一種冗余自由度的工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)軟件研究

李 晟 李玉曉

[摘要]介紹一種冗余自由度的工業(yè)機(jī)器人單片機(jī)分布式控制系統(tǒng)，主機(jī)的主程序、示教盒主程序、再現(xiàn)程序以及從機(jī)與主機(jī)的通訊程序的設(shè)計。

[關(guān)鍵詞]工業(yè)機(jī)器人分布式控制模塊化結(jié)構(gòu)

中圖分類號：TP2文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1871--7597(2009)1020158--01

一、引言

冗余自由度的工業(yè)機(jī)器人有七個自由度，包括機(jī)器人底座的直線運動，腰部的回轉(zhuǎn)運動，大臂的俯仰運動，小臂的俯仰運動和腕部的回轉(zhuǎn)、俯仰和左右擺動。其中前四個自由度的作用是將手腕部件定位到工作范圍內(nèi)的任意一點，后三個自由度的作用是使末端執(zhí)行器能夠完成作業(yè)任務(wù)。

機(jī)器人分布式控制系統(tǒng)以微處理器為基礎(chǔ)，合作執(zhí)行一個共同任務(wù)，其基本思想是把一個比較復(fù)雜系統(tǒng)分解，分層實施，再輔以網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行信息傳遞，從而完成整個系統(tǒng)的性能優(yōu)化。

二、控制軟件的總體設(shè)計思想

在主控單元軟件中，將機(jī)器人的工作狀態(tài)分為歸零、示教、編輯、回原點、再現(xiàn)等幾種工作狀態(tài)。軟件設(shè)計采用模塊化結(jié)構(gòu)。主控軟件共分為三大模塊，分別是主模塊、任務(wù)模塊和功能模塊，如圖1所示。

初始化模塊是對系統(tǒng)的可編程芯片進(jìn)行編程，開辟系統(tǒng)緩沖區(qū)，建立軟件標(biāo)志等；自檢模塊完成整個控制系統(tǒng)的自檢和自診斷；在歸零模塊中，機(jī)器人的主控單元向關(guān)節(jié)控制板發(fā)出指令，使所選關(guān)節(jié)歸零，即關(guān)節(jié)到達(dá)有機(jī)器人內(nèi)部傳感器確定的一個基準(zhǔn)位置；示教模塊中根據(jù)用戶指令產(chǎn)生相關(guān)的關(guān)節(jié)動作指令，將此指令傳送給關(guān)節(jié)控制板，并接收關(guān)節(jié)控制板的回送信息，還可以將機(jī)器人所希望的關(guān)節(jié)位置記憶下來；在編輯模塊中，操作者可離線修改示教記憶關(guān)節(jié)空間的坐標(biāo)值，也可修改示教記憶的路徑；在再現(xiàn)模塊中，控制系統(tǒng)對作業(yè)進(jìn)行動作規(guī)劃，生成機(jī)器人路徑。

每一個從機(jī)控制一個執(zhí)行機(jī)構(gòu)，負(fù)責(zé)機(jī)器人各關(guān)節(jié)的相應(yīng)動作。在接收控制主機(jī)的命令時，首先接收主機(jī)發(fā)送來的控制命令字，然后接收運動參數(shù)并存儲到對應(yīng)的存儲單元中。控制從機(jī)接收數(shù)據(jù)完成后，在自己的控制程序中識別命令字，之后按命令字的要求控制實現(xiàn)運動動作。

控制系統(tǒng)的主程序流程圈如圖2所示。

三、示赦和再現(xiàn)子程序

按下示教盒的“示教”鍵，則示教盒處于等待輸入示教次數(shù)n的狀態(tài)，一旦輸入，再次按下“示教”鍵，就發(fā)出讓機(jī)器人開始示教命令，并將n值發(fā)送到備關(guān)節(jié)控制單片機(jī)。而各關(guān)節(jié)控制單片機(jī)在接到命令后，隨即查詢接收示教循環(huán)次數(shù)n，對各關(guān)節(jié)進(jìn)行直接運動操作，并存儲各有關(guān)數(shù)據(jù)以便再現(xiàn)時使用，本機(jī)器人可存儲10組示教數(shù)據(jù)。再現(xiàn)運動是示教的目的，其示教再現(xiàn)子程序用來再現(xiàn)所選中10組示教中的一種。

四、通訊程序設(shè)計

主單片與示教盒之間通過單片機(jī)的串口直接進(jìn)行通訊，與AVR之間屬于多機(jī)通訊問題，通過異步通訊接收發(fā)送器8250進(jìn)行。從機(jī)須服從主機(jī)的調(diào)度、支配。串口通訊程序用于AT89S8252單片機(jī)和AVR之間的通訊，其程序框圖如圖3所示。

主機(jī)AT89S8252串行口一直處于查詢狀態(tài)，檢查是否有讓主機(jī)發(fā)送示教軌跡數(shù)據(jù)到關(guān)節(jié)控制單片機(jī)的命令或讓主機(jī)從關(guān)節(jié)控制單片機(jī)接收示教軌跡數(shù)據(jù)的命令。若與存儲指令相符，則打開示教軌跡數(shù)據(jù)文件，先讀取示教軌跡數(shù)據(jù)長度，然后將整個文件讀到主機(jī)的數(shù)據(jù)區(qū)，接著逐一發(fā)關(guān)節(jié)控制單片機(jī)地址碼，掛鉤后發(fā)送軌跡數(shù)據(jù)，發(fā)送完畢后重新進(jìn)入查詢狀態(tài)。

五、結(jié)論

基于模塊化結(jié)構(gòu)的分布式單片機(jī)系統(tǒng)，由單片機(jī)構(gòu)成上下兩級。上位機(jī)以AT89S8252單片機(jī)為核心，下位機(jī)采用AVR單片機(jī)AT9082313。機(jī)器人的控制采用計算機(jī)示教再現(xiàn)點位控制方式，具有功能分散，易于維修調(diào)試，可靠性高等特點。