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  zealous 2017-09-15 00:00:00

  基于DSP運動控制器的5R工業(yè)機器人系統(tǒng)設(shè)計 摘要：以所設(shè)計的開放式5R關(guān)節(jié)型工業(yè)機器人為研究對象，分析了該機器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計。該機器人采 用基于工控PC及DSP運動控制器的分布式控制結(jié)構(gòu)，具有開放性強、運算速度快等特點，對其工作原理 進行了詳細的說明。機器人的控制軟件采用基于Windows平臺下的VC++實現(xiàn)，具有良好的人機交互 功能，對各組成模塊的作用進行了說明。所設(shè)計的開放式5R工業(yè)機器人系統(tǒng)，具有較好的實用性。 關(guān)鍵詞：開放式；關(guān)節(jié)型；工業(yè)機器人；控制軟件 0引言 工業(yè)機器人技術(shù)在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)自動化領(lǐng)域得到 了廣泛的應(yīng)用，也對工程技術(shù)人員提出更高的要求，作 為機械工程及自動化專業(yè)的技術(shù)人才迫切需要掌握這 一 先進技術(shù)。為了能更好地加強技術(shù)人員對工業(yè)機器 人的技能實踐與技術(shù)掌握，需要開放性強的設(shè)備來滿 足要求。本文闡述了我們所開發(fā)設(shè)計的一種5R關(guān)節(jié) 型工業(yè)機器人系統(tǒng)，可以作為通用的工業(yè)機器人應(yīng)用 于現(xiàn)場，也可作為教學(xué)培訓(xùn)設(shè)備。 1 5R工業(yè)機器人操作機結(jié)構(gòu)設(shè)計 關(guān)節(jié)型工業(yè)機器人由2個肩關(guān)節(jié)和1個肘關(guān)節(jié)進 行定位，由2個或3個腕關(guān)節(jié)進行定向，其中一個肩關(guān)節(jié) 繞鉛直軸旋轉(zhuǎn)，另一個肩關(guān)節(jié)實現(xiàn)俯仰，這兩個肩關(guān)節(jié) 軸線正交。肘關(guān)節(jié)平行于第二個肩關(guān)節(jié)軸線。這種構(gòu) 型的機器人動作靈活、工作空間大，在作業(yè)空間內(nèi)手臂 的干涉Z小，結(jié)構(gòu)緊湊，占地面積小，關(guān)節(jié)上相對運動部 位容易密封防塵，但運動學(xué)復(fù)雜、運動學(xué)反解困難，控制 時計算量大。在工業(yè)用應(yīng)用是一種通用型機器人¨。 1．1 5R工業(yè)機器人操作機結(jié)構(gòu) 所設(shè)計的5R關(guān)節(jié)型機器人具有5個自由度，結(jié)構(gòu) 簡圖如圖1所示。5個自由度分別是：肩部旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié) J1、大臂旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)J2、小臂旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)J3、手腕仰俯運動 關(guān)節(jié)J4和在旋轉(zhuǎn)運動關(guān)節(jié)J5?？傮w設(shè)計思想為：選用 伺服電機(帶制動器)驅(qū)動，通過同步帶、輪系等機械機 構(gòu)進行間接傳動。腕關(guān)節(jié)上設(shè)計有裝配手爪用法蘭， 通過不斷地更換手爪來實現(xiàn)不同的作業(yè)任務(wù)。 1．2 5R工業(yè)機器人參數(shù) 表1為設(shè)計的5R工業(yè)機器人參數(shù)。 2 5R工業(yè)機器人開放式控制系統(tǒng) 機器人控制技術(shù)對其性能的優(yōu)良起著重大的作用。隨著機器人控制技術(shù)的發(fā)展，針對結(jié)構(gòu)封閉的機 器人控制器的缺陷，開發(fā)“具有開發(fā)性結(jié)構(gòu)的模塊化、 標準化機器人控制器”是當(dāng)前機器人控制器發(fā)展的趨 勢]。為提高穩(wěn)定性、可靠性和抗干擾性，采用“工業(yè) PC+DSP運動控制器”的結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)機器人的控制：伺 服系統(tǒng)中伺服級計算機采用以信號處理器(DSP)為核 心的多軸運動控制器，借助DSP高速信號處理能力與 運算能力，可同時控制多軸運動，實現(xiàn)復(fù)雜的控制算法 并獲得優(yōu)良的伺服性能。 2．1基于DSP的運動控制器MCT8000F8簡介 深圳摩信科技公司MCT8000F8運動控制器是基 于網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的開放式結(jié)構(gòu)高性能DSP8軸運動控制器， 包括主控制板、接口板以及控制軟件等，具有開放式、 高速、高精度、網(wǎng)際在線控制、多軸同步控制、可重構(gòu) 性、高集成度、高可靠性和安全性等特點，是新一代開 放式結(jié)構(gòu)高性能可編程運動控制器。 圖2為DSP多軸運動控制器硬件原理圖。圖中增 量編碼器的A0(／A0)、B0(／B0)、c0(／CO)信號作為 位置反饋，運動控制器通過四倍頻、加減計數(shù)器得到實 際的位置，實際位置信息存在位置寄存器中，計算機可 以通過控制寄存器進行讀取。運動控制卡的目標位置 由計算機通過機器人運動軌跡規(guī)劃求得，通過內(nèi)部計 算得到位置誤差值，再經(jīng)過加減速控制和數(shù)字濾波后， 送到D／A轉(zhuǎn)換(DAC)、運算放大器、脈寬調(diào)制器 (PWM)硬件處理電路，轉(zhuǎn)化后輸出伺服電機的控制信 號或PWM信號。各個關(guān)節(jié)可以完成獨立伺服控制，能 夠?qū)崿F(xiàn)線性插補控制、二軸圓弧插補控制。 2．2機器人控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理 基于PC的Windows操作系統(tǒng)，因其友好的人機界 面和廣泛的用戶基礎(chǔ)，而成為基于PC控制器的shou選。 采用PC作為機器人控制器的主機系統(tǒng)的優(yōu)點是：①成 本低；②具有開放性；③完備的軟件開發(fā)環(huán)境和豐富的 軟件資源；④良好的通訊功能。機器人控制結(jié)構(gòu)上采 用了上、下兩級計算機系統(tǒng)完成對機器人的控制：上級 主控計算機負責(zé)整個系統(tǒng)管理，下級則實現(xiàn)對各個關(guān) 節(jié)的插補運算和伺服控制。這里通過采用一臺工業(yè) PC+DSP運動控制卡的結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)機器人控制。實驗 結(jié)果證明了采用Pc+DSP的計算結(jié)構(gòu)可以充分利用 DSP運算的高速性，滿足機器人控制的實時需求，實現(xiàn) 較高的運動控制性能。 機器人伺服系統(tǒng)框圖如圖3所示。伺服系統(tǒng)由基 于DSP的運動控制器、伺服驅(qū)動器、伺服電動機及光電 編碼器組成。伺服系統(tǒng)包含三個反饋子系統(tǒng)：位置環(huán)、 速度環(huán)、電流環(huán)，其工作原理如下：執(zhí)行元件為交流伺 服電動機，伺服驅(qū)動器為速度、電流閉環(huán)的功率驅(qū)動元 件，光電編碼器擔(dān)負著檢測伺服電機速度和位置的任 務(wù)。伺服級計算機的主要功能是接受控制級發(fā)出的各 種運動控制命令，根據(jù)位置給定信號及光電編碼器的 位置反饋信號，分時完成各關(guān)節(jié)的誤差計算、控制算法 及D／A轉(zhuǎn)換、將速度給定信號加至伺服組件的控制端 子，完成對各關(guān)節(jié)的位置伺服控制。管理級計算機采用 586工控機(或便攜筆記本)，主要完成離線編程、仿真、 與控制級通訊、作業(yè)管理等功能；控制級計算機采用586 工控機，主要完成用戶程序編輯、用戶程序解釋，向下位 機運動控制器發(fā)機器人運動指令、實時監(jiān)控、輸入輸出 控制(如打印)等。示教盒通過控制級計算機可以獲得 機器人伺服系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)(脈沖、轉(zhuǎn)角)，并用于控制級 計算機控制軟件中實現(xiàn)對機器人的示教及控制。 3 5R工業(yè)機器人運動控制軟件設(shè)計 5R工業(yè)機器人控制軟件采用C++Builder編程， Z終軟件運行在Windows環(huán)境下。C++Builder對在 Windows平臺下開發(fā)應(yīng)用程序時所涉及到的圖形用戶 界面(GUI)編程具有很強的支持能力，提供了可視化 的開發(fā)環(huán)境，可以方便調(diào)用硬件廠商提供的底層函數(shù)， 直接對硬件進行操作，而且生成目標代碼效率高。 所設(shè)計的控制軟件為分級式模塊化結(jié)構(gòu)。 管理級主模塊具有離線編程、圖形仿真、資料查詢 及故障診斷等功能，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。 (1)離線編程模塊利用計算機圖形學(xué)的成果，建立 機器人及其工作環(huán)境的模型，利用規(guī)劃算法，通過對圖 形和對象的操作，編制各種運動控制，在離線情況下生 成工作程序。 (2)圖形仿真模塊可預(yù)先模擬結(jié)果，便于檢查及優(yōu) 化。 (3)資料查詢模塊可以查閱當(dāng)日工作及近期工作 記錄、相關(guān)資料(生產(chǎn)數(shù)量、班次等)，并可以打印輸出 存檔。 (4)故障診斷模塊可以實時故障診斷，以代碼形式顯 示出故障類型，并為技術(shù)人員排除故障提供幫助信息。 控制級主模塊軟件結(jié)構(gòu)如圖5所示。 (1)復(fù)位模塊使得機器人停機時或動作異常時，通 過特定的操作或自動的方式，使機器人回到作業(yè)原點。 機器人在作業(yè)原點，機構(gòu)的各運動副所受力矩Z小，它 確定了機器人待機的安全位姿。 (2)系統(tǒng)提供兩種示教方法。diyi種示教方法即 “下位機+示教盒”的示教方法：示教盒和下位機操作 界面上的手動操作開關(guān)分別對應(yīng)著裝配機器人的各種 動作和功能。通過高、中、低速、點動等速度檔次的選 擇，對機器人進行大致的定位和精確的位置微調(diào)。并 存儲期望的運動軌跡上機器人的位置、姿態(tài)參數(shù)。第 二種方法即離線仿真的示教方法。這種示教方法是在 計算機上建立起機器人作業(yè)環(huán)境的模型，再在這個模 型的基礎(chǔ)上生成示教數(shù)據(jù)的一種應(yīng)用人工智能的示教 方法。進行示教時使用計算機圖示的方法分析機器人與作業(yè)模型的位置關(guān)系，也可以通過特定指令指定機 器人的運動位置…。 4結(jié)束語 所開發(fā)的開放式工業(yè)機器人系統(tǒng)具有以下特點： (1)采用分布式二級控制結(jié)構(gòu)，運動控制由基于 DSP的運動控制器M'CT8000F8完成，增加了系統(tǒng)的開 放性，以及運行處理的快速性及可靠性。 (2)考慮到具有良好的通用性，可以作為通用機器 人使用，具有較好的產(chǎn)業(yè)化、商品化前景。 (3)計算機輔助軟件采用基于Windows平臺的 c++編程，通過調(diào)用底層函數(shù)可以對硬件進行直接操 作，可視化環(huán)境可提供良好的人機交互操作界面。 通過本機器人系統(tǒng)的研究開發(fā)，可極大地滿足工 業(yè)現(xiàn)場對機器人的開放性要求，進一步提高我國工礦 企業(yè)自動化水平。同時，也可作為機器人技術(shù)訓(xùn)練平 臺，加強工程人員能力鍛煉。 [參考文獻] 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