基于Linux的機械臂實時控制系統(tǒng)研究*

巢惠世，梁宏斌，蔡土淇

(遼寧科技大學 機械工程與自動化學院，遼寧 鞍山 114051)

0 引言

21世紀以來，我國工業(yè)機器臂取得了巨大的進步，隨著我國傳統(tǒng)制造業(yè)的轉(zhuǎn)型升級，我國的機械臂市場的潛力是巨大的，所以對機械臂的研究具有重要意義[1-2]?，F(xiàn)在機械臂常用的操作系統(tǒng)像VxWorks都是商用的操作系統(tǒng)，雖然實時性好，但是價格昂貴，而價格低廉、開源且可裁剪的Linux則非常適合機械臂系統(tǒng)的自主開發(fā)。由于標準的Linux操作系統(tǒng)不具備實時性，需要對其進行實時性改造。

在Linux的實時改造方面，有采用雙內(nèi)核路線的美國新墨西哥州立大學研制的RT-Linux、意大利米蘭學院研制的RTAI以及移植性更好的Xenomai[3-4]；還有采用直接修改內(nèi)核路線的加州大學開發(fā)的RED-Linux，堪薩斯大學開發(fā)的Kurt-Linux，以及實時搶占補丁RT-Patch[5]。經(jīng)過改造的Linux可以在數(shù)控系統(tǒng)、機器人系統(tǒng)、航空領(lǐng)域等得到應用。趙翔宇[6]采用嵌入式Linux對六自由度機械臂控制系統(tǒng)進行設計，運用CAN總線的分布式控制方式，實現(xiàn)了機械臂點到點的抓取控制；應思齊[7]利用Linux系統(tǒng)的嵌入式平臺作為SCARA機械臂的控制端，并基于Qt應用軟件對機械臂進行運動控制，提高了系統(tǒng)的實時性；中科院沈陽自動化研究所采用RT-Linux實時嵌入式操作系統(tǒng)，研制出基于對話方式設計實現(xiàn)的機器人示教器[8]。

本文針對機械臂實時控制系統(tǒng)開發(fā)，采用RT-Patch的改造方法對Linux進行實時性改造，在經(jīng)過改造的Linux環(huán)境下對機械臂下位機進行系統(tǒng)架構(gòu)搭建，實現(xiàn)譯碼、插補、逆解、通信功能；同時結(jié)合示教器軟件設計，完成機械臂從示教器端的指令輸入到下位機的數(shù)據(jù)處理功能，具有示教再現(xiàn)功能，同時使機械臂在實時性達到要求的前提下運行平穩(wěn)且滿足一定的運動精度要求。

1 實時控制系統(tǒng)的搭建

1.1 標準Linux的實時性分析

Linux作為開放源碼項目的典型代表，在各個領(lǐng)域都有廣泛的應用，但是標準的Linux是一款分時操作系統(tǒng)，追求的是高的信息吞吐量和公平性[9]，雖然Linux的內(nèi)核在2.4版本后支持和優(yōu)化了實時性，但是它本質(zhì)上并不是一個實時操作系統(tǒng)。主要體現(xiàn)在以下方面[10]：(1)內(nèi)核的不完全搶占；(2)中斷不可搶占；(3)時鐘顆粒粗糙；(4)實時調(diào)度策略不足；(5)優(yōu)先級反轉(zhuǎn)；(6)虛擬內(nèi)存。

1.2 Linux實時改造方法

為解決Linux的實時性問題，本文采用的方法是在Linux社區(qū)kernel的基礎上加上RT-Preempt補丁，以使得Linux滿足實時的需求[11]。RT-Preempt補丁對Linux內(nèi)核的主要改造包括：(1)通過用rtmutexes重新實現(xiàn)，使內(nèi)核內(nèi)鎖定原語(使用自旋鎖)可搶占；(2)受spinlock_t和rwlock_t保護的關(guān)鍵部分現(xiàn)在可以搶占；(3)將中斷處理程序轉(zhuǎn)換為可搶占的內(nèi)核線程，RT-Preempt補丁在內(nèi)核線程上下文中處理軟中斷處理程序，該任務由task_struct表示，就像普通的用戶空間進程一樣，但是也可以在內(nèi)核上下文中注冊IRQ；(4)將舊的Linux計時器API轉(zhuǎn)換為用于高分辨率內(nèi)核計時器的單獨基礎結(jié)構(gòu)，再加上用于超時的基礎結(jié)構(gòu)，從而產(chǎn)生具有高分辨率的用戶空間POSIX計時器；(5)豐富了實時調(diào)度策略算法；(6)實現(xiàn)內(nèi)核內(nèi)自旋鎖和信號量的優(yōu)先級繼承；(7)提供內(nèi)存鎖定功能，避免實時處理中存儲頁被換出。

1.3 實時性驗證

測試環(huán)境為Ubuntu10.10，在安裝配置完實時補丁后，再在Linux下安裝RT測試工具集，運行其中的cyclictest測試工具，默認創(chuàng)建5個SCHED_FIFO策略的RT線程，優(yōu)先級76～80，運行周期是1 000 μs、 1 500 μs、2 000 μs、2 500 μs、3 000 μs，分別在標準Linux環(huán)境下和改造后的Linux環(huán)境下進行測試，測試結(jié)果如圖1所示。由圖可知標準Linux內(nèi)核中RT線程投入運行時間非常不穩(wěn)定，而按照相關(guān)文檔加入實時補丁的Linux系統(tǒng)的最大延遲時間為436 μs，平均延遲時間為192 μs，本次測試的最大延遲時間為241 μs，證明Linux系統(tǒng)實時改造是滿足要求的。

圖1 延遲調(diào)用時間圖

2 機械臂控制系統(tǒng)的架構(gòu)搭建

機械臂的伺服控制系統(tǒng)如圖2所示，主要由指令平臺(示教器端，即PC機)、實時平臺(控制器端，即內(nèi)嵌Linux系統(tǒng)的工控機)以及關(guān)節(jié)模塊的伺服驅(qū)動器和伺服電機組成三級控制。本文主要對指令平臺和實平臺進行設計。

2.1 上位機(指令平臺)軟件設計

機器臂示教器作為控制系統(tǒng)的上位機是運動控制器與操作人員之間連接的橋梁，一方面負責對操作人員的操作進行處理，例如機器人作業(yè)文件編寫、示教再現(xiàn)等；另一方面在圖形界面上監(jiān)控機器人運動過程中的狀態(tài)信息，并向控制器發(fā)送指令使機械臂完成相應的動作。

圖2 機械臂伺服控制系統(tǒng)框圖

示教器的軟件編寫是在Windows環(huán)境下以Qt作為開發(fā)工具進行的，主要進行4方面設計。

(1)設計一款合適的人機交互界面。整個示教器主要分為主界面和控制界面兩個界面進行顯示。主界面主要顯示的是示教編程功能，在該界面可進行指令的輸入；控制界面主要進行狀態(tài)顯示、數(shù)據(jù)點顯示、模擬仿真視圖顯示和通信功能接口。同時示教器也具有指令的插入編輯等功能對應各自的界面。主界面圖如圖3所示。

圖3 主界面圖

(2)示教器與機器人控制器進行實時交互。示教器與機器人控制器的通信通過基于TCP/IP協(xié)議的以太網(wǎng)通信實現(xiàn)。

(3)提供了機器人操作的基本功能，含有直線、圓弧、關(guān)節(jié)的插補運動指令，在控制界面還添加了插補點坐標的顯示和插補點的仿真試圖。

(4)通過界面上的狀態(tài)信息顯示出當前機械臂的狀態(tài)，遇到故障或者錯誤時及時反饋到示教器界面。

2.2 下位機(實時平臺)系統(tǒng)架構(gòu)設計

下位機采用Linux系統(tǒng)(加入實時補丁)作為多任務控制系統(tǒng)的編寫環(huán)境平臺，具有多進程設計的控制系統(tǒng)其穩(wěn)定性比較高，因此多任務采用多進程進行處理。本次多任務分為四個進程，分別為：TCP通信進程、I/O進程(實時RT進程)、譯碼進程、插補逆解進程(實時RT進程)。

TCP通信進程：與上位機進行TCP通信實現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的交互，上位機獲得的人機運動指令TXT文檔傳遞給下位機[12]。上位機先發(fā)送文件的頭部信息，發(fā)送完畢后延時5 ms，然后循環(huán)讀取4 KB內(nèi)存大小的文件數(shù)據(jù)，再發(fā)送給下位機直到文件讀取結(jié)束。下位機先接收文件的頭部信息，然后再連續(xù)接收文件的內(nèi)部信息，從而實現(xiàn)人機涌動指令TXT文檔的接收。

I/O進程：此進程為實時進程，以20 ms的周期來讀取相關(guān)GPIO口的狀態(tài)置位信息,和內(nèi)部設置好的GPIO口置位信息對比從而進行相關(guān)的程序處理。

譯碼進程：逐行讀取人機運動指令TXT文檔，根據(jù)每行的運動指令類型添加特征符變量，然后將每行識別的位置、速度、歐拉角的信息和特征符變量依次添加到鏈表當中，然后通過管道通信給插補逆解進程(實時RT進程)傳輸鏈表信息。具體過程如圖4所示。

圖4 譯碼流程框圖

圖5 插補逆解流程圖

插補逆解進程：設置定時器，以10 ms為周期觸發(fā)定時器(設計的插補周期為10 ms)，進程開始依次讀取鏈表信息進行加減速、軌跡插補、逆解計算，然后進程移出工作隊列放入等待隊列，任務進入阻塞狀態(tài)，等待定時器觸發(fā)喚醒進程的下一次程序處理，直到鏈表全部讀取完。流程圖見圖5。

3 運動仿真分析及系統(tǒng)實時性檢驗

3.1 系統(tǒng)實時性檢驗

前面已經(jīng)驗證安裝RT補丁后的系統(tǒng)實時性是滿足要求的，這里進行系統(tǒng)調(diào)用插補逆解進程完成機械臂運動控制的實時性檢驗，仍然用rt-test測試工具集對其進行實時性測試，測試結(jié)果如圖6所示。

圖6 程序執(zhí)行時間圖

圖中橫坐標為所有插補點，縱坐標為每次執(zhí)行插補逆解所需要的執(zhí)行時間，從圖中可以看到最大執(zhí)行時間為310 μs，加上進程最大延遲調(diào)用時間436 μs，一共耗時不超過1 ms，為后續(xù)添加更復雜功能提供了可能性，證明此系統(tǒng)設計具有良好的實時性和擴展性。

3.2 運動仿真分析

在機械臂的建模方法上采用D-H參數(shù)法[13]建立關(guān)節(jié)坐標系，以PUMA560為原型建立機器人連桿坐標系。利用MATLAB環(huán)境下的Robotic工具箱[14]的Link和robot函數(shù)建立機器人處于零點位置的位姿，根據(jù)表1給出的D-H參數(shù)建立機械臂的模型，建立第i個連桿的命令如下：

Li=Link(θi,di,ai,αi)

利用SerialLink函數(shù)將六個連桿依次序連接起來，命令如下：

robot=SerialLink([L1,L2,L3,L4,L5,L6])

調(diào)用teach函數(shù)調(diào)節(jié)6個關(guān)節(jié)變量，實現(xiàn)對機器人模型進行控制，關(guān)節(jié)變量由實時平臺的Linux系統(tǒng)計算得到。整個過程模擬焊接軌跡過程，包括三段直線，一段圓弧。機械臂的運動仿真結(jié)果如圖7所示，從仿真中可以直觀地看到末端執(zhí)行器的整個連續(xù)平穩(wěn)的運動軌跡。

4 結(jié)論

本文在Linux內(nèi)核上外加RT補丁的實時改造的基礎上，獨立完成對六自由度機械臂控制系統(tǒng)的搭建。進行以示教器為上位機的示教器軟件設計，完成了通信、指令輸入、視圖仿真等功能，下位機則進行了包括TCP通信、I/O、譯碼、插補逆解進程的系統(tǒng)架構(gòu)搭建。

通過實驗，驗證了Linux外加RT補丁的實時性改造的可行性，并且完全可以應用到機械臂的控制系統(tǒng)當中，實時性可以滿足，同時對整個控制系統(tǒng)進行仿真，仿真結(jié)果為連續(xù)平穩(wěn)的曲線，證明了機械臂控制系統(tǒng)的運動控制的正確性和可行性。

圖7 機械臂運動仿真圖