六軸工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)

吳德君

（陜西國防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 西安 710300）

20世紀(jì)50年代末，通用性強(qiáng)的工業(yè)用自動(dòng)操作裝置被美國研制出來，后來被稱為工業(yè)機(jī)器人[1]。該裝置能夠代替人類在危險(xiǎn)、多變、要求嚴(yán)謹(jǐn)?shù)沫h(huán)境中工作，甚至在多數(shù)場合能比人工更為可靠而高效的工作；在深海、太空等人類難以企及的環(huán)境中，機(jī)器人能完成人類根本不能勝任的任務(wù)。工業(yè)機(jī)器人研制出后，各國家均十分重視工業(yè)機(jī)器人的設(shè)計(jì)與研究，在該裝置的研究上取得了很大的進(jìn)步。控制系統(tǒng)作為工業(yè)機(jī)器人的核心，成為了機(jī)器人研究領(lǐng)域的研究重點(diǎn)?，F(xiàn)在大多數(shù)控制系統(tǒng)通用性弱不強(qiáng)，開放性差且不易于擴(kuò)展。本文設(shè)計(jì)的雙級控制系統(tǒng)能滿足多種領(lǐng)域的工業(yè)機(jī)器人控制要求，可以提高工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)的開放性及靈活性，具有一定的研究價(jià)值及意義。

1 工業(yè)機(jī)器人結(jié)構(gòu)

如圖1所示，工業(yè)機(jī)器人一般由機(jī)械本體、驅(qū)動(dòng)裝置、控制系統(tǒng)、傳感器系統(tǒng)與視覺系統(tǒng)等部分構(gòu)成[2]。機(jī)械本體是是工業(yè)機(jī)器人的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，屬于機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)，主要由底座、臂部、腕部、關(guān)節(jié)以及末端執(zhí)行器構(gòu)成。末端執(zhí)行器上面裝配不同夾持器、夾具、手部等就能實(shí)現(xiàn)不同的功能，是直接執(zhí)行操作的裝置。驅(qū)動(dòng)裝置主要提供動(dòng)力給機(jī)械本體，電氣傳動(dòng)、液壓傳動(dòng)以及氣壓傳動(dòng)是常用的三種驅(qū)動(dòng)方式，目前使用較多的是電氣傳動(dòng)，能源便于獲得，效率較高。電氣傳動(dòng)一般使用交流伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，由交流伺服電機(jī)、驅(qū)動(dòng)器和減速器等部分構(gòu)成[3-4]。

圖1 工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 控制系統(tǒng)硬件架構(gòu)

控制系統(tǒng)硬件實(shí)現(xiàn)采用兩級計(jì)算機(jī)控制結(jié)構(gòu)，如圖2所示。該結(jié)構(gòu)的最大優(yōu)勢在于當(dāng)系統(tǒng)需要完成復(fù)雜、精密度高的任務(wù)時(shí)，工業(yè)機(jī)器人的控制系統(tǒng)能夠快速、有效、可靠的分解和規(guī)劃工作任務(wù)，對于不同的工作部分還可以并行實(shí)現(xiàn)。

2.1 上位機(jī)

工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)頂層上位機(jī)采用工控機(jī)控制，工控機(jī)具有技術(shù)成熟、可靠、接口豐富等明顯優(yōu)勢，如果系統(tǒng)需更換下位機(jī)，只要選擇合適控制接口與下位機(jī)連接即可。除此之外，工業(yè)機(jī)器人路徑規(guī)劃、插補(bǔ)運(yùn)算還有運(yùn)動(dòng)學(xué)的正逆向求解都需要上位機(jī)擁有快速運(yùn)算能力和較大容量存儲能力。與此同時(shí)，工控機(jī)能夠根據(jù)用戶需要選擇Linux或者Windows等主流操作系統(tǒng)，并在選擇的系統(tǒng)上安裝相對成熟的軟件工具為工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)提供軟件上的擴(kuò)展，現(xiàn)階段常在工控機(jī)上安裝MicroSoft VisualC++或Qt等可視化軟件開發(fā)環(huán)境，用以開發(fā)友好直觀的人機(jī)交互界面，以此作為工業(yè)機(jī)器人控制軟件。

2.2 下位機(jī)

采用DMC-2163運(yùn)動(dòng)控制卡作為下位機(jī)控制系統(tǒng)。該運(yùn)動(dòng)控制卡是Galil公司DMC-21x3系列運(yùn)動(dòng)控制卡的一種。DMC-2163作為獨(dú)立型運(yùn)動(dòng)控制卡，具有靈活多變的特點(diǎn)，同時(shí)能夠控制多達(dá)6個(gè)不同類型的電機(jī)，所配置的RS232和Ethernet等接口能夠和觸摸屏與上位機(jī)等上層設(shè)備連接進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞。

圖2 控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

3 關(guān)節(jié)伺服電機(jī)和驅(qū)動(dòng)器

本設(shè)計(jì)采用日本松下MINAS系列交流伺服電機(jī)及驅(qū)動(dòng)器，該驅(qū)動(dòng)器控制模式靈活多樣，如轉(zhuǎn)矩、位置、速度控制以及組合控制等，本設(shè)計(jì)伺服驅(qū)動(dòng)器采用位置控制模式。MINAS系列驅(qū)動(dòng)器能夠快速處理來自DMC-2163運(yùn)動(dòng)控制卡的指令，按照指令要求快速準(zhǔn)確地驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)；該驅(qū)動(dòng)器可以自動(dòng)調(diào)整增益從而使伺服電機(jī)盡最大可能按照運(yùn)動(dòng)控制卡所發(fā)指令運(yùn)行。系統(tǒng)所配置的伺服電動(dòng)機(jī)末端均安裝有光電編碼器，與伺服電動(dòng)機(jī)一同連接到伺服驅(qū)動(dòng)器對應(yīng)的接口；工控機(jī)發(fā)出指令到DMC運(yùn)動(dòng)控制卡，該卡與伺服驅(qū)動(dòng)器相連，這就能夠獲得電動(dòng)機(jī)所轉(zhuǎn)過的角度，整個(gè)控制系統(tǒng)便構(gòu)成一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)。

工業(yè)機(jī)器人伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)與DMC-2163運(yùn)動(dòng)控制卡必須正確連接，才可以確保頂層控制軟件對工業(yè)機(jī)器人各個(gè)關(guān)節(jié)進(jìn)行準(zhǔn)確可靠的控制。ICM-20105D通過表1的對應(yīng)方式與松下MINASA4-CNI/F伺服驅(qū)動(dòng)器相互連接。

表1 ICM-20105D與松下MINASA4-CNI/F伺服驅(qū)動(dòng)器信號對應(yīng)關(guān)系

4 工控機(jī)軟件設(shè)計(jì)

據(jù)工業(yè)機(jī)器人控制軟件設(shè)計(jì)要求搭建了模塊化的機(jī)器人控制軟件系統(tǒng)，如圖3所示。第一步在Win7上配置Qt開發(fā)環(huán)境。第二步，新建工程，添加DMC-2163運(yùn)動(dòng)控制卡的動(dòng)態(tài)鏈接庫、頭文件（dmcwin.h）和實(shí)現(xiàn)文件（dmcwin.cpp）到新工程中。第三步，使用作為主類的QMain Window，QWidget和QDialog的派生類達(dá)到各控制模塊要求。通過Qt信號、全局變量、配置文件、事件管理等方式進(jìn)行各控制模塊間信息傳遞。機(jī)器人控制軟件系統(tǒng)劃分為指令程序管理、控制卡操作、機(jī)器人操作、軌跡規(guī)劃、示教再現(xiàn)以及系統(tǒng)設(shè)置六個(gè)功能模塊。

圖3 機(jī)器人控制軟件框圖

DMC-2163運(yùn)動(dòng)控制卡本身具有32位高速處理器、隨機(jī)存儲器和Flash閃存，可實(shí)現(xiàn)程序解析、指令解析、運(yùn)動(dòng)方式規(guī)劃以及通信等。所以可以將程序下載至運(yùn)動(dòng)控制卡存儲器中，再脫機(jī)主機(jī)運(yùn)行，這樣主機(jī)就能轉(zhuǎn)而處理其他工作任務(wù)。此種程序后綴名是dmc，是已提供的ASCII格式指令，部分程序如下：

#AxisD； ′標(biāo)號

KSD=8； ′伺服電動(dòng)機(jī)速度平滑處理

DPD=0； ′設(shè)定D軸電動(dòng)機(jī)當(dāng)前位置為0

FLD=30000； ′設(shè)定正向軟限位30000

BLD=-30000；′設(shè)定反向軟限位-30000

PRD=20000； ′向右轉(zhuǎn)20000計(jì)數(shù)單位

SPD=8000； ′設(shè)定D軸運(yùn)動(dòng)速度

ACD=25600； ′設(shè)定D軸運(yùn)動(dòng)加速度

DCD=25600； ′設(shè)定D軸運(yùn)動(dòng)減速度

SHD； ′打開電動(dòng)機(jī)

EN； ′結(jié)束程序

在主窗口工具欄和“文件”菜單均提供了程序下載與執(zhí)行功能，能夠把編輯好的程序下載至運(yùn)動(dòng)控制卡中再執(zhí)行。機(jī)器人控制軟件系統(tǒng)中模塊指令程序管理用于測試運(yùn)動(dòng)控制卡功能，編寫用戶指令程序可以采用DMC-2163運(yùn)動(dòng)控制卡所提供的兩字符指令集。

5 結(jié)束語

本設(shè)計(jì)在現(xiàn)有六軸工業(yè)機(jī)器人機(jī)械本體與配套的松下伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)基礎(chǔ)上，構(gòu)建了一套使用DMC-2163運(yùn)動(dòng)控制卡作為控制系統(tǒng)下位機(jī)，以PC機(jī)作為上位機(jī)的六軸工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)具有較強(qiáng)的通用性和擴(kuò)展性，控制軟件將不同功能設(shè)計(jì)成不同的模塊，并提供了改變機(jī)器人參數(shù)的界面，使得系統(tǒng)結(jié)構(gòu)清晰、便于操作，能夠可靠有效的應(yīng)用于工業(yè)機(jī)器人。

[1]劉極峰，易際明.機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京：高等教育出版社，2006.

[2]徐 灝.疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1980.

[3]郭 倫.六自由度并—串結(jié)構(gòu)工業(yè)機(jī)器人的設(shè)計(jì)[D].青島：青島科技大學(xué)，2013.

[3]林 威，江五講.工業(yè)機(jī)器人笛卡爾空間軌跡規(guī)劃[J].機(jī)械工程與自動(dòng)化，2014（5）：141-143.

[4]Lee C S G.Robot arm kinematics,dynamics,and control[J].Computer,1982,15(12):62-80.