六軸工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)探究

湯嘉榮

摘 要：六軸工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)要求具有高實(shí)時(shí)性和高精度，本文研究了一種基于RTX的工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)。本文對(duì)工業(yè)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)做了準(zhǔn)確介紹，重點(diǎn)分析了基于RTX的控制系統(tǒng)構(gòu)架，并探究了其軟硬件結(jié)構(gòu)，在利用Windows界面功能和RTX實(shí)時(shí)處理能力，實(shí)現(xiàn)了開放、可擴(kuò)展的六軸工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)。實(shí)踐表明，這種工業(yè)機(jī)器人的點(diǎn)位和軌跡精度均滿足生產(chǎn)需要，值得推廣。

關(guān)鍵詞：工業(yè)機(jī)器人；控制系統(tǒng)；實(shí)時(shí)性；探究

中圖分類號(hào)：TP242 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

隨著機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中，機(jī)器人發(fā)揮著越來越重要的作用，改變了傳統(tǒng)的生產(chǎn)和生活方式。引起了世界各國的廣泛關(guān)注。工業(yè)機(jī)器人由機(jī)器人控制系統(tǒng)和機(jī)器人本體兩部分組成，一般工業(yè)計(jì)算機(jī)使用Windows操作系統(tǒng)，但是卻無法滿足工業(yè)機(jī)器人實(shí)時(shí)性控制要求。國內(nèi)的運(yùn)動(dòng)控制器主要采用三種方案。

方案一：ARM（linux）+DSP+ FPGA，核心運(yùn)算在DSP實(shí)現(xiàn)，ARM（linux）里面實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互。例如廣州數(shù)控采用本方案。

方案二：PC（Windows）+DSP+ FPGA，核心運(yùn)算在DSP實(shí)現(xiàn)，PC（Windows）里面實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互。例如固高采用本方案。

方案三：PC（Windows）+DSP+ FPGA，核心運(yùn)算在PC實(shí)現(xiàn)，PC（Windows）里面實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互。例如卡諾普采用本方案。

本文研究了一種基于RTX（Real Time Extend）的工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)，在實(shí)時(shí)性、精度方面均有優(yōu)勢，可滿足應(yīng)用需要。

一、工業(yè)機(jī)器人本體介紹

我國自主研發(fā)的六軸工業(yè)機(jī)器人本體的驅(qū)動(dòng)裝置，采用的是交流伺服電機(jī)和減速器兩種構(gòu)件。六軸工業(yè)機(jī)器人的本體，主要包括回轉(zhuǎn)機(jī)體、腕部、大臂和小臂等幾部分。其中，全部關(guān)節(jié)都是轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)。機(jī)器人的前三個(gè)關(guān)節(jié)，能夠?qū)⒛┒斯ぞ咚椭寥魏慰臻g位置，后三個(gè)關(guān)節(jié)能夠滿足不同工具姿態(tài)的要求。

從結(jié)構(gòu)上面來看，第1關(guān)節(jié)為數(shù)值方向旋轉(zhuǎn)，屬于六軸工業(yè)機(jī)器人腰部關(guān)節(jié)，底部底座位置安裝著電機(jī)；第2關(guān)節(jié)相當(dāng)于人體的肩關(guān)節(jié)，其軸線為水平方向，并且大臂纏繞此軸線之上；第3關(guān)節(jié)就是機(jī)器人的小臂和手腕，而第4關(guān)節(jié)為帶動(dòng)手腕旋轉(zhuǎn)，第5關(guān)節(jié)做俯仰旋轉(zhuǎn)運(yùn)用，第6關(guān)節(jié)做旋轉(zhuǎn)運(yùn)用。

Windows系統(tǒng)屬于多任務(wù)操作系統(tǒng)，可同時(shí)并行多項(xiàng)任務(wù)，系統(tǒng)核心層的任務(wù)調(diào)度器可調(diào)度用戶線程。同時(shí)，Windows系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了一個(gè)由優(yōu)先驅(qū)動(dòng)的搶占式調(diào)度系統(tǒng)，通過配額的調(diào)整，根據(jù)時(shí)間進(jìn)行調(diào)度。根據(jù)調(diào)度機(jī)制，在運(yùn)行過程中，用戶的程序如果超過了實(shí)時(shí)性的要求，即超過15ms，則可能需要等待更長時(shí)間才能得以處理。

Windows系統(tǒng)中的硬件采用的是兩片級(jí)聯(lián)的8259芯片，但是由于PCI分配中斷資源屬于常規(guī)中斷，且由于BIOS運(yùn)行屬于實(shí)時(shí)模式，因此只有在保護(hù)模式下其才能夠正常使用。這也就是說，目前系統(tǒng)中的中斷實(shí)現(xiàn)還存在局限性，需要加以進(jìn)一步開發(fā)和研究，完善系統(tǒng)中斷實(shí)現(xiàn)，以更好適應(yīng)機(jī)器人控制系統(tǒng)發(fā)展，滿足其要求。

基于此，本文探究了一種基于RTX系統(tǒng)的六軸工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)。

二、基于RTX工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)介紹

（一）RTX系統(tǒng)

事實(shí)上，RTX是Windows系統(tǒng)內(nèi)核體系的拓展和眼神，為系統(tǒng)提供實(shí)時(shí)解決方案，有效拓展了抽象層HAL，建立了一種獨(dú)立內(nèi)核驅(qū)動(dòng)模式。RTX系統(tǒng)可將既有系統(tǒng)的線程間切換時(shí)間消耗，也只有短短的數(shù)微妙。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

經(jīng)過拓展的實(shí)時(shí)HAL，其RTX使用的是中斷管理模式，而與Windows線程相比，RTX可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)線程嚴(yán)格調(diào)度管理，并且RTX線程也比其他系統(tǒng)的調(diào)度權(quán)要優(yōu)越。同時(shí)，通過擴(kuò)展的HAL，RTX還擁有自身的中斷管理機(jī)制，可直接訪問I/O硬件端口。因此，RTX的上述機(jī)制，可該系統(tǒng)始終保持優(yōu)先權(quán)，而不被系統(tǒng)線程堵塞。RTX線程與Windows線程間，可實(shí)現(xiàn)共享內(nèi)存數(shù)據(jù)，并由實(shí)時(shí)信號(hào)負(fù)責(zé)兩部分的同步通信。RTX定時(shí)器精度，由運(yùn)行環(huán)境來決定和設(shè)置，可達(dá)到0.2ms精度。

（二）系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)分析

六軸工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)結(jié)構(gòu)包括三部分，即機(jī)器人手臂、電氣控制箱和工業(yè)計(jì)算機(jī)。如圖2所示。

機(jī)器人手臂主要負(fù)責(zé)機(jī)器人操作，其可直接帶動(dòng)末端，控制和實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)的各種動(dòng)作和操作。機(jī)器人手臂為全關(guān)節(jié)式，通過旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)可實(shí)現(xiàn)任何動(dòng)作和姿態(tài)。而電氣控制箱則是內(nèi)里安裝有伺服電動(dòng)驅(qū)動(dòng)器的部分，用于驅(qū)動(dòng)機(jī)器人手臂關(guān)節(jié)，實(shí)現(xiàn)手臂關(guān)節(jié)的啟停與運(yùn)動(dòng)。同時(shí)，這部分還包括各種保護(hù)電路、輔助電路和I/O電路等。

在基于RTX機(jī)器人控制器與人機(jī)操作界面中，工業(yè)計(jì)算機(jī)可進(jìn)行正常運(yùn)行，控制和處理機(jī)器人的信息，控制機(jī)器人手臂運(yùn)動(dòng)。基于RTX六軸機(jī)器人硬件系統(tǒng)，主要包括PCI板卡、工控機(jī)、編碼器卡、伺服電機(jī)，以及D/A轉(zhuǎn)化卡、伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器等。

（三）系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)分析

六軸工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)包括人機(jī)操作界面、目標(biāo)軌跡聲場和下位機(jī)等部分，分為上位機(jī)和下位機(jī)兩個(gè)模塊。其中，下位機(jī)是系統(tǒng)的控制器，上位機(jī)是人機(jī)操作平臺(tái)。由于上位機(jī)是機(jī)器人系統(tǒng)的操作平臺(tái)，其主要功能包括顯示機(jī)器人運(yùn)行、顯示機(jī)器人各關(guān)節(jié)編碼器反饋信息、顯示機(jī)器人狀態(tài)監(jiān)控信號(hào)，以及與RTX機(jī)器人控制器通訊。

而下位機(jī)由于為機(jī)器人操作系統(tǒng)控制器，其主要功能包括：一是通過編碼器卡來實(shí)時(shí)接收電機(jī)位置反饋數(shù)據(jù)，二是通過共享內(nèi)存來接收上位機(jī)發(fā)出的實(shí)時(shí)目標(biāo)指令；三是經(jīng)過控制算法模塊來反饋數(shù)據(jù)與目標(biāo)指令，從而給出指令，在經(jīng)由D/A轉(zhuǎn)換，輸出模擬信號(hào)控制伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，最終形成閉環(huán)控制系統(tǒng)。

三、六軸工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)實(shí)踐

基于RTX系統(tǒng)的六軸工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)，通過軟件結(jié)構(gòu)與硬件結(jié)構(gòu)，探究出了一種基于RTX的六軸工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)。這種工業(yè)機(jī)器人本體的重量為20kg，其額定負(fù)載1kg，其一軸和二軸采用的電機(jī)均為400W，而三軸采用的是200W伺服電機(jī)，第四軸、第五軸和第六軸選用50W伺服電機(jī)。基于RTX機(jī)器人控制器的控制周期為1ms，其運(yùn)動(dòng)規(guī)劃控制主要由S型曲線實(shí)現(xiàn)。

機(jī)器人運(yùn)動(dòng)軌跡精度測量，則使用FARO激光跟蹤儀，是將激光跟蹤儀固定于機(jī)器人末端，其發(fā)射與接收器實(shí)時(shí)快速跟隨靶球移動(dòng)，用以測量基于RTX系統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)軌跡的精度。機(jī)器人點(diǎn)運(yùn)動(dòng)和軌跡運(yùn)動(dòng)精度見表1。

結(jié)論

本文探究了一種基于RTX六軸工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)架構(gòu)，同時(shí)利用了Windows資源與RTX的實(shí)時(shí)處理能力，探究出了一種開放型的、可擴(kuò)展的工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)，從而為六軸工業(yè)機(jī)器人控制算法與功能擴(kuò)展提供了基礎(chǔ)。同時(shí)，基于RTX系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的研制成功，也表明我國具有了自主研發(fā)的機(jī)器人，其測試和實(shí)踐結(jié)果表明，基于RTX體系結(jié)構(gòu)的六軸工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制效果良好。

機(jī)器人控制系統(tǒng)給定的輸入信號(hào)為正弦信號(hào)，根據(jù)仿真所得的結(jié)果，表明系統(tǒng)顯示出了良好的動(dòng)態(tài)特性。而通過建立機(jī)電仿真模型，在分析進(jìn)給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)整體動(dòng)態(tài)特性的同時(shí)，還能夠分析機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)特征，以及設(shè)計(jì)伺服控制算法、優(yōu)化調(diào)整控制參數(shù)等，為提升工業(yè)自動(dòng)化整體性能發(fā)揮更大的作用。

結(jié)語

隨著工業(yè)的發(fā)展，特別是機(jī)器人制造技術(shù)的發(fā)展，更加智能的機(jī)器人控制系統(tǒng)已經(jīng)被制作出來。傳統(tǒng)基于Windows系統(tǒng)的工業(yè)機(jī)器人，雖然也適應(yīng)工業(yè)發(fā)展需求，但是其精度和實(shí)時(shí)性控制方面，卻不適應(yīng)未來發(fā)展趨勢。文章根據(jù)工業(yè)發(fā)展需要，探究了一種基于RTX系統(tǒng)的六軸工業(yè)機(jī)器人，介紹了其控制系統(tǒng)中的硬件和軟件部分，并探討了其實(shí)際運(yùn)行的效果，結(jié)果表明適應(yīng)生產(chǎn)需要，值得推廣。

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