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

郭曉丹（廣東省國防科技技師學(xué)院，廣州　510515）

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

郭曉丹
（廣東省國防科技技師學(xué)院，廣州510515）

摘要：本文主要研究了基于RTX的六軸工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)，先是對六軸工業(yè)機(jī)器人本體進(jìn)行了介紹，然后對工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行了詳細(xì)分析，在充分利用Windows界面功能和RTX 實(shí)時(shí)處理能力上，六軸工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)更加的開放和靈活，實(shí)現(xiàn)了高實(shí)時(shí)性和精度，能夠滿足現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)需要。

關(guān)鍵詞：RTX系統(tǒng)；六軸工業(yè)機(jī)器人；控制系統(tǒng)

0　引言

近年來，機(jī)器人技術(shù)發(fā)展速度迅猛，已成為現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)的重要助力之一。目前，工業(yè)機(jī)器人主要由控制系統(tǒng)和本體組成，其中核心技術(shù)還是控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。我國現(xiàn)階段關(guān)于工業(yè)機(jī)器人運(yùn)動控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要采用的是一種基于RTX（Real Time Extend）的工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)，這種控制系統(tǒng)具有較高的精確性和實(shí)時(shí)性，能夠滿足現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)的需要。

1　工業(yè)機(jī)器人本體

我國工業(yè)機(jī)器人歷經(jīng)多年的研究和發(fā)展，在本體設(shè)計(jì)上不斷推陳出新。筆者在此主要介紹一下關(guān)于我國自主研發(fā)的六軸工業(yè)機(jī)器人，其本體主要有回轉(zhuǎn)機(jī)體、大小臂以及腕部等幾個(gè)主要構(gòu)件，并且六軸工業(yè)機(jī)器人的全部關(guān)節(jié)都采用轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)，在驅(qū)動裝置方面主要由交流伺服電機(jī)和減速器組成［1］。六軸工業(yè)機(jī)器人的轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)方面具有很強(qiáng)的靈活性，前三個(gè)關(guān)節(jié)能夠?qū)⒛┒斯ぞ咚偷叫枰目臻g位置，后三個(gè)關(guān)節(jié)能夠滿足不同工具姿態(tài)的要求，從關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)上看，六軸工業(yè)機(jī)器人的腰部關(guān)節(jié)為第1關(guān)節(jié)，其底部安裝有點(diǎn)擊設(shè)備，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)值方向旋轉(zhuǎn)。六軸工業(yè)機(jī)器人的肩關(guān)節(jié)為第2關(guān)節(jié)，其主要通過軸線和大臂相連，軸線為水平方向。六軸工業(yè)機(jī)器人的小臂和手腕為第3關(guān)節(jié)，第4關(guān)節(jié)主要帶動手腕旋轉(zhuǎn)，第5關(guān)節(jié)能夠?qū)崿F(xiàn)俯仰旋轉(zhuǎn)，第6關(guān)節(jié)能夠做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。

2　基于RTX的工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.1Windows系統(tǒng)

Windows系統(tǒng)是目前工業(yè)生產(chǎn)自動化運(yùn)用的主要系統(tǒng)，需要控制技術(shù)系統(tǒng)一般都是建立在Windows系統(tǒng)基礎(chǔ)上的，實(shí)現(xiàn)了Windows系統(tǒng)功能的延伸。Windows系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)多項(xiàng)操作，屬于多任務(wù)操作系統(tǒng)，Windows系統(tǒng)的核心層的任務(wù)調(diào)度器能夠?qū)τ脩舻木€程進(jìn)行調(diào)度，并且，Windows系統(tǒng)的調(diào)度系統(tǒng)具有優(yōu)先搶占功能，能夠及時(shí)進(jìn)行配額調(diào)整，體實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)性。在生產(chǎn)運(yùn)行過程中，用戶的操作需要符合Windows系統(tǒng)本身所具有的調(diào)度機(jī)制，用戶所設(shè)置的程序必須在規(guī)定的時(shí)限內(nèi)，一旦超過了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求，就可能需要等到更長時(shí)間才會被處理。Windows系統(tǒng)采用的是兩片級聯(lián)芯片，這種兩片級聯(lián)芯片需要在保護(hù)模式下才能正常使用。由于存在CI分配中斷資源情況，并且BIOS運(yùn)行屬于實(shí)時(shí)模式，所以，Windows系統(tǒng)在中斷控制方面還存在一定的局限性，這也是今后系統(tǒng)研究和發(fā)展的主要方向之一。

2.2RTX系統(tǒng)

RTX系統(tǒng)是建立在RTX系統(tǒng)基礎(chǔ)上的一種工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)。RTX系統(tǒng)能夠?yàn)閃indows系統(tǒng)的操作控制提供實(shí)時(shí)解決方案，對抽象層HAL進(jìn)行拓展，建立起了獨(dú)立的內(nèi)核驅(qū)動模式［2］。同時(shí)，RTX系統(tǒng)在系統(tǒng)線程切換時(shí)間方面時(shí)間非常短，幾乎可以忽略不計(jì)。RTX系統(tǒng)在經(jīng)過拓展的實(shí)時(shí)HAL，使用終中斷管理模式，能夠?qū)崿F(xiàn)對線程的嚴(yán)格調(diào)度管理。此外，RTX系統(tǒng)還具有自己的中斷管理機(jī)制，能夠直接訪問硬件端口，始終保持優(yōu)先權(quán)，避免被系統(tǒng)線程堵塞。這樣RTX系統(tǒng)就能夠?qū)崿F(xiàn)與Windows系統(tǒng)線程之間的內(nèi)存數(shù)據(jù)信息共享，可有實(shí)現(xiàn)由運(yùn)行環(huán)境來決定定時(shí)器精度，一般可以達(dá)到0.2ms精度。

2.3基于RTX的工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

六軸工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)主要包括手臂、電氣控制箱和計(jì)算機(jī)三個(gè)部分。其中，六軸工業(yè)機(jī)器人的手臂主要具有操作功能，能夠帶動末端工作，對于操作嚴(yán)格控制，并實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)的各種動作要求。六軸工業(yè)機(jī)器人的手臂為全關(guān)節(jié)式，能夠?qū)崿F(xiàn)任何動作的旋轉(zhuǎn)和移動，滿足工具操作的各種姿態(tài)要求。六軸工業(yè)機(jī)器人的電氣控制箱內(nèi)主要安裝的是伺服電動驅(qū)動器以及各種保護(hù)電路、輔助電路和I/O電路，伺服電動驅(qū)動器的主要功能就是驅(qū)動機(jī)器人的手臂關(guān)節(jié)，實(shí)現(xiàn)手臂關(guān)節(jié)的各種動作和啟停。六軸工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)中的計(jì)算機(jī)主要是負(fù)責(zé)控制和處理機(jī)器人的信息，控制手臂運(yùn)動，實(shí)現(xiàn)控制器與人機(jī)交互界面。此外，基于RTX系統(tǒng)的六軸機(jī)器人硬件還包括PCI板卡、D/A轉(zhuǎn)化卡、編碼器卡以及工控機(jī)等硬件。

2.4基于RTX的工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

六軸工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)的軟件主要分為人上位機(jī)（機(jī)操作界面、目標(biāo)軌跡聲場）以及下位機(jī)兩大部分，其中，上位機(jī)是六軸工業(yè)機(jī)器人的操作平臺，下位機(jī)六軸工業(yè)機(jī)器人的控制器。上位機(jī)作為操作平臺，主要負(fù)責(zé)機(jī)器人運(yùn)行顯示、各關(guān)節(jié)編碼器信息反饋、機(jī)器人狀態(tài)監(jiān)控信息顯示以及與RPX機(jī)器人控制通訊等功能。下位機(jī)作為六軸工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)的控制器，主要負(fù)責(zé)通過編碼卡來接收收電機(jī)位置反饋數(shù)據(jù)以及通過內(nèi)存共享來接收上位機(jī)發(fā)出的操作指令，此外，下位機(jī)還能夠利用控制算法模塊來反饋數(shù)據(jù)與目標(biāo)指令，從而給出指令，在經(jīng)由D/A轉(zhuǎn)換，輸出模擬信號控制伺服電機(jī)驅(qū)動器，最終形成閉環(huán)控制系統(tǒng)。

3　基于RTX的工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

基于RPX的六軸工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)在軟件和硬件結(jié)構(gòu)上設(shè)計(jì)比較科學(xué)合理，能夠滿足工業(yè)生產(chǎn)的要求。這種六軸工業(yè)機(jī)器人的本體重量一般為20kg，額定負(fù)載為1kg，控制周期為1ms，運(yùn)動規(guī)劃控制主要由S型曲線實(shí)現(xiàn)。基于RTX的六軸工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)使用的是FARO激光跟蹤儀，通過發(fā)射與接收器實(shí)時(shí)跟隨靶球移動的技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)對機(jī)器人運(yùn)動軌跡的精度測量，確保了工業(yè)機(jī)器人運(yùn)行的高精確性。經(jīng)過實(shí)踐證明，基于RTX的工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)運(yùn)行控制效果良好，能夠?yàn)楣I(yè)自動化性能的提升發(fā)揮更大的作用。

4　結(jié)語

如今，現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)技術(shù)不斷推陳出新，機(jī)器人制造技術(shù)和控制技術(shù)也在迅速發(fā)展，許多更加智能和方便的機(jī)器人控制系統(tǒng)被研發(fā)出來。其中，基于RTX的工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)在精度和實(shí)時(shí)性控制方面都比較完美，能夠適應(yīng)現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)的需要，擁有良好的發(fā)展前景。

參考文獻(xiàn)：

［1］王雷，劉志虎，李震，林鵬雄.六自由度裝配機(jī)械手設(shè)計(jì)及運(yùn)動學(xué)求解［J］.河北科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2014（05）.

［2］安圣慧，宋延阿.我國工業(yè)機(jī)器人行業(yè)特征及發(fā)展戰(zhàn)略［J］.中外企業(yè)家，2015（21）.

DOI:10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.11.014