机器人控制系统的研究

1、机器人控制系统的研究谢琳1201011101 摘 要: 介绍目前在汽车制造业普遍使用的激光焊接机器人的开放式控制系统。从硬件、软件、交流伺服控制系统以及之间的通讯关系等方面介绍了开放式控制系统的工作原理和实现方式。关键词: 开放式控制系统; 工控机; 交流伺服器; 开放性Abstract: This paper introduces the present commonly used in laser welding robot car manufacturing industry of open control

2、system. From the hardware, software, AC servo control system and the communication relationship is introduced from the aspects of theory and Realization of open control system.Keywords: open control system; industrial control computer; AC s

3、ervo; open1、 开放式控制系统的介绍所谓开放性是指系统的开发可以在统一的、标准的、通用的软硬件平台上面, 通过改变、增加或裁减结构对象, 形成系列化, 并可方便地将用户的特殊要求和技术集成到控制系统中。它应该具有以下特性:( 1) 可扩展性。系统可以灵活地增加硬件设备控制接口来实现功能的拓展和性能的提高;( 2) 可互操作性。通过定义一系列的标准数据语义、行为模式、物理接口、通信机制和交互机制来实现;( 3) 可移植性。在不增加硬件结构的前提下, 利用现有的底层结构模式, 通过配置和编译控制软件来实现系统的自定义;( 4) 可增减性。系统的性能和功能根据实际需要方便地增减。

4、对于开放式结构的机器人控制系统, 应尽可能建立一个开放的、标准的、经济的、可靠的软硬件平台。硬件平台应满足: ( 1)硬件系统基于标准总线结构, 具有可伸缩性; ( 2)硬件结构具有必要的实时计算能力;( 3)开放性要求硬件系统模块化, 便于添加或更换各种接口、传感器、特殊计算机等; ( 4)低成本。软件系统应具有以下特点: ( 1)可移植性, 便于升级和软件复用; ( 2)交互性和分布性; ( 3)效率。操作系统的选择应基于以下原则: 通用性, 必要的实时处理能力, 具有多任务处理, 多线编程功能, 便于使用通用的软件开发工具, 丰富的应用软件资源。软件代码应根据实时操作需求, 用具有数据抽

5、象能力的语言编写, 具有面向对象特征和模块化结构。面向对象的编程应该是最便于机器人系统内核的设计和实现。2、 开放式控制系统的系统结构基于开放、先进和可靠的考虑, 我们对系统的各模块进行了严格的选择和设计。控制系统的硬件包括:一台工控机、二块开放式控制器、交流伺服控制系统和通讯模块、CCD 摄像机和图像采集卡以及一些辅助设备。工控机主要实现的功能有:( 1)正、逆运动学计算及控制算法的实现; ( 2)与控制器和交流伺服驱动器以及PLC 进行通讯; ( 3)各关节编码器反馈信息和状态监控信号的显示; ( 4)机器人实时运动的三维仿真显示; ( 5)图像处理及显示。工控机通过控制器发出电机控制信号

6、, 经伺服放大器对指令信号进行放大后驱动机器人各关节电机的动作; 同时通过通讯模块实时接收各电机编码器反馈信号, 并将反馈值进行数据存储, 该存储的数据提供给各控制算法模块, 经过处理后, 再通过控制器产生控制指令输出, 形成一个闭环控制系统。此外, 此存储的数据还可用于实时数据显示, 实现系统三维仿真显示和各关节电机状态显示。要使机器人具有柔性, 功能可以扩展, 其控制器结构必须是开放的。新的功能需要新的控制策略和新的控制方法, 这要求软件是开放的; 新的任务需要新的装置, 这要求硬件是开放的。因此要使控制器的功能具有可扩充性, 就需要控制器的软件和硬件都是开放的。2. 1、开放式控制器的硬

7、件实现图1 控制器内部流程示意图图1所示是开放式控制器的内部流程, DSP程序主要由命令中断模块和伺服中断模块组成。命令中断模块占用一个DSP 硬件中断, 在中断服务程序中, 通过查表, 找到工业PC 机发送给控制器的命令函数的入口地址。如果是设置命令, 程序会读取设置参数并将参数放置到DSP 数据存储区内; 如果是读取命令,程序会自动读取DSP数据存储区相应的数据, 并返回给PC机。由于控制器的一些命令和参数是双缓存的, 只有在参数更新后所设置的这些命令才有效。此时必须使用参数更新机制, 它是通过控制器库函数update( )来实现命令更新。伺服中断模块使用的是一个DSP定时中断; 在定时中

8、断服务程序中, 会自动根据所设定的控制模式实时更新控制参数。通过计算,得到当前伺服周期完成的轨迹, 并控制外部执行机构根据规划的参数完成相应的动作。对于闭环系统, 在伺服周期内, 也会采用累加的方式得到当前准确的位置。如果实际位置和规划的位置出现偏差, 将会进行适当的调节, 减少位置误差; 同时在伺服中断中还会自动检测一些极限开关、位置断点等是否被触发。工业PC机与控制器通过PC 总线以IO 读写的方式进行数据交换。来自外部的位置反馈信号, 经过位置处理单元处理后, 进入计数电路, 通过ISP与DSP的双向收发接口完成外部位置的反馈。2. 2、开放式控制器的软件实现开放性是此控制器的特点, 控

9、制器的软件设计也应该遵循这一原则, 大体上分为三部分: 上层的开发调试环境、驱动开发包以及底层的控制程序。( 1) 开发调试环境: 开发、调试环境主要是为用户提供一个测试控制器以及开发控制程度的软件平台。( 2) 驱动开发包: 驱动开发包能够允许控制器在不同的操作环境下正常工作。其主要是针对不同的接口, 负责计算机与控制器之间的通信, 并将基本的接口函数以动态链接库的形式向用户开放, 用户可以在不同的编程环境下如VC + + 、VB、CB、Delphi等, 直接调接口函数从而对控制器进行操作、管理, 实现预定功能。( 3)底层控制程序: 底层控制程序用于实现针对交、直流伺服电机以及步进电机的基

10、本运动控制功能,采用C语言进行开发, 是整个软件系统的基础。2. 3、交流伺服控制系统在机器人控制中所使用的交流伺服系统, 一般是由交流伺服放大器、交流伺服电机和光电编码器组成的闭环控制系统。伺服放大器接收来自控制器的脉冲信号(脉冲的个数和频率分别对应位置和速度的给定值) , 并以此为给定值控制电机的转动。伺服放大器从光电编码器获得闭环系统的位置反馈信号, 通过通讯模块传给工控机。六个关节的电机选择了HK -KFS系列的超小型低惯性交流伺服电机。由于此类电机的惯性矩较大, 因此适合机器人这种负载惯性矩发生变动的场合以及韧性较差的设备(皮带驱动等)。在电机中还配置了电磁制动器, 以增加安全性。相

11、应的, 伺服放大器选用了与电机配套的MELSERVO - J2- Super系列的交流伺服放大器。它有位置控制、速度控制、转矩控制三种模式, 还可以进行控制模式的切换; 具有RS- 232和RS- 422串行通信功能。在实际使用中, 采取的是位置控制的模式和RS- 422通信方式。其中, 通过RS- 422转RS- 232通信, 可以将伺服系统的运行状态、报警情况和绝对位置等传送到工业PC, 并可通过PC 对伺服放大器进行参数设置、增益调整和试运行。2. 4 控制系统通讯功能的实现焊接机器人本体一般具有六个自由度, 需要六个伺服电机和相应的伺服驱动器, 由于伺服放大器的RS - 232C通讯功能与RS- 422通讯功能不能同时使用,通过修改伺服放大器的参数NO. 16选择使用伺服放大器的RS- 422通讯功能。通过转换器与工业PC 机的RS- 232C相连, 在最后一个关节的伺服放大器上, 必须将TRE与RDN 相连。伺服放大器(又称从站) 接到工业PC机(又称主站)发出的指令后, 将发出应答信息。需要连续读取数据, 主站必须重复不断地发送指令。因为通讯总线上接有6个伺服放大器, 为了判定和哪一个伺服放大器进行通讯, 主站在发送指令或数据时必须指明站号。传输的数据只对指定站号的伺服放器。与传统的焊接机器人相比, 使用了开放式控制系统