開放式驅(qū)控一體化的工業(yè)機(jī)器人控制器研發(fā)_黃瑞寧

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1、技術(shù)應(yīng)用 Technique and application 開放式驅(qū)控一體化的工業(yè)機(jī)器人 ?黃瑞寧1樓云江1劉越2張運(yùn)強(qiáng)1王政1,2呂恕2李澤湘2,3 （1哈爾濱工業(yè)大學(xué)深圳研究生院，深圳，5固高5科技有限公司，深圳，518東莞華沖科技大學(xué)制造工程研究院，廣東東莞，523808 摘要：本文面向工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用，創(chuàng)新地提出了開放式驅(qū)動控制一體化的運(yùn)動控制器架構(gòu)，將常規(guī)運(yùn)動控制器、常規(guī)驅(qū)動器的 控制模塊、工控機(jī)、安全控制卡、示教盒的 CPU處理模塊有機(jī)集成，形成一個一體化的運(yùn)動控制器，提高了開放性，降低成本至原 來的一半，縮短了用戶產(chǎn)品的開發(fā)周期。 關(guān)鍵詞：工業(yè)機(jī)器人，驅(qū)控一體化

2、 技術(shù)應(yīng)用 Technique and application 技術(shù)應(yīng)用 Technique and application 0引言 作為機(jī)器人的“大腦”，機(jī)器人控制器是影響機(jī)器人 性能的關(guān)鍵模塊之一 ［1-2］。目前，工業(yè)機(jī)器人所采用的控制 器基本上都是開發(fā)商基于自己的獨特結(jié)構(gòu)進(jìn)行開發(fā)的，采 用專用計算機(jī)、專用機(jī)器人語言、專用操作系統(tǒng)、專用微 處理器，其控制器在機(jī)器人系統(tǒng)中是一個黑箱，與其他的 廠家之間并不兼容。隨著機(jī)器人的廣泛應(yīng)用，不同應(yīng)用領(lǐng) 域需要機(jī)器人控制器能夠集成不同的周邊設(shè)備、多種軟件 功能模塊及用戶知識和工藝特征，而且希望控制器可以在 不同的軟硬件

3、平臺間進(jìn)行移植。應(yīng)用的發(fā)展對機(jī)器人控制 器提岀了開放性的要求，而非開放式的工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)架 構(gòu)在很大程度上限制了工業(yè)機(jī)器人的普及應(yīng)用和發(fā)展 ［3-6］。 另外，為使伺服驅(qū)動系統(tǒng)的設(shè)計更加功能化，驅(qū)動控 制一體化的發(fā)展成為伺服驅(qū)動系統(tǒng)的新發(fā)展方向，這即是 指集成運(yùn)動控制器、驅(qū)動器控制電路、工控機(jī)管理功能、 示教盒的CPU處理及安全控制卡功能為一體的運(yùn)動控制器。 驅(qū)動和控制的集成使兩者從設(shè)計、制造到運(yùn)行和維護(hù)都更 加緊密地融合到一體，可使速度前饋、加速度前饋、低通 濾波等新的控制算法得以實現(xiàn)，并將功率級和模擬控制電 路以及保護(hù)等集成起來，產(chǎn)生一種集成功率模塊，因此允 許新型控制器以相同甚至更小的

4、外形尺寸取代傳統(tǒng)的控制 器和驅(qū)動器。整個裝置結(jié)構(gòu)緊湊、接線減少、可靠性增加、 操作更簡易，并且大大降低成本［7-8］。 因此，開放式驅(qū)控一體化工業(yè)機(jī)器人控制器，在應(yīng)用 及生產(chǎn)成本上都比目前國外產(chǎn)品具有優(yōu)勢，必須抓住有利 時機(jī)，大力、快速推進(jìn)驅(qū)控一體化的運(yùn)動控制器的研發(fā)和 產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程，將技術(shù)優(yōu)勢轉(zhuǎn)化成為產(chǎn)品優(yōu)勢，推動我國自 主品牌的核心技術(shù)產(chǎn)品和機(jī)器人成套設(shè)備的開發(fā)和產(chǎn)業(yè) 化［5］。下文將對開放式驅(qū)控一體化的工業(yè)機(jī)器人控制器進(jìn) 行詳細(xì)分析。 1控制器硬件系統(tǒng) 現(xiàn)有的機(jī)器人伺服控制系統(tǒng)在硬件架構(gòu)上由上位機(jī)、 運(yùn)動控制器、驅(qū)動放大器和執(zhí)行電機(jī)組成。上位機(jī)負(fù)責(zé)整 個系統(tǒng)管理以及運(yùn)動學(xué)計算、軌跡規(guī)

5、劃等。上位機(jī)把規(guī)劃 指令發(fā)送到運(yùn)動控制器，運(yùn)動控制器與傳感器（一般是位 置傳感器）構(gòu)成位置環(huán)和速度環(huán)控制回路，而在一般驅(qū)動 器內(nèi)同時也有速度環(huán)，同時還有電流環(huán)（或加速度環(huán)）， 在驅(qū)動器內(nèi)，控制信號通過功率放大器放大后驅(qū)動電機(jī)運(yùn) 轉(zhuǎn)。因此，在運(yùn)動控制器和驅(qū)動器中同時存在著控制功能 模塊，并且有重復(fù)的速度環(huán)回路。對于通常的六軸工業(yè)機(jī) 器人，需要一個運(yùn)動控制器和六個驅(qū)動器，驅(qū)動器中的控 制電路是分布式，造成了資源的浪費；同時，這種分布式 的架構(gòu)，在信號傳輸上存在著隱患以及在信號傳輸速率上 存在瓶頸，限制工業(yè)機(jī)器人的實時性和快速性。 技術(shù)應(yīng)用 Technique and application

6、 技術(shù)應(yīng)用 Technique and application 基金項目 國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃 （863計劃）資助項目（2011AA04A103） Robot Technique and Application2013.2 I 33 ? 1094-2013 China Academic Jvuriml Electronic Publishing 監(jiān) All rights rvscrvxd. htlpWwiliel Technique and application 技術(shù)應(yīng)用 本文開發(fā)一種開放式驅(qū)動控制一體化工業(yè)機(jī)器人控  伺服驅(qū)動級和控制對象級。由于采用分布式

7、 CPU計算機(jī) Technique and application 技術(shù)應(yīng)用 Technique and application 技術(shù)應(yīng)用 制器，其采用一體化的硬件結(jié)構(gòu)（ CPU+DSP+FPG），充結(jié)構(gòu)，可集成多個 CPU板卡，分為機(jī)器人主控制器，驅(qū) Technique and application 技術(shù)應(yīng)用 分為5級，包括組織協(xié)調(diào)級、規(guī)劃控制級、GUC運(yùn)動控制級、 HMI GUCPLW EBB I腳嗽處BS顧 iASitUBl 分發(fā)揮CPU和DSP各自的工作優(yōu)勢，并且集成了運(yùn)動控 制技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)、伺服控制技術(shù)、 技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技 術(shù)，是綜合性

8、開放式控制平臺。該控制器將嵌入式結(jié)構(gòu)、 PC技術(shù)、專業(yè)運(yùn)動控制技術(shù)有機(jī)結(jié)合，開發(fā)有適用于以 高速、高精度為特征的多軸控制系統(tǒng)，具有豐富的 I/O、 AD DA等外圍接口。其特征是具備：模塊化、穩(wěn)定可靠 性、實時性、專業(yè)性、可擴(kuò)展性。圖 1為開放式驅(qū)控一體 化工業(yè)機(jī)器人控制器硬件體系 豐書tr齊般已 圖1開放式驅(qū)控一體化的控制系統(tǒng)架構(gòu)硬件體系 圖2為開放式驅(qū)控一體化的控制系統(tǒng)架構(gòu)。層次結(jié)構(gòu)  控一體化控制器、光電隔離 I/O控制板、傳感器處理板和 編程示教盒等。通過千兆網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行高速并行數(shù)據(jù)交換，采 用納秒級幀同步傳輸，高速總線通信，大吞吐量的數(shù)據(jù)交 互，實現(xiàn)真正意

9、義上的全數(shù)字化高速伺服控制。機(jī)器人主 控制器完成機(jī)器人的運(yùn)動規(guī)劃、插補(bǔ)和位置伺服以及主控 邏輯、數(shù)字I/O、傳感器處理等功能，編程示教盒完成信 息的顯示和按鍵的輸入，驅(qū)控一體化控制器完成實時運(yùn)動 控制、連續(xù)軌跡運(yùn)動控制、點位運(yùn)動、位置速度時間運(yùn)動 控制、速度控制、正逆解算法、多驅(qū)動共整流單元、高效 率永磁電動機(jī)矢量控制、速度和力矩前饋實時控制、實時 自動增益調(diào)節(jié)、高響應(yīng)與高剛度動態(tài)控制等功能。另外， 編程示教盒作為機(jī)器人主控制器的一個外部設(shè)備，它們之 間也可通過高速 HMI進(jìn)行通信。 2開放式可重構(gòu)機(jī)器人控制器軟件系統(tǒng)平臺 本文開發(fā)的控制器軟件系統(tǒng)平臺采用具有 IEC61131-3 標(biāo)準(zhǔn)編

10、程環(huán)境的 OtoStudio 。OtoStu具有實時運(yùn)動控制 功能、I/O控制功能、開放的軟件架構(gòu)、豐富的人機(jī)界面 等優(yōu)點，集成了點位、連續(xù)軌跡、同步運(yùn)動控制功能模 塊，可實現(xiàn)點位（ PTP）、速度（JOG、位置時間（PT） /位置速度時間（PVT）、直線插補(bǔ)、圓弧插補(bǔ)、刀向跟 隨、樣條插補(bǔ)、電子齒輪（ GEAR和電子凸輪（ Follow） 等運(yùn)動控制。此外，還集成了" PLCopen "的標(biāo)準(zhǔn)功能。 OtoStudio提供符合IEC61131-3標(biāo)準(zhǔn)的六種編程語言， 即: 指令表、功能塊圖、連續(xù)功能圖、梯形圖、結(jié)構(gòu)化文本、 順序功能圖，同時也兼容 C或C++等高級語言，項目管 理功

11、能、編輯功能、人機(jī)交互功能及調(diào)試功能均基于高級 編程語言編制。 控制器平臺軟件架構(gòu)如圖 3所示，分為三層。其中 開發(fā)與應(yīng)用層可以實現(xiàn)應(yīng)用程序的開發(fā)、人機(jī)界面的設(shè) 計、運(yùn)動規(guī)劃、邏輯管理及網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)交互等。實時調(diào)度 層是綁定在控制器硬件上，用于實時運(yùn)行程序及實時控 制層上操作指令的調(diào)度，管理本地 I/O、遠(yuǎn)程I/O及以太 網(wǎng)數(shù)據(jù)，顯示人機(jī)界面。實時控制層實現(xiàn)運(yùn)動控制、邏 輯控制及圖像實時處理等功能。圖 4為內(nèi)核之間數(shù)據(jù)交 互與協(xié)調(diào)方式。 Technique and application 技術(shù)應(yīng)用 圖2開放式驅(qū)控一體化的控制系統(tǒng)架構(gòu) 34 I機(jī)器人技術(shù)與應(yīng)用2013.2 Tec

12、hnique and application 技術(shù)應(yīng)用 Technique and application 技術(shù)應(yīng)用 E-l^ciron ic Pijbli shi jiu. I Lj u 31 技術(shù)應(yīng)用 Technique and application 統(tǒng) 圖5為開枚式可重組機(jī)器人開發(fā)平臺應(yīng)用示例 實時WtQ d?盤諾 逋片秋*1

13、013.2 Itlii Ji kJ task_s4BJl 啟否為 M Task slarttt TnskUpdnle：很鋼劃QTtf丿Jf畔歡逝雜更新及覺伽忖的丁忙狀態(tài)豹棋兀 ti^k_starlup^ W SttitTh^-WMOT的杲巴 曼鼠 M始疣命令乩到 客戶儀需要對機(jī)械木休進(jìn)行模回辨識’強(qiáng)搖調(diào)用機(jī)器 示教文件餅折器.以尢網(wǎng)通信協(xié)復(fù)包、機(jī)器人界面幵 機(jī)器人朕本控制模塊，機(jī)器人槐割修改模塊，機(jī)器人 |JiM*kc：i?Mizid 0 與PeckMci t〔bsiuuid 0 ；檢 MfCUI TT無 揑 K并執(zhí)疔刪tfc發(fā)的It飢下笈苗廟蠱|1甘析執(zhí)行 發(fā)模塊.

14、弧焊『點悍接口模塊，幄賤基數(shù)設(shè)程模塊 開發(fā)平臺不僅具有OtoStudio所冇功能.還提拱 人按世修改模塊，就可以立域機(jī)器人本體的控制用 TalsPtar肛根據(jù)T?A的工作獲式啞險訕S勺丄作狀衣 fEswpsJi^OnJ ”赴用飢” Fife的持咋和示軟宜fl . :Trask I'柞花 ifltfR'akhMiMkdHHiard F 眩希令；為T皿k. l：fb 樸 Aiud 極貳時，I，上槪斥乳丄豐I “完應(yīng)解析肛弄怎櫛酣性樸接到斛折盤布哼 乩列tGuiTaskJ1時屮，忸TsakExeculdfi救地理 根誅Twk 5JT訶坎石,空.詬GUI血播臥枷們找石,EI耳帀顧 tERRO

15、R》.最仲芯程機(jī)f滯令JEXEC）諒* l! Electronic Pul HMf應(yīng)用層 * 十 人軌更耳 < 軋港奧J￡ -A

16、l：狀忘， 虻理 Technique and application 技術(shù)應(yīng)用 戶通過圖形界面完成控制運(yùn)算插補(bǔ)控制進(jìn)程的功能。 2） 任務(wù)調(diào)度模塊包含機(jī)器人語言解析器，能夠?qū)C(jī) 器人語言代碼文件進(jìn)行讀取和解析，然后變成一條一條的 指令發(fā)送到運(yùn)算插補(bǔ)控制進(jìn)程中執(zhí)行，從而實現(xiàn)機(jī)器人的 自動運(yùn)行。

17、3） 讀取運(yùn)算插補(bǔ)控制進(jìn)程的實時反饋的狀態(tài)，并根 據(jù)運(yùn)算插補(bǔ)控制進(jìn)程的狀態(tài)，作出相應(yīng)的處理或者發(fā)送相 應(yīng)的指令，以保證運(yùn)算插補(bǔ)控制進(jìn)程的安全正確運(yùn)行。 處理任務(wù)解析器內(nèi)部指令分兩種情況：一種是直接下 發(fā)到任務(wù)解析器與運(yùn)動軌跡規(guī)劃共享的命令隊列中；一種 是先掛接到解析器命令隊列上，如示教文件的命令流，再 讀取解析器命令隊列，并把命令下發(fā)到任務(wù)解析器與運(yùn)動 軌跡規(guī)劃共享命令隊列中。然后讀取 MOT的狀態(tài)，監(jiān)測 并管理MOT的運(yùn)行。圖7為任務(wù)調(diào)度模塊內(nèi)部流程圖。 采用電機(jī)編碼器（從驅(qū)動器中讀?。┖图す飧檭x（僅用 于位姿重復(fù)度測試）進(jìn)行測量。本實驗首先選取 5個要測 量的點作為試驗位姿（手

18、腕參考點位置）： P1（ 1750, 0，650）， P2（ 2150，400，1050）， P3（ 2150，-400， 1050）， P4（ 1350，-400，250）， P5（ 1350，400， 250）。實驗速度為 630mm/s，負(fù)載為150kg，測試30次 取平均值。試驗結(jié)果如下： 圖8位置準(zhǔn)確度（編碼器測量） 圖9姿態(tài)準(zhǔn)確度（編碼器測量） 每一點的 X、、Y、ZZ方向 Technique and application 技術(shù)應(yīng)用 TaskPlan Rt 用隔 WED 遵M ItobotC ?ouiinandHt|ffcr^：^ KUUU'l

19、_ LASK_COMMA\D 畑.'[■； kaWContunandBuOer^^^ 構(gòu)體 Technique and application 技術(shù)應(yīng)用 Technique and application 技術(shù)應(yīng)用 ?4 粘:udomrnjiniij 解析播命令隊兀 （^GujTatkPtr TaskF-xectrlc 抽:快器命杜 itGuiTjikru: MOT 圖12位置重復(fù)度（激光跟蹤儀） 圖13多方向位置準(zhǔn)確度變動（編碼器） 每一點的X、Y、Z方向 Mati-nnlJpdate RuboS.SlatLiis.td.s.k

20、 Technique and application 技術(shù)應(yīng)用 測試結(jié)果表明：本文開發(fā)的控制系統(tǒng)達(dá)到了高速度、高精 Technique and application 技術(shù)應(yīng)用 距離準(zhǔn)確度 距離重復(fù)度 [ -3.413e-03 3.338e-04 1距離準(zhǔn)確度和距離重復(fù)度 題。 36 I機(jī)器人技術(shù)與應(yīng)用2013.2 （下轉(zhuǎn)40頁） 7任務(wù)調(diào)度模塊內(nèi)部流程圖 4試驗 選取Staubli RX260機(jī)器人本體，利用本文開發(fā)的機(jī) 器人控制系統(tǒng)進(jìn)行控制試驗。根據(jù) GB/T 12642-2001的規(guī) 定選擇位置準(zhǔn)確度、位姿重復(fù)性、多方向

21、位姿準(zhǔn)確度變 動、距離準(zhǔn)確度和距離重復(fù)性作為測試項目。測量設(shè)備 度的工業(yè)應(yīng)用需求。 5結(jié)語 本文基于機(jī)器人軌跡優(yōu)化理論和控制理論，結(jié)合工業(yè) 機(jī)器人行業(yè)高精密、高速度、智能化、網(wǎng)絡(luò)化、模塊化和 可重構(gòu)的發(fā)展趨勢，開發(fā)了開放式驅(qū)控一體化的工業(yè)機(jī)器 人控制器。該控制器硬件平臺集成度高、結(jié)構(gòu)緊湊、可靠 性高；具有開放式和兼容性、網(wǎng)絡(luò)化的特點；將位置環(huán)、 速度環(huán)以及速度環(huán)電流補(bǔ)償在統(tǒng)一平臺上處理，從根本上 解決異步和簡單解耦引起的多種非線性誤差難以解決的難 Technique and application 技術(shù)應(yīng)用 Technique and application 技術(shù)應(yīng)用

22、 inic Jounial El

23、Nm 力矩分辨率 0.336Nm 質(zhì)量 2.1kg 2 4自由度軟機(jī)械臂性能指標(biāo) 自由度 4 臂長 809.4mm 工作空間 190mmx 150mmx 200mm 質(zhì)量 15.2kg 負(fù)載 10kg 5. 市場狀況 目前國內(nèi)市場上機(jī)器人還停留在傳統(tǒng)的剛性工業(yè)機(jī) 器人框架下，通過柔順控制算法實現(xiàn)對環(huán)境的柔順性。但 是，由于受到傳感器測量帶寬和計算機(jī)速度的限制，導(dǎo)致 其不能對快速沖擊及時響應(yīng)。所以，這樣的機(jī)器人安全性 無法保障，很難與人和諧相處，不能滿足消費市場對“可 與人類友好交互的機(jī)器人”的需求，而且國內(nèi)尚沒有關(guān)于 此類機(jī)器人產(chǎn)品化的報道。 目

24、前國外已經(jīng)有部分研究機(jī)構(gòu)對該領(lǐng)域開展了深入 的研究，其研究成果逐漸進(jìn)入到市場，如德國宇航中心 (DLR)、美國 Meka Robotics公司。 綜上所述，柔性關(guān)節(jié)和軟機(jī)械臂具有極大的研究意 義，其研究成果可以使機(jī)器人在性能和安全性方面踏上一 個新的臺階，擁有廣闊的市場前景。 6. 產(chǎn)品效益分析 本單位所研制的柔性一體化關(guān)節(jié)采用機(jī)電一體的模 塊化設(shè)計，具有高內(nèi)聚、高集成化、高輸出力矩和內(nèi)在柔 性等特點，適于批量化生產(chǎn)，可以快速地搭建出可與人類 或環(huán)境友好交互的機(jī)器人，具有很高的市場推廣價值，通 過相關(guān)技術(shù)轉(zhuǎn)化會帶來較大的經(jīng)濟(jì)效益。 4自由度仿人軟機(jī)械臂具有安全性、友好性、便于快 速安裝

25、維修等特點，可以應(yīng)用在安裝、維修、裝配等需要 與人類密切協(xié)調(diào)的場合，還可以應(yīng)用于與人類安全接觸的 如按摩、康復(fù)等操作的服務(wù)機(jī)器人領(lǐng)域。因此，通過對相 關(guān)技術(shù)的轉(zhuǎn)化，可以改變現(xiàn)有機(jī)器人很難與人類和諧相處 的局面，從而產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)和社會效益。 Technique and application 技術(shù)應(yīng)用 Technique and application 技術(shù)應(yīng)用 (上接36頁)軟件平臺提供了機(jī)器人基本控制模塊、機(jī)器 人模型修改模塊、機(jī)器人示教文件解析器、以太網(wǎng)通信協(xié)議 包、機(jī)器人界面開發(fā)模塊、弧焊/點焊接口模塊、焊接參數(shù) 設(shè)置模塊。用戶僅需要對機(jī)械本體進(jìn)行模型辨識，直接調(diào)

26、用 機(jī)器人模型修改模塊，就可以完成機(jī)器人本體的控制。用戶 通過調(diào)用完整、成熟、穩(wěn)定的機(jī)器人控制函數(shù)功能實現(xiàn)對機(jī) 器人軌跡的控制與優(yōu)化，并可以根據(jù)不同應(yīng)用行業(yè)需求搭建 符合本行業(yè)特殊工藝要求的專用機(jī)器人控制系統(tǒng)。 Technique and application 技術(shù)應(yīng)用 Technique and application 技術(shù)應(yīng)用 參考文獻(xiàn) [1] 蔡自興.機(jī)器人學(xué)[M]:清華大學(xué)出版社，2000. [2] Ferretti G, Magnani G, Putz P, Rocco P. The structured design of an industrial r

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