嵌入式機器人控制器的設(shè)計

雷蕾

摘 要：本文介紹了嵌入式系統(tǒng)在機器人控制中的應(yīng)用——嵌入式機器人控制器設(shè)計的基本方法，首先介紹了機器人控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)和基于 PC 的控制方法，然后著重介紹了嵌入式機器人控制系統(tǒng)，以及 PC 的控制算法和控制程序移植到嵌入式控制器上的方法。

關(guān)鍵詞：嵌入式控制器內(nèi)嵌實時操作系統(tǒng)（RTOS）;數(shù)字信號處理（DSP）;G 代碼（G Code）;PC;機（Personal Computer）

1.基于PC的機器人控制系統(tǒng)

一個典型的機器人控制系統(tǒng)包括控制器、驅(qū)動系統(tǒng)、傳感器和被控對象（機器人機械本體）?？刂破髫撠熗瓿蓹C器人運動學解算、軌跡規(guī)劃，并向下面的伺候驅(qū)動器發(fā)布控制命令。

基于 DSP 的網(wǎng)絡(luò)直流伺候驅(qū)動器是用于實現(xiàn)對兩自由機器人系統(tǒng)中的電機進行伺候控制，它負責接收來自控制器的伺候控制命令，主要完成兩個方面的工作：

（1）利用專用 RS-485 總線，完成網(wǎng)絡(luò)的建立、網(wǎng)絡(luò)中信號的傳遞、總線控制權(quán)的仲裁，以及與上位機之間的通信工作。

（2）完成對電機的伺候控制。主要通過對電機的光電碼盤及電流的檢測，對電機進行閉環(huán)控制，以完成必要的控制任務(wù)。

1.1基于 DSP 的嵌入式網(wǎng)絡(luò)直流伺候驅(qū)動器

網(wǎng)絡(luò)直流伺候驅(qū)動器由兩個主要部分組成，控制部分及電機伺候驅(qū)動部分。

系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上分兩層，第一層主要為 DSP、外圍電路及網(wǎng)絡(luò)部分;第二層為電機伺候驅(qū)動部分。

第一層中，DSP 是整個系統(tǒng)的核心，完成對外部芯片的控制。兩片 128KB 的8-bit 存儲器組成 16-bit 的存儲器，可以存放程序和數(shù)據(jù)。MAX232 芯片完成 TTL電平信號與標準 RS-232 信號之間的轉(zhuǎn)換，用于接收來自上機位串口的信號。MAX491 芯片用于組成 RS-485 現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)。

驅(qū)動部分完成對直流電機的驅(qū)動，包括調(diào)速和正反轉(zhuǎn)，并且在負載變化時能夠保持相對恒定的速度。通過使用 DSP 的 PWM 輸出端口輸出具有不同占空比的周期信號，來控制橋驅(qū)動器的兩相按照一定的關(guān)系導通，最后輸出一定的關(guān)系導通，最后輸出一定的直流電壓大小到直流電機電梳兩端。同時還增加了對電機回路的電流反饋，當電流達到一定值時，可以控制橋控制器停止工作，從而關(guān)斷電機，以保證電機在堵轉(zhuǎn)的情況下不會因為持續(xù)發(fā)熱而燒毀。

1.2 PC 機與網(wǎng)絡(luò)直流伺候驅(qū)動器的接口關(guān)系

基于 DSP 的網(wǎng)絡(luò)直流伺候驅(qū)動器是用于實現(xiàn)對兩自由度機器人系統(tǒng)中的電機進行伺候控制的，它負責接受來自上機位的伺候控制命令，基于 485 的現(xiàn)場總線提供了一套完整的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。

網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動器既有 RS-232 接口，也有 RS-485 接口，如果使用 RS-232 接口，則可以直接通過 PC 機的串口向驅(qū)動器發(fā)送伺候命令，控制電機按照要求運轉(zhuǎn)，但這樣只能控制一個模塊，即模塊沒有網(wǎng)絡(luò)能力。如果要建立網(wǎng)絡(luò)，則需要使用

RS-232 到 RS-485 的信號轉(zhuǎn)換，然后通過 PC 機串口向多個模塊發(fā)送網(wǎng)絡(luò)控制命令，組建 RS-485 網(wǎng)絡(luò)。通過對不同的模塊分配網(wǎng)絡(luò)地址，在以后的控制過程中，每一條命令都是針對不同地址的網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動器，只有符合地址條件的網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動器才執(zhí)行相應(yīng)的命令。這樣，就可以通過在 PC 端進行二次開發(fā)和編程，通過串口向網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動器發(fā)送命令，實現(xiàn)復雜的控制功能。

2.兩自由度機器人控制軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計

兩自由度機器人控制軟件是一個機器人控制的集成環(huán)境，負責建立起用戶和機器人的接口。一方面，它從用戶那里獲取用 G 代碼代表的軌跡，幫助用戶對 G代碼進行仿真調(diào)試，另一方面，它向底層網(wǎng)絡(luò)控制器發(fā)送相應(yīng)的命令，控制機器人實現(xiàn)對用戶所輸入的軌跡。

基于控制軟件的功能需求，對軟件的結(jié)構(gòu)進行了大致的劃分，軟件大體上有

以下主要模塊：

1、G 代碼編輯環(huán)境。能夠允許用戶在其中對輸入的 G 代碼進行編輯，并使用一些友好的提示，僅允許輸入大寫字母和數(shù)字。

2、G 代碼的識別與解析。輸入的 G 代碼是文本形式，必須要通過數(shù)字化識別才能為計算機所使用。需要對文本形式的 G 代碼進行解析，得到用戶所描述的軌跡，然后才能執(zhí)行下一步的操作。

3、直線插補與圓弧插補算法。對解析得到的 G 代碼信息進行插補，然后顯示出其軌跡。

4、兩自由度機器人的運動學逆解。對運動進行逆解，求出各個插補點的電機位置角，然后用此數(shù)據(jù)進行機器人運動的仿真。

5、機器人控制部分，這部分主要面臨建立與機器人的通信問題。在此基礎(chǔ)上完成諸如機器人初始化，機器人自動零點查找，以及機器人軌跡執(zhí)行等操作。

2.1嵌入式機器人的控制器設(shè)計

軌跡仿真正確之后，軌跡上的每個點的電機位置便形成了。接下來，只需要在進行機器人零位調(diào)整之后將電機的位置以網(wǎng)絡(luò)控制指令的形式發(fā)送給底層模塊，機器人就會按照預(yù)定的軌跡執(zhí)行。

2.2嵌入式控制器可以取代 PC 機

以往，進行機器人控制或是機電控制的時候，如果要實現(xiàn)人機接口，一般都會選用 PC 機，使用 CTR 顯示器和鍵盤進行人機接口，向受控對象發(fā)送指令，而反饋信息再返回到顯示器上。也有以 LED 顯示簡單信息，或以按鈕來進行簡單的信號輸入的，但那些應(yīng)用的環(huán)境都很有限。嵌入式控制器具有液晶顯示器，完全可以替代 CTR 顯示器在控制器系統(tǒng)中所扮演的角色。鍵盤響應(yīng)也具有很高的實時性，可以完全滿足信息的輸入和對控制系統(tǒng)的干預(yù)等工作。而且嵌入式控制器還具有以下突出的優(yōu)點：

（1）體積小，嵌入式控制器整個系統(tǒng)體積只及 PC 機的幾十分之一。

（2）成本低，嵌入式控制器可以量身定做，量體裁衣，不但可以將成本降到最低，而且去掉不需要的部件，也可以提高控制系統(tǒng)的可靠性。

（3）功耗小，適用于野外環(huán)境或電力無法延及的環(huán)境。

2.3嵌入式機器人控制器應(yīng)用程序設(shè)計

基于 ARM 的嵌入式控制器實際上就是一臺計算機，它“麻雀雖小”，但“五臟俱全”。PC 機上的機器人控制程序具有下載能力，通過一個 USB 下載軟件，可以將 PC 機上調(diào)試好的 G 文件代碼下載到嵌入式控制器，用控制器來實現(xiàn)對機器人的控制。嵌入式控制器使用基于μC/OS-II 內(nèi)核 RTOS 操作系統(tǒng)。大體可以分為兩部分：界面和相應(yīng)的處理程序。

由于 ARM7TDMI 芯片中沒有 MMU 文件，所以其操作系統(tǒng)和用戶程序的地址編輯完全是固定的，并編輯在一起，最后生成一個文件，下載到嵌入式控制器中便可執(zhí)行。在這一點上，不同于 DOS 或 Windows 這種 PC 機操作系統(tǒng)下形成的概念。它的操作系統(tǒng)文件和用戶應(yīng)用程序是分開的，而且可以有多個應(yīng)用程序同時存于主機中。嵌入式操作系統(tǒng)和應(yīng)用系統(tǒng)是在一起的，要想換一個，必須重新下載。

（作者單位：內(nèi)蒙古師范大學 計算機科學學院）