1 构成

　　机器人的机构模块主要由下列模块构成 :

　　— 关节模块 ;

　　— 连杆模块 。

　　5. 1.2 动作范围

　　机构模块的动作距离与动作角度的范围由模块的技术规范规定 ,设计模块时应符合相应的机器人机构的模块化功能构件规范 。

　　5. 1.3 特性表达

　　机构模块的特性表达应符合 GB/T 12642—2013和 GB/T 12644—2001的规定 。

　　5. 1.4 接口

　　机构模块的接口应符合 GB/T 14468. 1—2006和 GB/T 14468. 2—2006的规定 。

　　5. 1.5 子模块特性和设计要求

　　5. 1.5. 1 关节模块自由度

　　关节模块的自由度数可有若干个 ,其中旋转和移动两种单自由度模块为基本关节模块 。

　　5. 1.5.2 连杆模块设计要求

　　连杆模块应简单可靠 ,并且能够在模块之间传递动力或信息 。

　　5. 1.5.3 连杆模块接口

　　不同长度的连杆模块具有不同方位的标准接 口 , 以使模块关节之间的连接能满足机器人不同运动学和动力学的要求 。

　　5.2 控制模块

　　5.2. 1 分类

　　遵循模块化划分原则 ,工业机器人控制器可划分为以下模块 :

　　— 主控模块 ;

　　— 伺服驱动模块 ;

　　—I/O模块 ;

　　— 安全模块 ;

　　— 传感模块 。

　　5.2.2 一般要求

　　5.2.2. 1 环境要求

　　控制器在使用 、贮存和运输过程中应满足表 1 的环境要求 。

　　表 1 环境要求

　　5.2.2.2 模块通信协议要求

　　控制器各模块的通信总线应优先满足以下几种通信协议形式中的一种或几种 ,各模块之间应满足统一的通信协议形式 :

　　—CANopen协议 ;

　　—EtherNET协议 ;

　　—EtherCAT协议 ;

　　—DeviceNet协议 ;

　　—PowerLink协议 。

　　5.2.2.3 控制器推荐的物理接口

　　控制器应具备以下几种接 口 :

　　—USB接 口 ;

　　—VGA接 口 ;

　　— 以太网接 口 ;

　　—RS232接 口 ;

　　—RS485接 口 ;

　　—CAN 接 口 。

　　5.2.2.4 供电要求

　　各模块的控制电源的供电电压应为直流 24V±2. 4 V、12V±1. 2 V或 5 V±0. 5 V。

　　5.2.3 设计要求

　　5.2.3. 1 控制器模块化设计的总体框图

　　控制器模块化设计总体框图见图 1。

　　注 : 各模块之间通信尽可能采用同一总线协议 ,也可按需求采用不同的总线协议 。

　　图 1 控制器模块化设计总体框图

　　5.2.3.2 主控模块

　　5.2.3.2. 1 功能要求

　　主控模块作为机器人控制器的核心模块 ,其设计应具备以下功能 :

　　— 运动计算与轨迹规划 ;

　　— 机器人语言及操作命令的解释处理 ;

　　— 人机交互控制 ;

　　— 传感器信息处理 ;

　　— 故障检测与诊断 ;

　　— 总线通信 ;

　　— 日志信息记录 。

　　5.2.3.2.2 接口要求

　　主控模块接口应满足以下要求 :

　　— 总线接 口 :模块之间的总线通信接 口 ,接口形式见 5. 2. 2. 3;

　　— 供电电源接 口 :模块的控制电源输入 , 电压要求见 5. 2. 2. 4。

　　5.2.3.2.3 主控模块的总线交互信息

　　主控模块通过总线与上位机 、驱动器 、I/O模块 、视觉模块 、力控制等模块通信 , 总线交互信息应包括以下内容 :

　　— 与驱动器交互信息 :主控模块配置驱动器的工作模式 、控制其状态机切换 、设置运动控制参数 ,并读取报警 、位置 、状态信息等 。驱动器的运动控制参数要求见 5. 2. 3. 3。

　　— 与 I/O模块交互信息 : 主控模块配置 I/O模块状态机切换 、配置地址映射 、I/O极性 、I/O输出 、传输 模 式 等 参 数 , 并 读 取 输 出 I/O 模 块 的 I/O 信 息 和 状 态 信 息 。 I/O 模 块 参 数 要 求 见

　　5. 2. 3. 4。

　　— 与视觉模块交互信息 :主控模块获取当前图像采集 、设定图像处理任务参数 、启动图像处理任务 ,并获取视觉模块类型 、图像处理状态参数 、工件信息描述参数 、工件基本特征点坐标值以及报警信息参数等 。视觉模块参数要求见 5. 2. 3. 6. 3。

　　— 与力控制模块交互信息 :主控模块设置力控模块配置信息 、标定信息 、门限值 、通信参数 、坐标设置参 数 等 , 并 接 收 力 控 模 块 返 回 的 力 、扭 矩 值 和 状 态 字 等 。 力 控 制 模 块 参 数 要 求 见

　　5. 2. 3. 6. 4。

　　5.2.3.3 伺服驱动模块

　　5.2.3.3. 1 功能要求

　　机器人控制器的最终执行端 ,完成主控模块轨迹规划的各种运动 ,其中驱动器根据主控模块的轨迹规划指令控制伺服电机运行 ,完成机器人各轴的运动控制 。伺服驱动模块应具备以下功能 :

　　— 总线接 口 :5. 2. 2. 3要求的任一种总线接口形式 ;

　　— 操作模式 :插补位置模式 ;

　　— 控制功能 :位置反馈闭环控制功能 ;

　　— 安全报警 :报警保护功能 ;

　　— 通信对象 :应具备 PDO(过程数据对象) 、SDO(服务数据对象) 、同步 、紧急事件处理和网络管理功能 ;

　　— 对象字典 : 电机参数 、控制参数 、编码器参数应具有对象字典读写功能 ;

　　— 状态机功能 :根据主控模块命令及内部错误切换驱动器状态 ,应具有上电禁止 、上电使能 、错误处理三种状态 ;

　　— 控制参数 :位置环和速度环的 PID参数 、前馈参数 、滤波参数 、限位参数应允许通过总线配置 ;

　　— 插补模式 :具备插补功能 ,如线性插补或样条插补等 。

　　5.2.3.3.2 接口要求

　　伺服驱动模块的接口要求如下 :

　　— 总线接 口 :模块之间的总线通信接 口 ,接口形式见 5. 2. 2. 3;

　　— 动力电源接 口 :驱动器的 动 力 电 源 输 入 , 电 压 要 求 为 三 相 电 压 为 380 V、50 Hz,单 相 电 压 为220V、50 Hz;

　　— 电机驱动接 口 :驱动伺服电机的三相动力线接 口 ;

　　— 位置反馈接 口 :伺服电机的码盘反馈接 口 。

　　注 : 位置反馈接口的接口形式推荐以下任一种 :

　　● RS485接 口 ;

　　● EnDat接 口 ;

　　● HIPERFACE接 口 ;

　　● SSI接 口 。

　　5.2.3.3.3 驱动器的总线交互信息

　　伺服驱动模块的总线交互信息应包括如下内容 :

　　— 接收驱动器的驱动信号 ,并将电机转动的位置值反馈到驱动器 ;

　　— 状态机切换 :主控模块发送命令控制驱动器的上下电及运行等状态切换 ;

　　— 操作模式配置 :配置为插补位置模式 ;

　　— 插补模式配置 :配置成线性插补或样条插补等 ;

　　— 插补周期 :周期插补时间参数 ;

　　— 传输模式 :传输模式配置 ,如同步传输 ;

　　— 通信参数 :通信对象的通信参数 ,如 PDO通信参数 、PDO 映射参数等 ;

　　— 同步帧 :总线帧格式的一种 ,用于传输同步控制 ;

　　— 插补位置值 :周期插补时主控模块规划后的目标位置值 ;

　　— 运动控制参数 :PID参数 、速度前馈参数 、扭矩前馈参数 、滤波频率参数 、位置限位参数 、速度限位参数等 ;

　　— 位置值 :编码器位置值 ;

　　— 状态字 :驱动器状态信息 ;

　　— 报警帧 :驱动器紧急报警信息 ;

　　— 驱动器参数 :驱动器厂商 、型号 、硬件版本 、软件版本等 ;

　　— 电机参数 : 电机厂商 、型号等 ;

　　— 编码器参数 :编码器厂商 、型号 、类型(增量式/绝对式) 、分辨率等 。

　　5.2.3.4 I/O模块

　　5.2.3.4. 1 功能要求

　　I/O模块采集并驱动机器人控制器以外的传感器 、指示灯 、继电器 、接触器等设备 ,并通过总线与主控模块进行信息交互 。I/O模块应具备以下功能 :

　　— 通信对象 :应具备 PDO(过程数据对象) 、SDO(服务数据对象) 、同步 、紧急事件处理和网络管理功能 ;

　　— 对象字典 :主要 I/O 映射参数 、I/O极性参数 、I/O掩码参数等应具有对象字典读写功能 ;

　　— 状态机功能 :根据主控模块命令及内部错误切换 I/O模块状态 ,应具备初始化 、预操作状态 、可操作状态 、停止状态 ;

　　— 安全报警 :具有报警保护功能 ,发生报警时设置 I/O输出为安全状态 。

　　5.2.3.4.2 接口要求

　　I/O模块的接口要求如下 :

　　— 总线接 口 :模块之间的总线通信接 口 ,接口形式见 5. 2. 2. 3;

　　— 供电电源接 口 :模块的控制电源输入 , 电压要求见 5. 2. 2. 4;

　　—I/O接 口 :与外围设备交互的接 口 。

　　5.2.3.4.3 I/O模块的总线交互信息

　　I/O模块的总线交互信息应包括如下内容 :

　　— 状态机切换 :主控模块命令控制 I/O模块的状态切换 ;

　　—I/O 映射参数 :配置 I/O模块寄存器映射 ;

　　—I/O极性参数 :配置 I/O模块寄存器极性 ;

　　—I/O掩码参数 :配置 I/O模块寄存器掩码 ;

　　— 安全 I/O极性参数 :配置 I/O模块寄存器安全输出极性 ;

　　— 通信参数 :通信对象的通信参数 ,如 PDO通信参数 、PDO 映射参数等 ;

　　— 传输模式 :传输模式配置 ,如同步传输 ;

　　— 同步帧 :总线帧格式的一种 ,用于传输同步控制 ;

　　— 状态字 :I/O模块状态信息 ;

　　— 报警帧 :I/O模块紧急报警信息 。

　　5.2.3.5 安全模块

　　5.2.3.5. 1 功能要求

　　满足 GB/T 11291. 1—2011机器人安全要求的模块功能 。

　　5.2.3.5.2 接口要求

　　安全模块的接口要求如下 :

　　— 通信接 口 :此接口为安全模块与主控模块的信息交互接 口 ,接口形式可以为 5. 2. 2. 3 之外的接口形式 ;若此通信接口为 5. 2. 2. 3 之外的接口形式 ,主控模块也应具备与之相对应的接 口 。

　　— 供电电源接 口 :模块的控制电源输入 , 电压要求见 5. 2. 2. 4。

　　5.2.3.5.3 安全模块的通信交互信息

　　发送安全相关信息到主控模块 ,接收主控模块的控制指令 。

　　5.2.3.6 传感模块

　　5.2.3.6. 1 功能要求

　　传感模块实现工业机器人视觉识别 、视觉测量 、视觉定位 、力控制 、激光测距等功能 ,完成对待抓取工件的识别 、测量 、定位 、缺陷以及力信息反馈的测量 。

　　5.2.3.6.2 接口要求

　　传感模块的接口要求如下 :

　　— 总线接 口 :模块之间的总线通信接 口 ,接口形式见 5. 2. 2. 3;

　　— 供电电源接 口 :模块的控制电源输入 , 电压要求见 5. 2. 2. 4。

　　5.2.3.6.3 视觉模块的信息交互

　　视觉模块的总线交互信息应包括如下内容 :

　　— 配置信息 :采集速度 、相机分辨率等 ;

　　— 图片信息 :采集得到的图片像素信息 ;

　　— 相机状态参数 :相机忙 、空闲等 ;

　　— 工件特征信息 :工件类别 、面积 、匹配数等 ;

　　— 特征点坐标值 :工件特征点在世界坐标系下的二维或三维坐标值 ;

　　— 报警信息 : 图像获取出错信息 。

　　5.2.3.6.4 力控制模块的信息交互

　　力控制模块的总线交互信息应包括如下内容 :

　　— 配置信息 :采集范围 、分辨率等 ;

　　— 标定信息 :标定值设定 ;

　　— 采集数据 :力和扭矩采集值 ;

　　— 门限值 :设定门限值 ;

　　— 通信配置 :通信总线类型 、波特率等 ;

　　— 状态字 :标识力控模块状态 ;

　　— 坐标转换信息 :坐标设置 。

　　6 模块化设计方法

　　6. 1 定义

　　机器人模块化设计是根据不同的作业 ,选择对应的作业模块 、机器人机构模块 ,并选择相对应的控制 、伺服模块 ,最后有机地集成可完成预定作业功能的模块化机器人系统 。

　　6.2 设计原则

　　机器人模块化的设计应遵守以下原则 :

　　— 经济性 ;

　　— 缩短设计周期 ;

　　— 互换性强 ,便于维修 ;

　　— 有利于企业采用先进技术改进旧产品 。

　　6.3 设计步骤

　　一般模块化产品的设计步骤大致相同 ,但随产品的差异略有不同 ,其设计步骤通常如下 :

　　a) 通过市场调查 ,确定机器人的总功能和主要参数 ;

　　b) 以功能分析为基础 ,将机器人划分为各种特定的功能模块 ;

　　c) 确定机器人各功能模块的结构 、尺寸 、材料 ,建立生产模块 ;

　　d) 进行机器人变型产品设计 ,构建它的功能模块和生产模块 ;

　　e) 对机器人各模块进行编码 ,建立模块的管理系统 ;

　　f) 完成机器人的施工设计 ,然后试制 、投产 。

　　6.4 机器人模块的选择

　　机器人模块选择顺序框图见图 2。具体描述如下 :

　　a) 由作业需求确定各单位机构模块的种类和规格 ;

　　b) 由作业需求确定主控模块 ,编制动作程序 、设定具体的控制方法 ;

　　c) 确定伺服驱动模块的参数和型号 ;

　　d) 由伺服模块 、主控模块及整机要求确定安全模块 ;

　　e) 由主控模块性能 、接口以及作业需求确定传感模块 ;

　　f) 由 I/O信号的数量和特性指标确定 I/O模块 ;

　　g) 计算所需的电源系统特性及参数 ,选择动力源 。

　　图 2 机器人模块选择顺序框图

　　参 考 文 献

　　[1] IEEE 1451 IEEE Standards fora SmartTransducer Interface for Sensors and Actuators