工业机器人通用控制器研究开发

1、第 4 卷第 5 期上海大学学报 (自然科学版)V o l. 4, N o. 51998 年 10 月JOU RNAL O F SHAN GHA I U N IV ER S IT Y (NA TU RAL SC IEN C E)O ct. 1998X工业机器人通用控制器研究开发陈一民(计算机工程与科学学院)提 要 本文对机器人控制器的体系结构和发展进行了论述, 针对传统机器人控制器所采用的上下两级的分级控制结构, 阐明了改进意见, 提出了一种新的机器人控制器的硬件体系结构. 新型控制器以通用的 IPC ( Indu st r ia l co n t ro l P e r so na l Com

2、 p u te r) 为硬件平台, 由 2 块三轴位置卡、1 块A D、D A 卡和 1 块 IO 卡等组成, 采用通用的操作系统W indow s 作为软件平台. 本文分析了机器人控制算法、回原点程序及W indow s 环境下硬件中断实现的机制, 并给出了W indow s 环境下编写中断服务程序的方法.关键词 机器人控制器; IPC; W indow s 中断服务程序; 控制算法中图法分类号 T P 2140引言工业机器人系统通常分为机器人本体和控制器两大部分. 控制器的主要作用是根据用户的指令对机器人本体进行操作和控制. 国内机器人控制器, 如原上海工业大学和航空部 633 所研制的S

3、 IR 2 型工业机器人, 采用二级计算机系统作为控制器的核心部件, 由 In te l 86310 机作为系统的上位机, 系统的下位机采用 In te l 8085 为C PU 的单板机, 用来控制各关节的运动、焊接、示教信息的传输、外部报警及传感信息的采集. 我国的精密 1 号装配机器人控制器, 采用In te l 公司的 iSBC 38612 系列计算机和 iRM X 实时多任务操作系统, 采用上、下两级分布式计算机结构 1 . 机器人控制器的硬件体系结构一定程度上决定了它采用何种操作系统. 国外机器人生产厂家各有自己的控制器, 专用性强, 互不兼容. 控制器大多采用分级方式, 如著名P

4、UM A 、A D E P T、GRA CO 和 In te lledex j 机器人. 控制器采用的C PU 大都停留在早期的芯片上, 且都采用多C PU 分布式结构, 两级控制, 而操作系统则都采用实时多任务操作系统 iRM X系列, 成本高, 人机界面差.机器人控制器采用多 C PU 主要是为了解决早期单 C PU 运算能力不足的问题. 当今P en t ium P ro 及 P en t ium C PU 的运算速度和处理数据能力是 8080 C PU 的数千倍. 用单一X 收稿日期: 1998202205上海市自然科学基金(925514063, 955511000) 和上海市高等学校

5、自然科学基金(96A 60) 资助项目陈一民, 男, 1961 年生, 硕士, 副教授; 上海大学计算机工程与科学学院, 上海市延长路 149 号(200072) 1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd.All rights reserved.474上海大学学报 (自然科学版)第 4 卷的C PU 替代早期多C PU 结构已具可能. 现在A GP、PC I 和 ISA 总线的工业控制计算机性能越来越完善, 功能越来越强大, 具有很强的扩展性、开放性以及很高的性能价格比, 已出现的基于A GP、PC I 和 ISA 总线工控机的CN C

6、 数控系统, 从侧面说明了高性能的工控机作为机器人控制器硬件平台是可能的.机器人是否先进很大程度上取决于其控制器, 机器人控制器的成本较大程度上决定了机器人的价格, 开发一个低成本的工业机器人通用控制器十分必要. 从目前的发展和今后的趋势看, 机器人控制器采用通用计算机将成为一个主流 2 , 机器人控制器硬件平台将采用 32 位 C PU 或 64 位C PU 的工控机, 并具有多种传感器接口和网络接口, 软件平台将采用具有W in2 dow s 风格的多任务操作系统. 基于以上的分析, 我们研究开发了基于 IPC 和W indow s 的机器人通用控制器. 同时, 据占世界机器人市场份额第四

7、、欧洲最早研究机器人的德国 KU KA 公司介绍, 他们也正在研究基于P en t ium 级 IPC 和W indow s 的机器人控制器, 以此来提高机器人控制器的性能价格比, 这也说明了对通用控制器的研究是符合机器人控制器发展趋势的.1工业机器人通用控制器硬件结构我们研制的基于 IPC 和W indow s 的工业机器人通用控制器的硬件由以下几个部分组成:1 台与 IBM 2PC 兼容的P en t ium 级工控机, 内存 32 M , C PU 主频 200 M H z; 2 块 ISA 总线的三轴多功能位置卡; 1 块带光电隔离的输入输出卡; 1 块带光电隔离的A D、D A 卡

8、3 ; 1 块网卡; 1 只示教盒. 这种硬件配置可控制六自由度机器人及外围设备, 具有联网功能, 也可根据需要扩展至 9 个自由度.工业机器人通用控制器采用高性能的工控机. 它有 5 个 ISA 扩展槽, 3 个 PC I 扩展槽, 这样不仅满足了配置中的要求(需要多个扩展槽) , 同时使系统具有一定的扩展性, 并且 IPC 有特殊的电源和很好的散热性.机器人通用控制器中的一个重要部件是三轴多功能位置卡, 三轴多功能位置卡的功能框图如图 1 所示. 三轴多功能位置卡的每一轴都由专用的位置芯片控制, 三轴可完全独立伺服控制、三轴线性插补控制、二轴圆弧插补控制, DDA 插补时间为 1 m s

9、至 2 s, 伺服参数更新时间为 1 m s. 可对卡上寄存器进行直接操作, 对计数脉冲由2, 4 倍频设置选择功能. 卡上有F V 转换器、输出电压为10 V (12 位D A ). 位置卡和计算机间通信通过 ISA 总线进行. 三轴多功能位置卡使用闭环位置控制来得到可靠和准确的结果. 它有两个特点: 一是有一个内部的电压反馈回路, 二是采用 F V 技术来补偿小数值所引起的错误.为了保证一个卡上的三个电机同步运行, 采用数字差分技术, 如图 1 所示, 在 T 1 时刻对三个电机同时发出位置命令, 并在 T 2 时刻同时停止发送这些命令. 这段时间(T 2 - T 1 ) 被称为一个DDA

10、 周期. DDA 周期可以通过软件设置, 范围从 1 m s 到 2 s.每个脉冲输出后, 伺服电机将向前“走一步”.因此一个脉冲就代表一个位置命令. 一个DDA 周期的脉冲数可以从 0 到 4095. 连续的脉冲序列输送给伺服电机驱动器, 就可以保证得到光滑的位置响应. 电机的转动方向可设定, 只需要在DDA 周期开始前把位置信息写到DDA脉冲缓冲区中即可.由于一个位置卡最多只能控制三轴, 因此实际控制器中使用两块位置卡, 一块卡为主卡,另外卡为从卡, 主卡和从卡使用相同的中断请求号( IRQ )、不同的 IO 基地址. 其DDA 中断 1995-2006 Tsinghua Tongfang

11、 Optical Disc Co., Ltd.All rights reserved.第 5 期陈一民: 工业机器人通用控制器研究开发475为 IRQ = 5,误差溢出中断为 IRQ = 3, 主卡的 I O 基地址为0x 240,从卡的 I O 基地址为0x 220.图 1 三轴多功能位置卡的功能框图图 2 数字差分技术2工业机器人通用控制器软件系统结构及控制算法我们设计开发的工业机器人通用控制器软件系统主要包括两大部分: 机器人示教程序 4 和机器人控制执行程序. 软件的作用是进行轨迹规划、运动控制、传感器信息处理、机器人示教、机器人语言及操作命令的解释处理、人机交互控制、故障检测与诊断等

12、. 主要功能有: 初始化系统程序、关闭系统程序、回原点程序、中断服务程序、直线运动程序、圆弧运动程序、机器人示教程序和机器人控制执行程序 5 等, 以下论述其中主要算法及程序.2. 1 直线运动控制算法一般说来, 直线运动可分三个阶段, 加速运动阶段、匀速运动阶段和减速运动阶段(如图 3 所示, OA 段为加速阶段, A B 段为匀速阶段, B D 段为减速阶段). 在一些特殊情况下, 可能没有匀速阶段过程, 只有加速运动阶段机器人直线运动的V 2t 图和减速运动阶段 ( 如图 3 中所示, O E 段为加速运动阶图 3 1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical

13、Disc Co., Ltd.All rights reserved.476上海大学学报 (自然科学版)第 4 卷段, E F 段为减速运动阶段).具体计算方法如下:设机器人加速阶段的加速度为a 1 , 减速阶段的加速度为a 2 , 速度为V , 插补时间为T , 全路程为L , 有关三个阶段的一些参数计算见表 1.表 1机器人直线运动时各阶段的参数计算加速运动阶段减速运动阶段匀速运动阶段路 程S 1 = V 2 (2a1 )S 2 = V 2 (2a2 )S 3 = L - S 1 - S 2时 间t3 = n3Tt1 = V a1t2 = V a2插补步数n1 = t1n2 =$T $t2

14、Tn3 = S 3 S 3$每次插补的长度S1k = (2k - 1) a1T 22S 2k = V T - (2k - 1) a2T2 2S 3 = V T其中, k = 1, , n1其中, k = 1, , n2如果速度为V = V 0时, L S 1 + S 2 , 即L V T再判断是否可以在减速运动阶段插入一步, 长度新旧坐标系o,i,j,k 等于 L , 由于减速阶段每步递减, 那么可分两种情况: (1) 能否在第 1 步前插一步; (2) 能否在第 k -1 步和 k 之间插入一步(k = 2, , n2 ).然后, 可根据当前的这一步在加速运动阶段、匀速运动阶段还是减速运动阶

15、段计算这一步运动的距离,从而可按直线插补控制机器人运动.2. 2 圆弧运动控制算法圆弧运动的计算模型与直线运动的计算模型相似,不同的是圆弧运动中的加速度是角加速度, 速度是角速度. 用直线插补控制中的方法图 4可以计算k 步共走的距离(实际上是一段弧) ,和o, i, j , k 的示意图然后根据有关圆的算法, 可算出当前的位置.有关圆的算法分述如下:(1) 已知: 圆 o,圆上的一点 P 1 从 P 1 绕圆心 o旋转的角度 B, 其中: P 1 (x 1 , y 1 , z 1 ) , 求: 旋转 B 后的点 P 2 (x 2 , y 2 , z 2 ).新旧坐标系为o,i,j ,k 和o

16、, i, j , k .x =l1 x +l2y +l3 z +a ,y = m 1 x + m 2 y + m 3 z + b, z = n 1 x + n2 y + n3 z + c,l1 , m 1 , n 1 为向量 i的方向余弦; l2 , m 2 , n 2 为向量 j 的方向余弦; l3 , m 3 , n3 为向量 k 的方向余弦;a , b, c 为 o在原坐标系o, i, j , k 中的坐标. 1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd.All rights reserved.第 5 期陈一民: 工业机器人通用控制器

17、研究开发477 向量 oP 1与向量 ox 同方向, oP 1 = x 1 - x 0 , y 1 - y 0 , z 1 - z 0 , r=sq r t ( (x 1 - x 0 ) 2 +(y 1 - y 0 ) 2 + (z 1 - z 0 ) 2 ) , i= l1 , m 1 , n1 = (x 1 - x 0 ) r, (y 1 - y 0 ) r, (z 1 - z 0 ) r. 圆平面的法向量与 oz同方向, j = l2 , m 2 , n2 . 向量 oy与向量 ox和向量 oz都垂直, k = l3 , m 3 , n3 = ij .BB0) , 旋转B后点P 2 在新

18、坐标系o,i, 点P 1 在新坐标系o,i,j,k 的坐标为(R , 0,j ,k 的坐标为(R co s, Rsin, 0) , 点 P 2 在原坐标系o, i, j , k 的坐标:x=l1 Rco sB+l2 RsinB+l3 z +x 0 ,y =m1R co sB+m 2 R sinB+ m 3 z +y 0 ,BBz =n 1Rco s+n 2 Rsin+n3 z +z 0.(2)已知 P 1 , P 2和 P 3点, 并且三点不共线, 直线 P 1 P 2 和 P 2 P 3 成一角度, 求: 与 P 1 P 2和P 2 P 3 都相切的圆(半径已知) 及两个切点.第一步根据 P

19、 1 ,P 2 和 P 3三点可以确定圆所在的平面圆的半径R 已知, 则最后要做的是确定圆心和切点.第二步计算切点Q 1和Q 2.因为切点Q 1 , Q 2分别为线段 P 1 P 2 和 P 2 P 3 的定比分点(内分) , 所以应用定比分点公式就可以计算出切点Q 1 , Q 2.计算方法: 先算出P 2Q 1,Q 1 P 1=P 1 P 2-P 2Q 2P 2Q 2Q 2 P 2=P 3 P 2-和,P 2Q 2KK, 再利用距离和分比公式:x = (x 1 +x 2 ) (1 +) ,M 1 (x 1 , y 1 , z 1 ) ;y = (y 1 +KKM 2 (x 2 , y 2 , z 2 ) ;y 2 ) (1 +) ,Kz =(z 1 +KK点M2z 2 )(1 +) ,(x , y , z ) 分割线段 M 1M为定比 .第三步 计算圆心 o.设切点Q 1 , Q 2 的中点为Q (x 4 , y 4 , z 4 ) , 则圆心 o必在直线 P 2Q 上, 圆心 o就为线段Q P 2的定比分点(外分) , 所以应用和分比公式可以计算出圆心 o(其中: 定比 的计算方法如下:oP=Rsin (HoP 2(HKK2) ;