六轴工业机器人控制系统探究

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随着机器人技术的发展，在现代工业生产中，机器人发挥着越来越重要的作用，改变了传统的生产和生活方式。引起了世界各国的广泛关注。工业机器人由机器人控制系统和机器人本体两部分组成，一般工业计算机使用Windows操作系统，但是却无法满足工业机器人实时性控制要求。国内的运动控制器主要采用三种方案。

方案一：A R M （l i n u x ）+D S P + F P G A ，核心运算在D S P 实现，A R M （linux）里面实现人机交互。例如广州数控采用本方案。

方案二：PC（Windows）+DSP+ F P G A ，核心运算在D S P 实现，P C （Windows）里面实现人机交互。例如固高采用本方案。

方案三：PC（Windows）+DSP+ F P G A ，核心运算在P C 实现，P C （Windows）里面实现人机交互。例如卡诺普采用本方案。

本文研究了一种基于R T X （R e a l Time Extend）的工业机器人控制系统，在实时性、精度方面均有优势，可满足应用需要。

一、工业机器人本体介绍

我国自主研发的六轴工业机器人本体的驱动装置，采用的是交流伺服电机和减速器两种构件。六轴工业机器人的本体，主要包括回转机体、腕部、大臂和小臂等几部分。其中，全部关节都是转动关节。机器人的前三个关节，能够将末端工具送至任何空间位置，后三个关节能够满足不同工具姿态的要求。

从结构上面来看，第1关节为数值方向旋转，属于六轴工业机器人腰部关节，底部底座位置安装着电机；第2关节相当于人体的肩关节，其轴线为水平方向，并且大臂缠绕此轴线之上；第3关节就是机器人的小臂和手腕，而第4关节为带动手腕旋转，第5关节做俯仰旋转运用，第6关节做旋转运用。

Windows系统属于多任务操作系统，可同时并行多项任务，系统核心层的任务调度器可调度用户线程。同时，Windows系统实现了一个由优先驱动的抢占式调度系统，通过配额的调整，根据时间进行调度。根据调度机制，在运行过程中，用户的程序如果超过了实时性的要求，即超过15ms，则可能需要等待更长时间才能得以处理。

Windows系统中的硬件采用的是两片级联的8259芯片，但是由于PCI分配中断资源属于常规中断，且由于BIOS运行属于实时模式，因此只有在保护模式下其才能够正常使用。这也就是说，目前系统中的

中断实现还存在局限性，需要加以进一步开发和研究，完善系统中断实现，以更好适应机器人控制系统发展，满足其要求。

基于此，本文探究了一种基于RTX 系统的六轴工业机器人控制系统。

二、基于ＲＴＸ工业机器人控制系统结构介绍

（一）RTX系统

事实上，RTX是Windows系统内核体系的拓展和眼神，为系统提供实时解决方案，有效拓展了抽象层HAL，建立了一种独立内核驱动模式。RTX系统可将既有系统的线程间切换时间消耗，也只有短短的数微妙。系统结构图如图1所示。

经过拓展的实时HAL，其RTX使用的是中断管理模式，而与Windows线程相比，RTX可实现实时线程严格调度管理，并且RTX线程也比其他系统的调度权要优越。同时，通过扩展的HAL，

RTX还拥有自身的中断管理机制，可直接访问I/O硬件端口。因此，RTX的上述机制，可该系统始终保持优先权，而不被系统线程堵塞。RTX线程与Windows线程间，可实现共享内存数据，并由实时信号负责两部分的同步通信。RTX定时器精度，由运行环境来决定和设置，可达到0.2ms精度。

（二）系统硬件结构分析

六轴工业机器人系统结构包括三部分，即机器人手臂、电气控制箱和工业计算机。如图2所示。

机器人手臂主要负责机器人操作，其可直接带动末端，控制和实现计算机的各种动作和操作。机器人手臂为全关节式，通过旋转运动可实现任何动作和姿态。而电气控制箱则是内里安装有伺服电动驱动器的部分，用于驱动机器人手臂关节，实现手臂关节的启停与运动。同时，这部分还包括各种保护电路、辅助电路和I/O电路等。

六轴工业机器人控制系统探究

汤嘉荣1，2

（1.广州数控设备有限公司，广东 广州 510000；2.广州市广数职业培训学院，广东 广州 510000）

摘 要：六轴工业机器人系统要求具有高实时性和高精度，本文研究了一种基于RTX的工业机器人系统。本文对工业机器人的结构做了准确介绍，重点分析了基于RTX的控制系统构架，并探究了其软硬件结构，在利用Windows界面功能和RTX实时处理能力，实现了开放、可扩展的六轴工业机器人系统。实践表明，这种工业机器人的点位和轨迹精度均满足生产需要，值得推广。

关键词：工业机器人；控制系统；实时性；探究中图分类号：TP242

文献标识码：A 图1 RTX 系统结构

图2

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- 2 -能源是社会不断发展的基础，能源工业是我国市场经济建设的基础工业。目前，世界一次能源结构中煤炭比例有所下降，但我国的能源生产结构一直维持在70%~80%的高比重水平，因此煤炭企业的高效、稳定生产一直是国家发展的基础。然而，虽然我国的煤炭资源丰富，但煤矿企业的生产技术却一直处于国内其他工矿企业的技术水平之下。煤炭生产离不开科学技术、科学技术成果又促进煤炭工业发展，因此应用高新技术改造传统煤炭工业生产工艺，一直是被国家所倡导的改革方针。

矿井运输和提升的任务，就是把煤炭及矸石从采掘工作面运到地面，把材料及设备运送到井下各工作地点，并且担负着井上下往返人员的输送。运输和提升是矿井生产的一个重要环节，运输和提升设备能否安全、稳定、高效的运转，将直接影响到矿井的生产能力和经济效益。矿山系统的运输和提升设备均为大型的综合系统，无论是操作还是系统维护方面都极其复杂。同时，由于煤矿企业的生产安全性问题，很多高校毕业生以及优秀人才都不愿意到煤矿企业来工作。它们认为煤矿的工作危险性极高而工资待遇又与其危险性不相匹配。这就造成了现在煤矿企业技术人员匮乏、维护人员技术水平低、操作人员素质差等诸多问题。随着企业的发展、浅谈PLC技术在矿山机电控制中的应用

芦世波

（沈煤集团蒲河煤矿，辽宁 沈阳 110121）

摘 要：随着煤矿现代化的发展，国家对矿山设备运行的安全性要求越来越高，建设本质安全性矿山已成为煤矿生产建

设的核心。然而目前矿山企业的现状是矿山技术人员匮乏，工人技术素质极低，设备科技含量差等诸多弊端极大的制约着矿山企业的发展。因此，应用高新技术去改造矿山设备是走出企业窘境的一条有效途径。我矿于2004年开始，相继进行了多次重大的技术革新。将PLC控制技术应用于矿山的主提、主运、主采设备，通过应用我们深刻的感受到新技术的优势。

关键词：矿山提升；自动控制；安全中图分类号：TP273.5 文献标识码：A 在基于RTX机器人控制器与人机操作界面中，工业计算机可进行正常运行，控制和处理机器人的信息，控制机器人手臂运动。基于RTX六轴机器人硬件系统，主要包括PCI板卡、工控机、编码器卡、伺服电机，以及D/A转化卡、伺服电机驱动器等。

（三）系统软件结构分析

六轴工业机器人系统软件结构包括人机操作界面、目标轨迹声场和下位机等部分，分为上位机和下位机两个模块。其中，下位机是系统的控制器，上位机是人机操作平台。由于上位机是机器人系统的操作平台，其主要功能包括显示机器人运行、显示机器人各关节编码器反馈信息、显示机器人状态监控信号，以及与RTX机器人控制器通讯。

而下位机由于为机器人操作系统控制器，其主要功能包括：一是通过编码器卡来实时接收电机位置反馈数据，二是通过共享内存来接收上位机发出的实时目标指令；三是经过控制算法模块来反馈数据与目标指令，从而给出指令，在经由D/A转换，输出模拟信号控制伺服电机驱动器，最终形成闭环控制系统。

三、六轴工业机器人控制系统实践

基于R T X 系统的六轴工业机器人系统，通过软件结构与硬件结构，探究出了一种基于RTX的六轴工业机器人

系统。这种工业机器人本体的重量为20kg，其额定负载1kg，其一轴和二轴采用的电机均为400W，而三轴采用的是200W伺服电机，第四轴、第五轴和第六轴选用50W伺服电机。基于RTX机器人控制器的控制周期为1ms，其运动规划控制主要由S型曲线实现。

机器人运动轨迹精度测量，则使用FARO激光跟踪仪，是将激光跟踪仪固定于机器人末端，其发射与接收器实时快速跟随靶球移动，用以测量基于RTX系统工业机器人运动轨迹的精度。机器人点运动和轨迹运动精度见表1。

表1机器人点运动和轨迹运动精度

运动形式精度（ｍｍ）点到点直线圆弧

±０．０５±０．３±０．３

结论

本文探究了一种基于RTX六轴工业机器人系统架构，同时利用了Windows 资源与RTX的实时处理能力，探究出了一种开放型的、可扩展的工业机器人系统，从而为六轴工业机器人控制算法与功能扩展提供了基础。同时，基于RTX 系统结构的研制成功，也表明我国具有了自主研发的机器人，其测试和实践结果表明，基于RTX体系结构的六轴工业机器人的运动控制效果良好。

机器人控制系统给定的输入信号

为正弦信号，根据仿真所得的结果，表明系统显示出了良好的动态特性。而通过建立机电仿真模型，在分析进给驱动系统整体动态特性的同时，还能够分析机械传动机构动力学特征，以及设计伺服控制算法、优化调整控制参数等，为提升工业自动化整体性能发挥更大的作用。

结语

随着工业的发展，特别是机器人制造技术的发展，更加智能的机器人控制系统已经被制作出来。传统基于Windows 系统的工业机器人，虽然也适应工业发展需求，但是其精度和实时性控制方面，却不适应未来发展趋势。文章根据工业发展需要，探究了一种基于RTX系统的六轴工业机器人，介绍了其控制系统中的硬件和软件部分，并探讨了其实际运行的效果，结果表明适应生产需要，值得推广。

参考文献

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[2]毕鲁雁，刘立生.基于RTX 的六轴工业机器人系统设计[J].机床与液压，2013（15）：134-136+163.

[3]廖新辉.手机自动化生产线六轴机器人单元工作原理及常见故障分析[J].机电工程技术，2015（06）：52-55.