開放式串聯(lián)教學(xué)機器人控制系統(tǒng)設(shè)計

丁猛 張中輝 劉蔚釗

摘 要：目前我國教學(xué)機器人平臺使用的幾乎都是工業(yè)機器人，其機械結(jié)構(gòu)封閉，系統(tǒng)開放性差，控制算法固化，并不適應(yīng)實際教學(xué)。鑒于此，以康尼公司自主研發(fā)設(shè)計的KNT-ESR6B型六自由度串聯(lián)教學(xué)機器人本體為對象，基于開放式理念搭建了硬件控制系統(tǒng)，并通過VC 6.0對機器人控制系統(tǒng)軟件進行了開發(fā)，最終基于控制程序?qū)C器人進行了運動實驗，驗證了設(shè)計的可行性。

關(guān)鍵詞：教學(xué)機器人;開放式;控制系統(tǒng)

0? ? 引言

近年來，我國工業(yè)機器人技術(shù)發(fā)展很快，已經(jīng)在制造業(yè)得到了大量應(yīng)用，隨著機器人市場的快速增長，社會對機器人專業(yè)技術(shù)人才的需求加大，目前我國開辦機器人專業(yè)的院校已經(jīng)超過三百所，對于這樣一個比較新的專業(yè)來說，需要有適合本專業(yè)教學(xué)用的專業(yè)教學(xué)設(shè)備。目前我國教學(xué)機器人平臺都是使用的ABB、FANUC、KUKA等品牌的工業(yè)機器人，其產(chǎn)品機械結(jié)構(gòu)封閉，系統(tǒng)開放性差，控制算法固化，可以說，國內(nèi)一直缺少較為合適的教學(xué)機器人產(chǎn)品。所以，很有必要開展開放式教學(xué)機器人的研究，以提高專業(yè)建設(shè)水平，培養(yǎng)高素質(zhì)機器人專業(yè)人才，提升教師科研及技術(shù)服務(wù)能力，這對于推動我國機器人技術(shù)發(fā)展有著極其重要的意義。

本文以康尼公司自主研發(fā)設(shè)計的KNT-ESR6B型六自由度串聯(lián)教學(xué)機器人本體為對象，搭建了開放式的硬件控制系統(tǒng)，并在此基礎(chǔ)之上，在Windows系統(tǒng)下基于Visual C++對控制系統(tǒng)軟件進行了開發(fā)，最終在該教學(xué)機器人平臺上進行了實驗，驗證了該軟件系統(tǒng)在本平臺上的可行性。該控制系統(tǒng)值得在實際教學(xué)過程中推廣應(yīng)用。

1? ? 教學(xué)機器人控制系統(tǒng)搭建

1.1? ? 六自由度串聯(lián)教學(xué)機器人本體

KNT-ESR6B型教學(xué)機器人本體由康尼公司自主研發(fā)，采用雙臂式結(jié)構(gòu)的六自由度串聯(lián)方式，負載為3 kg，幾何結(jié)構(gòu)滿足Pieper準(zhǔn)則，所有關(guān)節(jié)都是旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)。如圖1所示，本體主要分為6個部分，即基座、腰部、上臂、肘部、前臂和腕部。機械臂的關(guān)節(jié)1固定在基座上，關(guān)節(jié)6的機械接口是連接法蘭，法蘭盤的姿態(tài)由六個旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)軸的位置共同決定。

1.2? ? 控制系統(tǒng)電氣設(shè)計

目前市面上主流的教學(xué)機器人的控制器幾乎都是采用微處理器，其結(jié)構(gòu)封閉、底層軟件的算法固化。針對該問題，KNT-ESR6B型教學(xué)機器人電氣控制系統(tǒng)采用PC+運動控制卡的開放式結(jié)構(gòu)[1]，控制部分的硬件主要有：工業(yè)PC機、PCI1040控制板卡、山洋伺服系統(tǒng)、信號轉(zhuǎn)換板和其他一些輔助電氣設(shè)備。硬件系統(tǒng)的總體構(gòu)成方式如圖2所示，控制板卡接收工業(yè)PC機上軟件的指令，然后根據(jù)給出的指令，分別向各個軸伺服系統(tǒng)發(fā)高速脈沖，控制各軸運行的角度和速度，實現(xiàn)對機器人運行的控制。

采用開放式實驗臺，把電氣部分全部安裝在網(wǎng)孔板上，控制部分和本體之間采用方形連接器進行電氣連接，對控制系統(tǒng)中的運動控制卡、伺服系統(tǒng)、信號轉(zhuǎn)換板等部件進行接線，主要包括主控電路、信號控制電路、通信電路及其他輔助回路。搭建好的KNT-ESR6B型控制系統(tǒng)平臺如圖3所示。

2? ? 教學(xué)機器人控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

2.1? ? 控制系統(tǒng)軟件框架

軟件是控制系統(tǒng)的核心，是實現(xiàn)人機交互操作的接口?；谲浖到y(tǒng)的多任務(wù)處理、多線程編程和通用性等要求，開發(fā)平臺選用操作系統(tǒng)為Windows的工業(yè)PC機，通過Visual C++開發(fā)工具對其進行設(shè)計編程[2]。KNT-ESR6B型教學(xué)機器人軟件系統(tǒng)主要由運動學(xué)分析模塊、運動控制模塊、實驗?zāi)K這三大部分組成，如圖4所示。

2.2? ? 控制板卡二次開發(fā)流程

PCI1040運動控制卡是基于PCI總線的伺服/步進電機運動控制卡，能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜的電機運轉(zhuǎn)控制需求，可在VC、VB、C#以及LabView等環(huán)境中使用。該卡提供的函數(shù)庫種類十分豐富，通過調(diào)用控制卡的動態(tài)鏈接函數(shù)庫文件，匹配好相關(guān)接口來編寫上位機控制程序，其基本步驟如下：

（1）在Visual C++ 6.0軟件中，基于MFC

AppWizard建立一個單文檔或?qū)υ捒虻腤indows應(yīng)用程序框架。

（2）接著在工程設(shè)置選項中進行相關(guān)設(shè)置，加入板卡的庫文件PCI1040.lib和PCI1040_32.lib到工程設(shè)置窗口中鏈接項的對象/庫模塊一欄。

（3）將相關(guān)的PCI1040.h頭文件添加到具體的程序中。

（4）調(diào)用板卡相關(guān)函數(shù)，確認控制板卡已正確安裝，對控制板卡進行初始化，然后設(shè)置機器人各關(guān)節(jié)伺服系統(tǒng)的參數(shù)。最后根據(jù)軟件中對運行軌跡的要求，調(diào)用相應(yīng)庫函數(shù)來編寫控制算法，實現(xiàn)對機器人的控制。

2.3? ? 軟件功能模塊

運動學(xué)分析模塊：根據(jù)KNT-ESR6B型教學(xué)機器人的相關(guān)運動學(xué)正反解算法設(shè)計該模塊，如圖5所示，只需在“運動學(xué)正解”軟件界面中輸入相應(yīng)的各軸關(guān)節(jié)角度，軟件就可自動計算出機器人的位置和姿態(tài);在“運動學(xué)反解”軟件界面中輸入機器人空間范圍內(nèi)的某一位姿，軟件就可自動計算出機器人的8組反解結(jié)果。

運動控制模塊：由狀態(tài)顯示、單軸控制、軌跡規(guī)劃、輔助控制等幾部分組成，控制界面如圖6所示。

在該模塊中可以讀取機器人的關(guān)節(jié)狀態(tài)，通過調(diào)用PCI1040_StartLVDVCHV（ ）等函數(shù)來設(shè)置單軸運動的步長、速度以及加速度等參數(shù)以調(diào)試機器人6個關(guān)節(jié)的性能，控制每個關(guān)節(jié)的單步正反向運動，同時通過調(diào)用機器人軌跡規(guī)劃相關(guān)插補算法實現(xiàn)軌跡規(guī)劃過程。

3? ? 控制功能實驗

應(yīng)用搭建好的實驗平臺，控制KNT-ESR6B型教學(xué)機器人進行搭積木實驗，如圖7所示。在設(shè)定好相關(guān)伺服和運動控制卡的參數(shù)后，調(diào)用其軌跡規(guī)劃相關(guān)插補算法來編寫運動控制程序。對該教學(xué)機器人進行了多次重復(fù)運行實驗，結(jié)果表明該機器人能根據(jù)流程完成簡單的積木搭建實驗，證實了該開放式控制系統(tǒng)的可行性、易操作性。

4? ? 結(jié)語

本文針對當(dāng)前教學(xué)機器人機械結(jié)構(gòu)封閉、系統(tǒng)開放性差、控制算法固化，并不適應(yīng)實際教學(xué)的弊端，基于開放式理念對KNT-ESR6B教學(xué)機器人的硬件控制系統(tǒng)進行了搭建，并基于VC 6.0對機器人控制系統(tǒng)軟件進行了開發(fā)，將機器人理論中最為重要的相關(guān)算法通過軟件界面直接展示出來，并能控制機器人簡單運動。通過實驗可知，雖然該控制系統(tǒng)的精度和速度不能與工業(yè)機器人相比，但可以滿足基本教學(xué)需求，驗證了該開放式系統(tǒng)的可行性，為后期KNT-ESR6B機器人控制系統(tǒng)設(shè)計的進一步優(yōu)化提供了依據(jù)，具有一定的價值，值得推廣。

[參考文獻]

[1] 毛若愚.六軸串聯(lián)機器人控制系統(tǒng)的研究與應(yīng)用[D].大連：大連理工大學(xué)，2019.

[2] 曹斌，董伯麟，柯振輝.基于運動控制卡的桁架機器人控制系統(tǒng)設(shè)計[J].制造技術(shù)與機床，2017（3）：25-28.

收稿日期：2020-04-09

作者簡介：丁猛（1981—），男，江蘇南京人，工程師，研究方向：自動控制。