研磨抛光机器人运动控制器设计

研磨抛光机器人运动控制器设计

基于运动控制器的研磨抛光机器人位置控制研磨研磨机械制品具有研磨精度高、加工质量均匀等特点，已在中国航天航空领域得到应用。由于机器人的刚度很大,若机器人在磨抛加工时的跟踪误差较大,机器人与加工件之间势必会产生较大的接触力而损伤工件;研磨抛光机器人进行力控制时对机器人位置控制性能也有较高的要求;同时随着嵌入式系统与现场总线技术的飞速发展,机器人运动控制系统结构正向开放的分布式控制结构方向发展。所以设计性能优良的分布式机器人运动控制器是研磨抛光机器人系统设计中的一个关键问题。本系统中已将机器人各关节伺服电机的电流和速度控制环放到了伺服驱动器中,因此实现机器人的关节位置控制是运动控制器的主要任务。本文的主要内容是设计基于ARM核的AT91M40800微控制器和μC/OS-II实时操作系统的运动控制器,并采用参数?模糊自整定PID控制方法进行机器人关节位置控制,从而进一步提高机器人位置控制性能。1动控制器设计研磨抛光机器人系统如图1所示,由五轴框架式机器人本体、高精度伺服转台、机器人控制系统和上位机组成,能对不同外形尺寸的加工件实施高质量的研磨抛光。研磨抛光机器人运动控制器是机器人控制系统中的重要组成部分。一般机器人关节控制系统中的电流、速度和位置控制环节都放到伺服电机驱动器中实现,机器人的主控制器直接给电机伺服驱动器输出数字脉冲信号,这种控制结构优点是系统简单可靠,但机器人静态误差和动态性能不能满足研磨抛光机器人加工的要求。因此,在本文研磨抛光机器人运动控制器的研究开发中,将位置控制环放到二轴运动控制器(可控制机器人的1~2个关节)中实现。并采用参数模糊自整定PID控制算法进行机器人关节位置控制,以进一步提高机器人的位置控制性能。2控制性能研磨抛光机器人运动控制器内嵌集成ARM核的AT91M40800微控制器和?C/OS-II实时操作系统,使得运动控制器能够满足网络化机器人关节位置控制所需的计算及处理能力。2.1运动控制器二轴运动控制器的硬件结构如图2所示。以AT91M40800微控制器为核心,采用CAN总线与机器人主控制器通讯。输出部分采用模块化的设计思想,设计成脉冲输出组件和D/A输出组件,以适应不同驱动器接口的要求。码盘输入采用增量式与绝对式并用的方式。研磨抛光机器人运动控制器以ARM微控制器作为主处理器,ARM芯片集成了丰富的片内资源,具有并行I/O控制器,两个全双工通用同步/异步串行口(UART)和三个16位计数器,支持在线系统编程,通过JTAG串行口可对ARM进行编程与调试,且运行速度能达到30MIPS,与DSP相比毫不逊色,从而提高了机器人系统运算和处理的能力。运动控制器通过输出模拟电压信号到伺服驱动器,作为电机位置指令,同时可接收伺服驱动器以模拟电压信号方式传送的电机位置等反馈信号。因此二轴运动控制器中包括2路DAC和2路ADC接口转换电路。采用Philips公司的SJA1000作为CAN控制器,与机器人主控制器进行CAN总线通讯。微控制器与CAN控制器的接口用可编程逻辑器件ALTERA7032来实现,接口逻辑框图如图3所示。2.2c/os-iii系统概述研磨抛光机器人运动控制器采用源代码公开的?C/OS-II实时多任务操作系统作为操作系统,软件采用了模块化的设计思想,既加快了软件的开发周期,又便于软件的维护和扩展。2.2.1c/os-iii实时操作系统μC/OS-II实时多任务操作系统内核具备完善的任务调度、中断处理及同步机制。由于其开放源代码,系统可裁剪,可支持64个任务,系统功能函数执行时间可确定,可嵌套的中断管理机制,可以在绝大多数目标处理器上移植等特性,可满足研磨抛光机器人运动控制器实时性及可靠性的需要,因此选用μC/OS-II实时操作系统负责运动控制器软件的调度管理,利用支持ARMCPU的IAR集成开发平台,基本采用C语言开发运动控制器的软件。2.2.2控制程序设计每个运动控制器上有一个ARM微处理器,用以对一至两个关节进行控制。运动控制器上的微处理器主要完成以下功能:(1)根据上位计算机发送来的指令完成复位、初始化、进入位控(位置控制)模式、进入报警状态等操作。(2)进入位控模式后每16ms通过CAN控制器接收一次主控制器发送来的新位置信息,并将运动控制器的必要信息反馈回主控计算机。(3)对新接收到的位置信息进行检测、确认。然后,对关节位置的新值和当前值进行关节空间的新插补计算,其中微处理器把16ms内关节应该运动的增量分成16等份,于是轨迹段内每一个小间隔的时间为1ms。(4)在每个1ms的小间隔内从码盘寄存器中读出关节的当前位置,根据参数模糊自整定PID控制算法计算当前D/A输出值,同时查询运动控制器状态及伺服电机报警状态。(5)经D/A转换器把数字信号转换成模拟信号,将这个模拟信号送到电机伺服驱动器,驱动相应关节运动。根据上面的控制需求将控制程序的总体构架划分为初始化和主控制循环两大模块,每个大模块又下属几个子模块,整个控制程序构架如图4所示。其中的伺服控制模块在接收到机器人主控制器发送来的启动信号后,开始进行关节伺服控制计算,产生DAC输出信号和I/O逻辑输出信号,控制电机运动。同时启动1ms的伺服控制时钟中断,在16ms的伺服控制周期内每1ms产生一个时钟中断,进行一次伺服控制运算和I/O输出信号逻辑运算,产生DAC输出信号来控制电机运转。3基于模糊模糊的模糊决策研磨抛光机器人运动控制器中的参数模糊自整定PID关节位置控制算法,是在常规PID的基础上加上参数模糊自整定控制器构成的,可根据系统的偏差的大小、方向、以及变化趋势等特征,通过模糊推理做出相应决策,自动在线调整PID的三个参数K取语言变量|e|和|ec|的语言值为“大”、“中”、“小”三档,采用归一化论域。隶属度函数均采用三角形对称的全交叠函数。根据语言变量|e|和|ec|的不同组合状态,可以总结出K规则1:如果|e|是大,则K规则2:如果|e|是中且|ec|是大,则K规则3:如果|e|是中且|ec|是中,则K规则4:如果|e|是小且|ec|是大,则K规则5:如果|e|是小且|ec|是小,则K4研磨抛光机器人的工作原理研磨抛光机器人运动控制器运用参数模糊自整定PID位置控制方法和PID位置控制方法进行对比实验。被控对象是兰州电机厂的IFT6070-6ACZ1型伺服电机,无负载。机器人上位计算机采用PC-104工控计算机,经CAN总线与运动控制器连接,上位计算机以16ms为控制节拍向运动控制器发送位置指令,运动控制器把16ms的位置指令平均插补成16份,最后经运动控制器中的位置闭环控制运算产生一个输出电压,作为被控电机位置环的给定量,达到控制研磨抛光机器人关节运动的目的。PID控制器中控制系数为,K5pid控制方法的应用基于集成ARM核的微控制器和?C/OS-II实时操作系统的研磨抛光机器人运动控制器,具有开放的分布式控制结构,使研磨抛光机器人关节控制的计算及处理能力更强;基于参数模糊自整定PID关节位置控制方法有效降低了机器人系统的位置跟踪误差,为研磨抛光机器人进行力控制奠定了基础。由于该运动控制器采用模块化设计,可以应用到各种工业机器人系统中。本文作者创新点是设计的研磨抛光机器人运动控制器具有开放的分布式控制结构,计算及处理能力更强。软件上采用模块化设