基于FPGA內(nèi)部Dual-RAM的多軸機(jī)器人指令存儲(chǔ)

(電子科技大學(xué)光電信息學(xué)院，成都610054)

(電子科技大學(xué)光電信息學(xué)院，成都610054)

為了解決高精度多軸機(jī)器人控制系統(tǒng)中FPGA塊RAM容量有限的問題，提出了一種保存規(guī)劃運(yùn)動(dòng)指令的方法。利用FPGA塊RAM生成Dual-RAM，通過軸選判斷器選擇出有效運(yùn)動(dòng)參數(shù)，再按軸號分別存入各Dual-RAM。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:采用該方法，直接使用FPGA內(nèi)部RAM，避免了外部RAM擴(kuò)展，從而精簡了指令存儲(chǔ)電路，增強(qiáng)了系統(tǒng)可移植性。該機(jī)器人系統(tǒng)目前已成功應(yīng)用于工件上下料作業(yè)，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，點(diǎn)重復(fù)精度達(dá)0.02 mm，水平聯(lián)動(dòng)速度達(dá)到5.2 m/s。

多軸機(jī)器人;指令存儲(chǔ);dual-RAM;規(guī)劃運(yùn)動(dòng)

多軸機(jī)器人的研制一直是國內(nèi)、外學(xué)者及產(chǎn)業(yè)界關(guān)注的重點(diǎn)領(lǐng)域［1-4］，由于多軸機(jī)器人的控制包括許多自成一體的研究領(lǐng)域，如計(jì)算機(jī)視覺、運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)、控制理論等，所涉及到的研究難點(diǎn)包括位姿識別、精密機(jī)械設(shè)計(jì)、軌跡規(guī)劃和插補(bǔ)、復(fù)雜指令存儲(chǔ)等諸多難題，迄今為止，核心技術(shù)仍然只被德國KUKA、瑞典ABB等少數(shù)國外研究團(tuán)隊(duì)掌握。

多軸機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制類型包括歸零、規(guī)劃運(yùn)動(dòng)和示教器控制等，其中，規(guī)劃運(yùn)動(dòng)是工業(yè)機(jī)器人作業(yè)時(shí)最主要的運(yùn)動(dòng)控制方式［5］。多軸機(jī)器人的規(guī)劃運(yùn)動(dòng)是指由上位機(jī)預(yù)先計(jì)算出機(jī)器人各軸的運(yùn)動(dòng)軌跡，并將機(jī)器人軸號、運(yùn)動(dòng)脈沖數(shù)、運(yùn)動(dòng)速度等參數(shù)信息以指令的方式發(fā)送給下位機(jī)，下位機(jī)存儲(chǔ)運(yùn)動(dòng)指令，按設(shè)定條件產(chǎn)生PWM波［6］。

本文在制作多軸機(jī)器人的基礎(chǔ)上，對規(guī)劃運(yùn)動(dòng)指令的存儲(chǔ)方法進(jìn)行多種嘗試和研究。由于指令數(shù)據(jù)量大，通常的方法是在 FPGA外部擴(kuò)展 RAM、FLASH等存儲(chǔ)芯片［7-9］，導(dǎo)致控制板電路復(fù)雜，不利于系統(tǒng)移植。提出了基于FPGA塊RAM的規(guī)劃運(yùn)動(dòng)指令存儲(chǔ)方法，從而精簡了指令存儲(chǔ)電路，并且節(jié)省了對RAM容量的占用率。

1 多軸機(jī)器人組成

1.1 多軸機(jī)器人本體組成

筆者所在科研團(tuán)隊(duì)研制的多軸機(jī)器人有4個(gè)自由度。外置相機(jī)用于實(shí)時(shí)采集工件的位置，實(shí)現(xiàn)視覺導(dǎo)航。機(jī)器人的1、2軸水平方向運(yùn)動(dòng)，3軸垂直方向運(yùn)動(dòng)，4軸水平360°旋轉(zhuǎn)，4個(gè)軸配合可以實(shí)現(xiàn)物體搬運(yùn)、碼垛、噴涂等多種作業(yè)該系統(tǒng)機(jī)器人本體如圖1所示。

1.2 高精度多軸機(jī)器人控制系統(tǒng)構(gòu)成

該多軸機(jī)器人系統(tǒng)采用PC+FPGA控制方式。PC作為系統(tǒng)的上位機(jī)，負(fù)責(zé)運(yùn)動(dòng)類型控制、軌跡規(guī)劃和人機(jī)交互等;FPGA作為系統(tǒng)的下位機(jī)，負(fù)責(zé)機(jī)器人位姿識別、與上位機(jī)通信、以及PWM發(fā)波控制等［10］。上位機(jī)和下位機(jī)通過串口連接，以指令的方式交換信息。

圖1 多軸機(jī)器人本體

2 基于FPGA塊RAM的指令存儲(chǔ)

傳統(tǒng)的存儲(chǔ)方法一般采用外部擴(kuò)展RAM或FLASH等存儲(chǔ)芯片，外部RAM擴(kuò)展原理如圖2所示。外部RAM的優(yōu)勢在于存儲(chǔ)容量更大，但是由于RAM與CPU各自獨(dú)立，數(shù)據(jù)讀寫需要地址譯碼等［11-12］，導(dǎo)致讀寫耗時(shí)大，不滿足機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的實(shí)時(shí)性要求;電路相對復(fù)雜，不利于系統(tǒng)的移植。

圖2 外部RAM擴(kuò)展原理圖

可編程邏輯器件隨著微電子制造工藝的發(fā)展取得了長足的進(jìn)步，現(xiàn)今已發(fā)展成為可以完成超大規(guī)模的復(fù)雜組合邏輯與時(shí)序邏輯的FPGA和CPLD。新一代的FPGA內(nèi)部集成塊RAM，甚至集成了中央處理器(CPU)或數(shù)字處理器(DSP)內(nèi)核［13］。

本文中采用的是cyclone IIIEP3C16Q240C8系列FPGA芯片，擁有M9K存儲(chǔ)塊，可配置成RAM、FIFO、ROM，支持單口、簡單雙口、真雙口操作模式。本文選擇簡單雙口模式，每個(gè)dual-RAM的存儲(chǔ)寬度最大值為288bit，最大深度為65536［14］，經(jīng)過合理利用，完全可以滿足工業(yè)機(jī)器人的規(guī)劃運(yùn)動(dòng)指令存儲(chǔ)要求。FPGA內(nèi)部單個(gè)dual-RAM的配置模式如圖3所示。dual-RAM通過2套數(shù)據(jù)線、地址線和控制線分別與兩端的CPU相連，仲裁邏輯模塊選定對RAM訪問的CPU。

圖3 FPGA內(nèi)部dual-RAM的配置

3 規(guī)劃運(yùn)動(dòng)指令的分軸存儲(chǔ)

3.1 多軸機(jī)器人規(guī)劃運(yùn)動(dòng)指令的構(gòu)成

多軸機(jī)器人規(guī)劃運(yùn)動(dòng)的指令，包含各軸的運(yùn)動(dòng)參數(shù)，即要運(yùn)動(dòng)的軸的軸號、該軸的目標(biāo)脈沖數(shù)、運(yùn)動(dòng)速度等［15］。本文中規(guī)劃運(yùn)動(dòng)指令的構(gòu)成如表1所示。

表1 規(guī)劃運(yùn)動(dòng)指令構(gòu)成

其中，幀頭和幀尾是在上位機(jī)和下位機(jī)通信中，用于幀校驗(yàn)的，即如果下位機(jī)接收到的幀頭或幀尾與協(xié)議約定值不同，則說明該幀指令傳輸出錯(cuò)，應(yīng)該摒棄。軸選信號(axise_choose［3:0］)標(biāo)注了該幀指令是讓哪些軸運(yùn)動(dòng)，axise_choose［3］=1則1軸運(yùn)動(dòng); axise_choose［2］=1則2軸運(yùn)動(dòng);axise_choose［1］=1則3軸運(yùn)動(dòng);axise_choose［0］=1則4軸運(yùn)動(dòng)。

3.2 機(jī)器人規(guī)劃運(yùn)動(dòng)指令的分軸存儲(chǔ)

多軸機(jī)器人控制指令具有軸多、軸選方式多、參數(shù)復(fù)雜的特點(diǎn)。例如筆者所在團(tuán)隊(duì)研制的SCARA機(jī)器人，有4個(gè)軸，則該機(jī)器人具有24即16種軸選方式，規(guī)劃運(yùn)動(dòng)中上位機(jī)指令窗口如圖4所示。

圖4 規(guī)劃運(yùn)動(dòng)的上位機(jī)指令窗口

由圖可見:當(dāng)一二軸聯(lián)動(dòng)時(shí)，三四軸無需運(yùn)動(dòng)，其運(yùn)動(dòng)參數(shù)也可以視為無效，此時(shí)若將整條運(yùn)動(dòng)指令指節(jié)存入RAM，則會(huì)造成RAM容量的浪費(fèi)。如何利用有限的片內(nèi)dual-RAM資源實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的多軸指令存儲(chǔ)，是機(jī)器人規(guī)劃運(yùn)動(dòng)控制的一個(gè)難點(diǎn)。

筆者在實(shí)踐中提出了一種指令分軸存儲(chǔ)方法，即將各軸運(yùn)動(dòng)指令分別存入不同dual-RAM中，再增加一個(gè)dual-RAM用于存儲(chǔ)軸選信號，如表2所示。

表2 規(guī)劃運(yùn)動(dòng)指令分軸存儲(chǔ)

具體指令存取過程如圖5所示，在存儲(chǔ)各軸運(yùn)動(dòng)參數(shù)時(shí)，先判斷該指令中該軸是否需要運(yùn)動(dòng)，如果要運(yùn)動(dòng)，則存儲(chǔ)該條指令;如果該軸不運(yùn)動(dòng)，則該dual-RAM中不用存儲(chǔ)該條指令。

圖5 指令分軸儲(chǔ)存流程圖

如此一來，每個(gè)dual-RAM中的指令條數(shù)得以精簡，從而控制了對片內(nèi)Ram容量的需求，并且也有效地降低了FPGA資源耗用，從而提高了FPGA芯片運(yùn)行速度。

4 總結(jié)

提出了多軸機(jī)器人中規(guī)劃運(yùn)動(dòng)指令存儲(chǔ)的新方法，制作了多軸機(jī)器人系統(tǒng)。該存儲(chǔ)方法是基于FPGA內(nèi)部dual-RAM，先通過軸選判斷器，選擇出有效運(yùn)動(dòng)參數(shù)，再按軸號分別存入各個(gè)dual-RAM。

實(shí)驗(yàn)及測試結(jié)果表明:采用本文的方法，避免了外部RAM的擴(kuò)展，從而精簡了指令存儲(chǔ)電路，增強(qiáng)了系統(tǒng)可移植性。

該視覺多軸機(jī)器人系統(tǒng)目前已成功應(yīng)用于工廠上下料和碼垛作業(yè)中，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，點(diǎn)重復(fù)精度達(dá)0.02 ms，水平聯(lián)動(dòng)速度達(dá)到5.2 m/s?；贔PGA內(nèi)部dual-RAM的按軸存儲(chǔ)規(guī)劃運(yùn)動(dòng)指令方法在該機(jī)器人系統(tǒng)中的成功實(shí)現(xiàn)，有效地降低了對多軸機(jī)器人存儲(chǔ)容量的迫切需求，有效簡化了控制電路，增強(qiáng)了系統(tǒng)可移植性。

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基于FPGA內(nèi)部Dual-RAM的多軸機(jī)器人指令存儲(chǔ)*

陳鎮(zhèn)龍，秦 娟，葉玉堂*，劉娟秀，葉 溯，張 峰，張 童

Method of Instruction Storage in Multi-Axis Robot Based on FPGA’s Dual-RAM*

CHEN Zhenlong，QIN Juan，YE Yutang*，LIU Juanxiu，YE Su，ZHANG Feng，ZHANG Tong
(School of Opto-Electronic Information，University of Electronic Science and Technology of China，Chengdu610054，China)

In order to solve the problem that the RAM of FPGA is limited in high-precisionmulti-axis robot system，a method of saving the programmed motion instruction is proposed.The effective motion parameters are selected out firstly，then stored in each FPGA’s internal dual-RAM according to the axis number.The experiment results indicated that with thismethod using the RAM of FPGA，the external expansion of RAM or Flash is avoided，thereby got the instruction storing circuit simplified，and the portability of system enhanced.The robot system runs blanking and stacking stably in the work piece，with a high precision of 0.02 mm，and speed of 5.2 m/s.

multi-axis robot;instruction storage;dual-RAM;programmed motion

10.3969/j.issn.1005－9490.2013.06.026

TP241 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A 文章編號:1005－9490(2013)06－0869－03

項(xiàng)目來源:國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(61205004);粵港招標(biāo)關(guān)鍵領(lǐng)域重點(diǎn)突破項(xiàng)目(w0510116);粵港招標(biāo)關(guān)鍵領(lǐng)域重點(diǎn)突破項(xiàng)目(w0511206);總裝預(yù)研基金(9140A01020507DZ0215);兵器集團(tuán)項(xiàng)目(w0511142)

2013-04-10修改日期:2013-05-07

EEACC:7250

陳鎮(zhèn)龍(1982-)，男，漢族，重慶巫溪人，博士研究生在讀，2007年于電子科技大學(xué)獲得碩士學(xué)位，現(xiàn)為電子科技大學(xué)光電信息學(xué)院博士研究生，主要從事機(jī)器視覺、光電測控及儀器研究，czlong008@163.com;

葉玉堂(1946-)，男，漢族，重慶忠縣人，博士生導(dǎo)師，教授，主要研究方向?yàn)楣怆姕y控及儀器、單片光電集成，ytye@uestc.edu.cn。