六軸工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

嚴(yán)均 周煌輝

摘? 要：隨著工業(yè)機(jī)器人在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用不斷拓展，作為工業(yè)機(jī)器人核心組成部分的控制系統(tǒng)成為研究的熱點(diǎn)。該文簡要闡述了工業(yè)機(jī)器人的構(gòu)造以及控制系統(tǒng)在工業(yè)機(jī)器人整體設(shè)計(jì)中的重要性，在現(xiàn)有工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，探討了六軸工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，包括六軸工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)的硬件架構(gòu)、關(guān)節(jié)伺服電機(jī)與驅(qū)動器以及工控機(jī)軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)等。

關(guān)鍵詞：工業(yè)機(jī)器人? 控制系統(tǒng)? 六軸機(jī)器人? 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

中圖分類號：TP242 ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2019）11（c）-0078-03

Abstract： With the continuous expansion of industrial robot applications in the industrial field， the control system as the core component of industrial robot has become a hot research topic. This paper briefly expounds the construction of industrial robots and the importance of control systems in the overall design of industrial robots， and discusses the design and implementation of six-axis industrial robot control systems， including the hardware architecture of six-axis industrial robot control systems. Joint servo motors and drives， as well as the design of industrial control machine software systems.

Key Words： Industrial robot; Control system; Six-axis robot; Control system design

工業(yè)機(jī)器人是一種在工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛的自動操作裝置，由于具備一些人體的功能特點(diǎn)，因此被稱為工業(yè)機(jī)器人。工業(yè)機(jī)器人可以代替人類在各種危險(xiǎn)、嚴(yán)苛的環(huán)境下進(jìn)行高效作業(yè)，在某些方面甚至比人工作業(yè)更具可靠性與高效率。比如在深海、太空、危險(xiǎn)化學(xué)環(huán)境及真空環(huán)境中等，工業(yè)機(jī)器人可以勝任很多人類所無法完成的工作。工業(yè)機(jī)器人的出現(xiàn)在很大程度上改變了工業(yè)領(lǐng)域的作業(yè)方式，在安全性、工作效率等方面具有特別的優(yōu)勢，因此受到世界各國廣泛的重視?？刂葡到y(tǒng)是工業(yè)機(jī)器人的核心，工業(yè)機(jī)器人的性能優(yōu)劣在很大程度上取決于其控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)水平。該文基于當(dāng)前工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀，就六軸工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)進(jìn)行一些探討。

1? 工業(yè)機(jī)器人的構(gòu)造

工業(yè)機(jī)器人一般由機(jī)械本體、驅(qū)動裝置及控制系統(tǒng)這3個部分組成，根據(jù)不同的功能需求，有些工業(yè)機(jī)器人還包括傳感系統(tǒng)及視覺系統(tǒng)。機(jī)械本體是工業(yè)機(jī)器人的機(jī)械執(zhí)行機(jī)構(gòu)，主要由底座、臂、腕、關(guān)節(jié)以及末端執(zhí)行器構(gòu)成。末端執(zhí)行器是工業(yè)機(jī)器人執(zhí)行操作動作的裝置，根據(jù)應(yīng)用場合的不同及作業(yè)需要，可以在其上安裝各類夾具、工具或傳感器等。驅(qū)動裝置用以為工業(yè)機(jī)器人的機(jī)械本體提供動力，目前常用的工業(yè)機(jī)器人驅(qū)動方式主要有3種，即電氣傳動、液壓傳動以及氣壓傳動。相較于液壓傳動與氣壓傳動，電氣傳動由于能源供給便利、效率更高以及更具靈活性，在當(dāng)前工業(yè)機(jī)器人設(shè)計(jì)中被廣泛采用。工業(yè)機(jī)器人的電氣傳動通常采用交流伺服驅(qū)動系統(tǒng)，一般由伺服電機(jī)、伺服驅(qū)動器以及減速器等部分組成[1]。

控制系統(tǒng)是工業(yè)機(jī)器人的核心，是工業(yè)機(jī)器人的“大腦”，工業(yè)機(jī)器人所要完成的各種動作、操作均需由控制系統(tǒng)來設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)的功能與作用主要是進(jìn)行機(jī)器人動作的軌跡規(guī)劃、插補(bǔ)運(yùn)算、運(yùn)動學(xué)計(jì)算以及計(jì)算機(jī)器人各軸的位置、姿態(tài)等。同時(shí)，控制系統(tǒng)還負(fù)責(zé)接收并處理來自工業(yè)機(jī)器人傳感器系統(tǒng)的信號數(shù)據(jù)，依據(jù)系統(tǒng)設(shè)定來完成指令輸出，從而使機(jī)器人能夠更加可靠、精確、高效地完成工作任務(wù)。工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)的硬件主要包括人機(jī)接口設(shè)備及運(yùn)動控制器等。人機(jī)接口設(shè)備為工業(yè)機(jī)器人與操作者建立交互通道，可提供可視化界面;運(yùn)動控制器則主要負(fù)責(zé)工業(yè)機(jī)器人機(jī)械本體各關(guān)節(jié)的位置變化及加減速的控制等。

2? 六軸工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)的硬件架構(gòu)

控制系統(tǒng)的硬件架構(gòu)采用了兩級計(jì)算機(jī)的架構(gòu)形式，這種架構(gòu)形式可以使工業(yè)機(jī)器人在完成復(fù)雜、精細(xì)的作業(yè)任務(wù)時(shí)，能夠進(jìn)行更為可靠、快速的任務(wù)規(guī)劃和分解，并且可以并行完成不同的任務(wù)部分。采用工控機(jī)作為控制系統(tǒng)的頂層設(shè)計(jì)即上位機(jī)，其提供的成熟、可靠、豐富的接口在與下位機(jī)的連接上具有顯著的優(yōu)勢，當(dāng)需要更換下位機(jī)時(shí)只需要選擇合適的接口連接即可。此外，工控機(jī)還可以提供較大的存儲容量以及快速運(yùn)算能力，在機(jī)器人軌跡規(guī)劃處理、運(yùn)動學(xué)正逆求解等方面處理起來也游刃有余。下位機(jī)采用DMC-2163運(yùn)動控制卡作為控制系統(tǒng)，可以同時(shí)控制多達(dá)6個電機(jī)，具備多種接口類型實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)、觸摸屏等設(shè)備的連接通信;DMC-2163可靠性高、運(yùn)算速度快，使用方便，控制卡中灌裝的程序可獨(dú)立于上位機(jī)運(yùn)行。

六軸工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)，在工控機(jī)上所要實(shí)現(xiàn)的功能主要包括：一是同下位機(jī)（DMC-2163運(yùn)動控制卡）及六軸交流伺服驅(qū)動器進(jìn)行通信;二是軌跡規(guī)劃、插補(bǔ)算法運(yùn)行計(jì)算以及機(jī)器人運(yùn)動學(xué)求解;三是接收工業(yè)機(jī)器人狀態(tài)監(jiān)控信號以及機(jī)器人各關(guān)節(jié)所對應(yīng)編碼器的位置信息，并根據(jù)獲取的信息數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)處理。下位機(jī)DMC-2163接收到工控機(jī)發(fā)出的控制指令后，會根據(jù)指令執(zhí)行相應(yīng)的程序并將執(zhí)行信號發(fā)送到交流伺服驅(qū)動器，經(jīng)相應(yīng)信號處理后，交流伺服驅(qū)動器會將驅(qū)動指令發(fā)送給機(jī)器人各軸的伺服電機(jī)，驅(qū)動機(jī)器人各關(guān)節(jié)完成操作指令。與此同時(shí)，機(jī)器人各關(guān)節(jié)編碼器的反饋信號會經(jīng)過DMC-2163上傳至工控機(jī)，用于在工控機(jī)上實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，實(shí)時(shí)地監(jiān)控機(jī)器人的狀態(tài)和顯示數(shù)據(jù)[2]。

3? 關(guān)節(jié)伺服電機(jī)和驅(qū)動器

工業(yè)機(jī)器人的關(guān)節(jié)驅(qū)動大多采用電氣傳動方式，伺服電機(jī)及驅(qū)動器是主要部件。日本松下的MINAS系列伺服電機(jī)和驅(qū)動器，具有轉(zhuǎn)矩、位置、速度控制和組合控制等多種控制模式，在工業(yè)機(jī)器人伺服系統(tǒng)中一般采用位置控制工作模式。伺服電機(jī)配置有光電編碼器與伺服驅(qū)動器接口連接，再通過運(yùn)動控制卡實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)的信號傳遞。工控機(jī)發(fā)送指令到運(yùn)動控制卡，就可以通過與之相連的伺服驅(qū)動器獲得電機(jī)轉(zhuǎn)動的位置信號，從而形成整個控制系統(tǒng)的閉環(huán)運(yùn)行[3]。

需要注意的是，工業(yè)機(jī)器人的伺服驅(qū)動系統(tǒng)，除伺服電機(jī)、伺服驅(qū)動器外，還包括減速器以及其他的外圍電氣部件。伺服電機(jī)與減速器由于直接帶動機(jī)械本體的關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動而安裝在機(jī)械臂中，但驅(qū)動器的正常工作需要配套的外圍電氣部件，布置時(shí)還得考慮這些部件間的信息干擾等問題。因此，如何對伺服驅(qū)動系統(tǒng)進(jìn)行合理的布局至關(guān)重要。通?？梢詫Ⅱ?qū)動器及其外圍電氣部件布置在獨(dú)立的控制柜中，也可以根據(jù)需要將運(yùn)動控制器也一并布置進(jìn)去。

4? 工控機(jī)軟件設(shè)計(jì)

軟件系統(tǒng)在工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)中具有至關(guān)重要的作用，在很大程度上決定著工業(yè)機(jī)器人整個系統(tǒng)的性能?；赪indows操作系統(tǒng)的成熟性、穩(wěn)定性及可靠性，工控機(jī)的軟件設(shè)計(jì)采用其作為軟件系統(tǒng)的開發(fā)平臺，集成開發(fā)環(huán)境則采用基于C++的Qt。

根據(jù)控制軟件需求分析以及軟件設(shè)計(jì)的模塊化原則，六軸工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)的軟件總體設(shè)計(jì)為：第一步，在上位機(jī)中安裝Win7操作系統(tǒng)并部署Qt開發(fā)環(huán)境;第二步，建立一個新工程，并將DMC-2163控制卡的動態(tài)鏈接庫、頭文件和實(shí)現(xiàn)文件添加到新建的工程中;第三步，以QMainWindow為主類，使用QWidget類和QDialog類的派生類實(shí)現(xiàn)各個模塊的功能，通過Qt的信號/槽機(jī)制、全局變量、事件管理、配置文件等實(shí)現(xiàn)各模塊間的通信。

軟件系統(tǒng)功能模塊包括：指令程序管理、控制卡操作、機(jī)器人操作、軌跡規(guī)劃、示教再現(xiàn)和系統(tǒng)設(shè)置。具體如圖3所示。

5? 結(jié)語

工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用與研發(fā)是當(dāng)前工業(yè)領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展的前沿與熱點(diǎn)，而作為工業(yè)機(jī)器人核心組成部分的控制系統(tǒng)，尤其是發(fā)展的重中之重。隨著工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用范圍的不斷擴(kuò)大，對其控制系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性及準(zhǔn)確性等性能要求也不斷提高，一定程度上促進(jìn)了工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)的研發(fā)進(jìn)程。該文所述六軸工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，是在已有研究成果之上的應(yīng)用研究，相信隨著技術(shù)的不斷發(fā)展進(jìn)步，工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)將日趨完善，通用性、開放性及擴(kuò)展性也將日益提高。

參考文獻(xiàn)

[1] 李樹民，邸韜，邸仕虎.模塊化工業(yè)機(jī)器人運(yùn)動控制系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)[J].中國建材科技，2019，28（2）：108.

[2] 吳德君.六軸工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)[J].裝備制造技術(shù)，2018（4）：23-25.

[3] 吳文俊，夏蕾，陳曉斌，等.一種小功率六自由度工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)[J].科技與創(chuàng)新，2017（14）：139-140.

[4] 呂冬冬，鄭松.工業(yè)機(jī)器人開放式控制系統(tǒng)研究綜述[J].電氣自動化，2017，39（1）：88-91.