机器人控制系统的研究

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 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 servo; open

1、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。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, 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