基于DSP運(yùn)動控制器的5R工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、基于DSP運(yùn)動控制器的5R工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)摘要：以所設(shè)計(jì)的開放式5R關(guān)節(jié)型工業(yè)機(jī)器人為研究對象，分析了該機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。該機(jī)器人采用基于工控PC及DSP運(yùn)動控制器的分布式控制結(jié)構(gòu)，具有開放性強(qiáng)、運(yùn)算速度快等特點(diǎn)，對其工作原理進(jìn)行了詳細(xì)的說明。機(jī)器人的控制軟件采用基于Windows平臺下的VC+實(shí)現(xiàn)，具有良好的人機(jī)交互功能，對各組成模塊的作用進(jìn)行了說明。所設(shè)計(jì)的開放式5R工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)，具有較好的實(shí)用性。關(guān)鍵詞：開放式；關(guān)節(jié)型；工業(yè)機(jī)器人；控制軟件0引言工業(yè)機(jī)器人技術(shù)在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)自動化領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，也對工程技術(shù)人員提出更高的要求，作為機(jī)械工程及自動化專業(yè)的技術(shù)人才迫切需要掌握這一先

2、進(jìn)技術(shù)。為了能更好地加強(qiáng)技術(shù)人員對工業(yè)機(jī)器人的技能實(shí)踐與技術(shù)掌握，需要開放性強(qiáng)的設(shè)備來滿足要求。本文闡述了我們所開發(fā)設(shè)計(jì)的一種5R關(guān)節(jié)型工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)，可以作為通用的工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用于現(xiàn)場，也可作為教學(xué)培訓(xùn)設(shè)備。1 5R工業(yè)機(jī)器人操作機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)關(guān)節(jié)型工業(yè)機(jī)器人由2個(gè)肩關(guān)節(jié)和1個(gè)肘關(guān)節(jié)進(jìn)行定位，由2個(gè)或3個(gè)腕關(guān)節(jié)進(jìn)行定向，其中一個(gè)肩關(guān)節(jié)繞鉛直軸旋轉(zhuǎn)，另一個(gè)肩關(guān)節(jié)實(shí)現(xiàn)俯仰，這兩個(gè)肩關(guān)節(jié)軸線正交。肘關(guān)節(jié)平行于第二個(gè)肩關(guān)節(jié)軸線。這種構(gòu)型的機(jī)器人動作靈活、工作空間大，在作業(yè)空間內(nèi)手臂的干涉最小，結(jié)構(gòu)緊湊，占地面積小，關(guān)節(jié)上相對運(yùn)動部位容易密封防塵，但運(yùn)動學(xué)復(fù)雜、運(yùn)動學(xué)反解困難，控制時(shí)計(jì)算量大。在工業(yè)用應(yīng)用

3、是一種通用型機(jī)器人¨。11 5R工業(yè)機(jī)器人操作機(jī)結(jié)構(gòu)所設(shè)計(jì)的5R關(guān)節(jié)型機(jī)器人具有5個(gè)自由度，結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示。5個(gè)自由度分別是：肩部旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)J1、大臂旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)J2、小臂旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)J3、手腕仰俯運(yùn)動關(guān)節(jié)J4和在旋轉(zhuǎn)運(yùn)動關(guān)節(jié)J5。總體設(shè)計(jì)思想為：選用伺服電機(jī)(帶制動器)驅(qū)動，通過同步帶、輪系等機(jī)械機(jī)構(gòu)進(jìn)行間接傳動。腕關(guān)節(jié)上設(shè)計(jì)有裝配手爪用法蘭，通過不斷地更換手爪來實(shí)現(xiàn)不同的作業(yè)任務(wù)。12 5R工業(yè)機(jī)器人參數(shù)表1為設(shè)計(jì)的5R工業(yè)機(jī)器人參數(shù)。2 5R工業(yè)機(jī)器人開放式控制系統(tǒng)機(jī)器人控制技術(shù)對其性能的優(yōu)良起著重大的作用。隨著機(jī)器人控制技術(shù)的發(fā)展，針對結(jié)構(gòu)封閉的機(jī)器人控制器的缺陷，開發(fā)“具有開發(fā)性

4、結(jié)構(gòu)的模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化機(jī)器人控制器”是當(dāng)前機(jī)器人控制器發(fā)展的趨勢。為提高穩(wěn)定性、可靠性和抗干擾性，采用“工業(yè)PC+DSP運(yùn)動控制器”的結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的控制：伺服系統(tǒng)中伺服級計(jì)算機(jī)采用以信號處理器(DSP)為核心的多軸運(yùn)動控制器，借助DSP高速信號處理能力與運(yùn)算能力，可同時(shí)控制多軸運(yùn)動，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制算法并獲得優(yōu)良的伺服性能。21基于DSP的運(yùn)動控制器MCT8000F8簡介深圳摩信科技公司MCT8000F8運(yùn)動控制器是基于網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的開放式結(jié)構(gòu)高性能DSP8軸運(yùn)動控制器，包括主控制板、接口板以及控制軟件等，具有開放式、高速、高精度、網(wǎng)際在線控制、多軸同步控制、可重構(gòu)性、高集成度、高可靠性和安全性等

5、特點(diǎn)，是新一代開放式結(jié)構(gòu)高性能可編程運(yùn)動控制器。圖2為DSP多軸運(yùn)動控制器硬件原理圖。圖中增量編碼器的A0(A0)、B0(B0)、c0(CO)信號作為位置反饋，運(yùn)動控制器通過四倍頻、加減計(jì)數(shù)器得到實(shí)際的位置，實(shí)際位置信息存在位置寄存器中，計(jì)算機(jī)可以通過控制寄存器進(jìn)行讀取。運(yùn)動控制卡的目標(biāo)位置由計(jì)算機(jī)通過機(jī)器人運(yùn)動軌跡規(guī)劃求得，通過內(nèi)部計(jì)算得到位置誤差值，再經(jīng)過加減速控制和數(shù)字濾波后，送到DA轉(zhuǎn)換(DAC)、運(yùn)算放大器、脈寬調(diào)制器(PWM)硬件處理電路，轉(zhuǎn)化后輸出伺服電機(jī)的控制信號或PWM信號。各個(gè)關(guān)節(jié)可以完成獨(dú)立伺服控制，能夠?qū)崿F(xiàn)線性插補(bǔ)控制、二軸圓弧插補(bǔ)控制。22機(jī)器人控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理

6、基于PC的Windows操作系統(tǒng)，因其友好的人機(jī)界面和廣泛的用戶基礎(chǔ)，而成為基于PC控制器的首選。采用PC作為機(jī)器人控制器的主機(jī)系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是：成本低；具有開放性；完備的軟件開發(fā)環(huán)境和豐富的軟件資源；良好的通訊功能。機(jī)器人控制結(jié)構(gòu)上采用了上、下兩級計(jì)算機(jī)系統(tǒng)完成對機(jī)器人的控制：上級主控計(jì)算機(jī)負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)管理，下級則實(shí)現(xiàn)對各個(gè)關(guān)節(jié)的插補(bǔ)運(yùn)算和伺服控制。這里通過采用一臺工業(yè)PC+DSP運(yùn)動控制卡的結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)機(jī)器人控制。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了采用Pc+DSP的計(jì)算結(jié)構(gòu)可以充分利用DSP運(yùn)算的高速性，滿足機(jī)器人控制的實(shí)時(shí)需求，實(shí)現(xiàn)較高的運(yùn)動控制性能。機(jī)器人伺服系統(tǒng)框圖如圖3所示。伺服系統(tǒng)由基于DSP的運(yùn)動控制器

7、、伺服驅(qū)動器、伺服電動機(jī)及光電編碼器組成。伺服系統(tǒng)包含三個(gè)反饋?zhàn)酉到y(tǒng)：位置環(huán)、速度環(huán)、電流環(huán)，其工作原理如下：執(zhí)行元件為交流伺服電動機(jī)，伺服驅(qū)動器為速度、電流閉環(huán)的功率驅(qū)動元件，光電編碼器擔(dān)負(fù)著檢測伺服電機(jī)速度和位置的任務(wù)。伺服級計(jì)算機(jī)的主要功能是接受控制級發(fā)出的各種運(yùn)動控制命令，根據(jù)位置給定信號及光電編碼器的位置反饋信號，分時(shí)完成各關(guān)節(jié)的誤差計(jì)算、控制算法及DA轉(zhuǎn)換、將速度給定信號加至伺服組件的控制端子，完成對各關(guān)節(jié)的位置伺服控制。管理級計(jì)算機(jī)采用586工控機(jī)(或便攜筆記本)，主要完成離線編程、仿真、與控制級通訊、作業(yè)管理等功能；控制級計(jì)算機(jī)采用586工控機(jī)，主要完成用戶程序編輯、用戶程序解

8、釋，向下位機(jī)運(yùn)動控制器發(fā)機(jī)器人運(yùn)動指令、實(shí)時(shí)監(jiān)控、輸入輸出控制(如打印)等。示教盒通過控制級計(jì)算機(jī)可以獲得機(jī)器人伺服系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)(脈沖、轉(zhuǎn)角)，并用于控制級計(jì)算機(jī)控制軟件中實(shí)現(xiàn)對機(jī)器人的示教及控制。3 5R工業(yè)機(jī)器人運(yùn)動控制軟件設(shè)計(jì)5R工業(yè)機(jī)器人控制軟件采用C+Builder編程，最終軟件運(yùn)行在Windows環(huán)境下。C+Builder對在Windows平臺下開發(fā)應(yīng)用程序時(shí)所涉及到的圖形用戶界面(GUI)編程具有很強(qiáng)的支持能力，提供了可視化的開發(fā)環(huán)境，可以方便調(diào)用硬件廠商提供的底層函數(shù)，直接對硬件進(jìn)行操作，而且生成目標(biāo)代碼效率高。所設(shè)計(jì)的控制軟件為分級式模塊化結(jié)構(gòu)。管理級主模塊具有離線編程、圖形

9、仿真、資料查詢及故障診斷等功能，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。(1)離線編程模塊利用計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的成果，建立機(jī)器人及其工作環(huán)境的模型，利用規(guī)劃算法，通過對圖形和對象的操作，編制各種運(yùn)動控制，在離線情況下生成工作程序。(2)圖形仿真模塊可預(yù)先模擬結(jié)果，便于檢查及優(yōu)化。(3)資料查詢模塊可以查閱當(dāng)日工作及近期工作記錄、相關(guān)資料(生產(chǎn)數(shù)量、班次等)，并可以打印輸出存檔。(4)故障診斷模塊可以實(shí)時(shí)故障診斷，以代碼形式顯示出故障類型，并為技術(shù)人員排除故障提供幫助信息。控制級主模塊軟件結(jié)構(gòu)如圖5所示。(1)復(fù)位模塊使得機(jī)器人停機(jī)時(shí)或動作異常時(shí)，通過特定的操作或自動的方式，使機(jī)器人回到作業(yè)原點(diǎn)。機(jī)器人在作業(yè)原點(diǎn)，機(jī)構(gòu)的

10、各運(yùn)動副所受力矩最小，它確定了機(jī)器人待機(jī)的安全位姿。(2)系統(tǒng)提供兩種示教方法。第一種示教方法即“下位機(jī)+示教盒”的示教方法：示教盒和下位機(jī)操作界面上的手動操作開關(guān)分別對應(yīng)著裝配機(jī)器人的各種動作和功能。通過高、中、低速、點(diǎn)動等速度檔次的選擇，對機(jī)器人進(jìn)行大致的定位和精確的位置微調(diào)。并存儲期望的運(yùn)動軌跡上機(jī)器人的位置、姿態(tài)參數(shù)。第二種方法即離線仿真的示教方法。這種示教方法是在計(jì)算機(jī)上建立起機(jī)器人作業(yè)環(huán)境的模型，再在這個(gè)模型的基礎(chǔ)上生成示教數(shù)據(jù)的一種應(yīng)用人工智能的示教方法。進(jìn)行示教時(shí)使用計(jì)算機(jī)圖示的方法分析機(jī)器人與作業(yè)模型的位置關(guān)系，也可以通過特定指令指定機(jī)器人的運(yùn)動位置。4結(jié)束語所開發(fā)的開放式工

11、業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)：(1)采用分布式二級控制結(jié)構(gòu)，運(yùn)動控制由基于DSP的運(yùn)動控制器M'CT8000F8完成，增加了系統(tǒng)的開放性，以及運(yùn)行處理的快速性及可靠性。(2)考慮到具有良好的通用性，可以作為通用機(jī)器人使用，具有較好的產(chǎn)業(yè)化、商品化前景。(3)計(jì)算機(jī)輔助軟件采用基于Windows平臺的c+編程，通過調(diào)用底層函數(shù)可以對硬件進(jìn)行直接操作，可視化環(huán)境可提供良好的人機(jī)交互操作界面。通過本機(jī)器人系統(tǒng)的研究開發(fā)，可極大地滿足工業(yè)現(xiàn)場對機(jī)器人的開放性要求，進(jìn)一步提高我國工礦企業(yè)自動化水平。同時(shí)，也可作為機(jī)器人技術(shù)訓(xùn)練平臺，加強(qiáng)工程人員能力鍛煉。參考文獻(xiàn)1馬香峰，等工業(yè)機(jī)器人的操作機(jī)設(shè)計(jì)M北京：冶金工業(yè)出版社，19962吳振彪工業(yè)機(jī)器人M武漢：華中理工大學(xué)出版社，20063蔡自興機(jī)器人學(xué)M北京：清華大學(xué)出版社，20034王天然，曲道奎工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)的開放體系結(jié)構(gòu)J機(jī)器人，2002，24(3)：2562615深圳摩信科技有限公司MCT8000系列控制器使用手冊z深圳：深圳摩信科技有限公司，20016張興國環(huán)保壓縮機(jī)裝配機(jī)器人的運(yùn)動學(xué)分析J南通工學(xué)院學(xué)報(bào)，2004(1)：3234，387張興國計(jì)算機(jī)輔助環(huán)保壓縮機(jī)裝配機(jī)器人