開放式驅(qū)控一體化的工業(yè)機器人控制器研發(fā)_黃瑞寧

《開放式驅(qū)控一體化的工業(yè)機器人控制器研發(fā)_黃瑞寧》由會員分享，可在線閱讀，更多相關(guān)《開放式驅(qū)控一體化的工業(yè)機器人控制器研發(fā)_黃瑞寧（8頁珍藏版）》請在裝配圖網(wǎng)上搜索。

1、技術(shù)應(yīng)用 Technique and application 開放式驅(qū)控一體化的工業(yè)機器人 ?黃瑞寧1樓云江1劉越2張運強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)動控制一體化的運動控制器架構(gòu)，將常規(guī)運動控制器、常規(guī)驅(qū)動器的 控制模塊、工控機、安全控制卡、示教盒的 CPU處理模塊有機集成，形成一個一體化的運動控制器，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 作為機器人的“大腦”，機器人控制器是影響機器人 性能的關(guān)鍵模塊之一 ［1-2］。目前，工業(yè)機器人所采用的控制 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、專用機器人語言、專用操作系統(tǒng)、專用微 處理器，其控制器在機器人系統(tǒng)中是一個黑箱，與其他的 廠家之間并不兼容。隨著機器人的廣泛應(yīng)用，不同應(yīng)用領(lǐng) 域需要機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)展對機器人控制 器提岀了開放性的要求，而非開放式的工業(yè)機器人系統(tǒng)架 構(gòu)在很大程度上限制了工業(yè)機器人的普及應(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 指集成運動控制器、驅(qū)動器控制電路、工控機管理功能、 示教盒的CPU處理及安全控制卡功能為一體的運動控制器。 驅(qū)動和控制的集成使兩者從設(shè)計、制造到運行和維護都更 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，大力、快速推進(jìn)驅(qū)控一體化的運動控制器的研發(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)有的機器人伺服控制系統(tǒng)在硬件架構(gòu)上由上位機、 運動控制器、驅(qū)動放大器和執(zhí)行電機組成。上位機負(fù)責(zé)整 個系統(tǒng)管理以及運動學(xué)計算、軌跡規(guī)

5、劃等。上位機把規(guī)劃 指令發(fā)送到運動控制器，運動控制器與傳感器（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)動電機運 轉(zhuǎn)。因此，在運動控制器和驅(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 器人，需要一個運動控制器和六個驅(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 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，并且集成了運動控 制技術(shù)、計算機技術(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)運動控制技術(shù)有機結(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、可擴展性。圖 1為開放式驅(qū)控一體 化工業(yè)機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。機器人主 控制器完成機器人的運動規(guī)劃、插補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動 控制、連續(xù)軌跡運動控制、點位運動、位置速度時間運動 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具有實時運動控制 功能、I/O控制功能、開放的軟件架構(gòu)、豐富的人機界面 等優(yōu)點，集成了點位、連續(xù)軌跡、同步運動控制功能模 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、圓弧插補、刀向跟 隨、樣條插補、電子齒輪（ GEAR和電子凸輪（ Follow） 等運動控制。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)、人機界面的設(shè) 計、運動規(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)，顯示人機界面。實時控制層實現(xiàn)運動控制、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 客戶儀需要對機械木休進(jìn)行?；乇孀R’強搖調(diào)用機器 示教文件餅折器.以尢網(wǎng)通信協(xié)復(fù)包、機器人界面幵 機器人朕本控制模塊，機器人槐割修改模塊，機器人 |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算插補控制進(jìn)程的功能。 2） 任務(wù)調(diào)度模塊包含機器人語言解析器，能夠?qū)C 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)送到運算插補控制進(jìn)程中執(zhí)行，從而實現(xiàn)機器人的 自動運行。

17、3） 讀取運算插補控制進(jìn)程的實時反饋的狀態(tài)，并根 據(jù)運算插補控制進(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，以保證運算插補控制進(jìn)程的安全正確運行。 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的運行。圖7為任務(wù)調(diào)度模塊內(nèi)部流程圖。 采用電機編碼器（從驅(qū)動器中讀取）和激光跟蹤儀（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機器人本體，利用本文開發(fā)的機 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 本文基于機器人軌跡優(yōu)化理論和控制理論，結(jié)合工業(yè) 機器人行業(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)市場上機器人還停留在傳統(tǒng)的剛性工業(yè)機 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器人”的需求，而且國內(nèi)尚沒有關(guān)于 此類機器人產(chǎn)品化的報道。 目

24、前國外已經(jīng)有部分研究機構(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)和軟機械臂具有極大的研究意 義，其研究成果可以使機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)濟效益。 4自由度仿人軟機械臂具有安全性、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)軟件平臺提供了機器人基本控制模塊、機器 人模型修改模塊、機器人示教文件解析器、以太網(wǎng)通信協(xié)議 包、機器人界面開發(fā)模塊、弧焊/點焊接口模塊、焊接參數(shù) 設(shè)置模塊。用戶僅需要對機械本體進(jìn)行模型辨識，直接調(diào)

26、用 機器人模型修改模塊，就可以完成機器人本體的控制。用戶 通過調(diào)用完整、成熟、穩(wěn)定的機器人控制函數(shù)功能實現(xiàn)對機 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

27、obot controller[J]. Control Engineering Practice. 1996,4(2):239-249. [3] 徐華,賈培發(fā)，趙雁南.開放式機器人控制器軟件體系結(jié)構(gòu)研究進(jìn)展 [J].高技術(shù)通訊,2003,1:100-105. [4] 王天然，曲道奎.工業(yè)機器人控制系統(tǒng)的開放體系結(jié)構(gòu)[J].機器＞2002,24(3):256-261. [5] 孫斌，楊汝請.開放式機器人控制器綜述[J],機器＞2001,23(4):374-378. [6] Brog?rdh T. Present and future robot control development —

28、 An industrial perspective[J]. Annual Reviews in Control. 2007,31(1):69-79. [7] Shao Xiaoyin, Sun Dong. Development of a New Robot Controller Architecture with FPGA-Based IC Design for Improved High-Speed Performance[J]. IEEE Transactions On Industrial Informatics, 2007,3(4):312-321. [8] Bielewicz

29、 Z, Debowski L, Lowiec E. A DSP and FPGA based integrated controller development solutions for high performance electric drives[C]. in Proc. IEEE Int. Symp. Industrial Electronics. 1996, Jun:679-684. 40 I機器人技術(shù)與應(yīng)用2013.2 ? 1094-2013 China Academic Jvuriml Electronic Publishing 監(jiān) All rights rvscrvxd. htlpWwiliel