工業(yè)機器人通用控制器研究開發(fā)

1、第 4 卷第 5 期上海大學(xué)學(xué)報 (自然科學(xué)版)V o l. 4, N o. 51998 年 10 月JOU RNAL O F SHAN GHA I U N IV ER S IT Y (NA TU RAL SC IEN C E)O ct. 1998X工業(yè)機器人通用控制器研究開發(fā)陳一民(計算機工程與科學(xué)學(xué)院)提 要 本文對機器人控制器的體系結(jié)構(gòu)和發(fā)展進行了論述, 針對傳統(tǒng)機器人控制器所采用的上下兩級的分級控制結(jié)構(gòu), 闡明了改進意見, 提出了一種新的機器人控制器的硬件體系結(jié)構(gòu). 新型控制器以通用的 IPC ( Indu st r ia l co n t ro l P e r so na l Com

2、 p u te r) 為硬件平臺, 由 2 塊三軸位置卡、1 塊A D、D A 卡和 1 塊 IO 卡等組成, 采用通用的操作系統(tǒng)W indow s 作為軟件平臺. 本文分析了機器人控制算法、回原點程序及W indow s 環(huán)境下硬件中斷實現(xiàn)的機制, 并給出了W indow s 環(huán)境下編寫中斷服務(wù)程序的方法.關(guān)鍵詞 機器人控制器; IPC; W indow s 中斷服務(wù)程序; 控制算法中圖法分類號 T P 2140引言工業(yè)機器人系統(tǒng)通常分為機器人本體和控制器兩大部分. 控制器的主要作用是根據(jù)用戶的指令對機器人本體進行操作和控制. 國內(nèi)機器人控制器, 如原上海工業(yè)大學(xué)和航空部 633 所研制的S

3、 IR 2 型工業(yè)機器人, 采用二級計算機系統(tǒng)作為控制器的核心部件, 由 In te l 86310 機作為系統(tǒng)的上位機, 系統(tǒng)的下位機采用 In te l 8085 為C PU 的單板機, 用來控制各關(guān)節(jié)的運動、焊接、示教信息的傳輸、外部報警及傳感信息的采集. 我國的精密 1 號裝配機器人控制器, 采用In te l 公司的 iSBC 38612 系列計算機和 iRM X 實時多任務(wù)操作系統(tǒng), 采用上、下兩級分布式計算機結(jié)構(gòu) 1 . 機器人控制器的硬件體系結(jié)構(gòu)一定程度上決定了它采用何種操作系統(tǒng). 國外機器人生產(chǎn)廠家各有自己的控制器, 專用性強, 互不兼容. 控制器大多采用分級方式, 如著名P

4、UM A 、A D E P T、GRA CO 和 In te lledex j 機器人. 控制器采用的C PU 大都停留在早期的芯片上, 且都采用多C PU 分布式結(jié)構(gòu), 兩級控制, 而操作系統(tǒng)則都采用實時多任務(wù)操作系統(tǒng) iRM X系列, 成本高, 人機界面差.機器人控制器采用多 C PU 主要是為了解決早期單 C PU 運算能力不足的問題. 當(dāng)今P en t ium P ro 及 P en t ium C PU 的運算速度和處理數(shù)據(jù)能力是 8080 C PU 的數(shù)千倍. 用單一X 收稿日期: 1998202205上海市自然科學(xué)基金(925514063, 955511000) 和上海市高等學(xué)校

5、自然科學(xué)基金(96A 60) 資助項目陳一民, 男, 1961 年生, 碩士, 副教授; 上海大學(xué)計算機工程與科學(xué)學(xué)院, 上海市延長路 149 號(200072) 1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd.All rights reserved.474上海大學(xué)學(xué)報 (自然科學(xué)版)第 4 卷的C PU 替代早期多C PU 結(jié)構(gòu)已具可能. 現(xiàn)在A GP、PC I 和 ISA 總線的工業(yè)控制計算機性能越來越完善, 功能越來越強大, 具有很強的擴展性、開放性以及很高的性能價格比, 已出現(xiàn)的基于A GP、PC I 和 ISA 總線工控機的CN C

6、 數(shù)控系統(tǒng), 從側(cè)面說明了高性能的工控機作為機器人控制器硬件平臺是可能的.機器人是否先進很大程度上取決于其控制器, 機器人控制器的成本較大程度上決定了機器人的價格, 開發(fā)一個低成本的工業(yè)機器人通用控制器十分必要. 從目前的發(fā)展和今后的趨勢看, 機器人控制器采用通用計算機將成為一個主流 2 , 機器人控制器硬件平臺將采用 32 位 C PU 或 64 位C PU 的工控機, 并具有多種傳感器接口和網(wǎng)絡(luò)接口, 軟件平臺將采用具有W in2 dow s 風(fēng)格的多任務(wù)操作系統(tǒng). 基于以上的分析, 我們研究開發(fā)了基于 IPC 和W indow s 的機器人通用控制器. 同時, 據(jù)占世界機器人市場份額第四

7、、歐洲最早研究機器人的德國 KU KA 公司介紹, 他們也正在研究基于P en t ium 級 IPC 和W indow s 的機器人控制器, 以此來提高機器人控制器的性能價格比, 這也說明了對通用控制器的研究是符合機器人控制器發(fā)展趨勢的.1工業(yè)機器人通用控制器硬件結(jié)構(gòu)我們研制的基于 IPC 和W indow s 的工業(yè)機器人通用控制器的硬件由以下幾個部分組成:1 臺與 IBM 2PC 兼容的P en t ium 級工控機, 內(nèi)存 32 M , C PU 主頻 200 M H z; 2 塊 ISA 總線的三軸多功能位置卡; 1 塊帶光電隔離的輸入輸出卡; 1 塊帶光電隔離的A D、D A 卡

8、3 ; 1 塊網(wǎng)卡; 1 只示教盒. 這種硬件配置可控制六自由度機器人及外圍設(shè)備, 具有聯(lián)網(wǎng)功能, 也可根據(jù)需要擴展至 9 個自由度.工業(yè)機器人通用控制器采用高性能的工控機. 它有 5 個 ISA 擴展槽, 3 個 PC I 擴展槽, 這樣不僅滿足了配置中的要求(需要多個擴展槽) , 同時使系統(tǒng)具有一定的擴展性, 并且 IPC 有特殊的電源和很好的散熱性.機器人通用控制器中的一個重要部件是三軸多功能位置卡, 三軸多功能位置卡的功能框圖如圖 1 所示. 三軸多功能位置卡的每一軸都由專用的位置芯片控制, 三軸可完全獨立伺服控制、三軸線性插補控制、二軸圓弧插補控制, DDA 插補時間為 1 m s

9、至 2 s, 伺服參數(shù)更新時間為 1 m s. 可對卡上寄存器進行直接操作, 對計數(shù)脈沖由2, 4 倍頻設(shè)置選擇功能. 卡上有F V 轉(zhuǎn)換器、輸出電壓為10 V (12 位D A ). 位置卡和計算機間通信通過 ISA 總線進行. 三軸多功能位置卡使用閉環(huán)位置控制來得到可靠和準(zhǔn)確的結(jié)果. 它有兩個特點: 一是有一個內(nèi)部的電壓反饋回路, 二是采用 F V 技術(shù)來補償小數(shù)值所引起的錯誤.為了保證一個卡上的三個電機同步運行, 采用數(shù)字差分技術(shù), 如圖 1 所示, 在 T 1 時刻對三個電機同時發(fā)出位置命令, 并在 T 2 時刻同時停止發(fā)送這些命令. 這段時間(T 2 - T 1 ) 被稱為一個DDA

10、 周期. DDA 周期可以通過軟件設(shè)置, 范圍從 1 m s 到 2 s.每個脈沖輸出后, 伺服電機將向前“走一步”.因此一個脈沖就代表一個位置命令. 一個DDA 周期的脈沖數(shù)可以從 0 到 4095. 連續(xù)的脈沖序列輸送給伺服電機驅(qū)動器, 就可以保證得到光滑的位置響應(yīng). 電機的轉(zhuǎn)動方向可設(shè)定, 只需要在DDA 周期開始前把位置信息寫到DDA脈沖緩沖區(qū)中即可.由于一個位置卡最多只能控制三軸, 因此實際控制器中使用兩塊位置卡, 一塊卡為主卡,另外卡為從卡, 主卡和從卡使用相同的中斷請求號( IRQ )、不同的 IO 基地址. 其DDA 中斷 1995-2006 Tsinghua Tongfang

11、 Optical Disc Co., Ltd.All rights reserved.第 5 期陳一民: 工業(yè)機器人通用控制器研究開發(fā)475為 IRQ = 5,誤差溢出中斷為 IRQ = 3, 主卡的 I O 基地址為0x 240,從卡的 I O 基地址為0x 220.圖 1 三軸多功能位置卡的功能框圖圖 2 數(shù)字差分技術(shù)2工業(yè)機器人通用控制器軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及控制算法我們設(shè)計開發(fā)的工業(yè)機器人通用控制器軟件系統(tǒng)主要包括兩大部分: 機器人示教程序 4 和機器人控制執(zhí)行程序. 軟件的作用是進行軌跡規(guī)劃、運動控制、傳感器信息處理、機器人示教、機器人語言及操作命令的解釋處理、人機交互控制、故障檢測與診斷等

12、. 主要功能有: 初始化系統(tǒng)程序、關(guān)閉系統(tǒng)程序、回原點程序、中斷服務(wù)程序、直線運動程序、圓弧運動程序、機器人示教程序和機器人控制執(zhí)行程序 5 等, 以下論述其中主要算法及程序.2. 1 直線運動控制算法一般說來, 直線運動可分三個階段, 加速運動階段、勻速運動階段和減速運動階段(如圖 3 所示, OA 段為加速階段, A B 段為勻速階段, B D 段為減速階段). 在一些特殊情況下, 可能沒有勻速階段過程, 只有加速運動階段機器人直線運動的V 2t 圖和減速運動階段 ( 如圖 3 中所示, O E 段為加速運動階圖 3 1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical

13、Disc Co., Ltd.All rights reserved.476上海大學(xué)學(xué)報 (自然科學(xué)版)第 4 卷段, E F 段為減速運動階段).具體計算方法如下:設(shè)機器人加速階段的加速度為a 1 , 減速階段的加速度為a 2 , 速度為V , 插補時間為T , 全路程為L , 有關(guān)三個階段的一些參數(shù)計算見表 1.表 1機器人直線運動時各階段的參數(shù)計算加速運動階段減速運動階段勻速運動階段路 程S 1 = V 2 (2a1 )S 2 = V 2 (2a2 )S 3 = L - S 1 - S 2時 間t3 = n3Tt1 = V a1t2 = V a2插補步數(shù)n1 = t1n2 =$T $t2

14、Tn3 = S 3 S 3$每次插補的長度S1k = (2k - 1) a1T 22S 2k = V T - (2k - 1) a2T2 2S 3 = V T其中, k = 1, , n1其中, k = 1, , n2如果速度為V = V 0時, L S 1 + S 2 , 即L V T再判斷是否可以在減速運動階段插入一步, 長度新舊坐標(biāo)系o,i,j,k 等于 L , 由于減速階段每步遞減, 那么可分兩種情況: (1) 能否在第 1 步前插一步; (2) 能否在第 k -1 步和 k 之間插入一步(k = 2, , n2 ).然后, 可根據(jù)當(dāng)前的這一步在加速運動階段、勻速運動階段還是減速運動階

15、段計算這一步運動的距離,從而可按直線插補控制機器人運動.2. 2 圓弧運動控制算法圓弧運動的計算模型與直線運動的計算模型相似,不同的是圓弧運動中的加速度是角加速度, 速度是角速度. 用直線插補控制中的方法圖 4可以計算k 步共走的距離(實際上是一段弧) ,和o, i, j , k 的示意圖然后根據(jù)有關(guān)圓的算法, 可算出當(dāng)前的位置.有關(guān)圓的算法分述如下:(1) 已知: 圓 o,圓上的一點 P 1 從 P 1 繞圓心 o旋轉(zhuǎn)的角度 B, 其中: P 1 (x 1 , y 1 , z 1 ) , 求: 旋轉(zhuǎn) B 后的點 P 2 (x 2 , y 2 , z 2 ).新舊坐標(biāo)系為o,i,j ,k 和o

16、, i, j , k .x =l1 x +l2y +l3 z +a ,y = m 1 x + m 2 y + m 3 z + b, z = n 1 x + n2 y + n3 z + c,l1 , m 1 , n 1 為向量 i的方向余弦; l2 , m 2 , n 2 為向量 j 的方向余弦; l3 , m 3 , n3 為向量 k 的方向余弦;a , b, c 為 o在原坐標(biāo)系o, i, j , k 中的坐標(biāo). 1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd.All rights reserved.第 5 期陳一民: 工業(yè)機器人通用控制器

17、研究開發(fā)477 向量 oP 1與向量 ox 同方向, oP 1 = x 1 - x 0 , y 1 - y 0 , z 1 - z 0 , r=sq r t ( (x 1 - x 0 ) 2 +(y 1 - y 0 ) 2 + (z 1 - z 0 ) 2 ) , i= l1 , m 1 , n1 = (x 1 - x 0 ) r, (y 1 - y 0 ) r, (z 1 - z 0 ) r. 圓平面的法向量與 oz同方向, j = l2 , m 2 , n2 . 向量 oy與向量 ox和向量 oz都垂直, k = l3 , m 3 , n3 = ij .BB0) , 旋轉(zhuǎn)B后點P 2 在新

18、坐標(biāo)系o,i, 點P 1 在新坐標(biāo)系o,i,j,k 的坐標(biāo)為(R , 0,j ,k 的坐標(biāo)為(R co s, Rsin, 0) , 點 P 2 在原坐標(biāo)系o, i, j , k 的坐標(biāo):x=l1 Rco sB+l2 RsinB+l3 z +x 0 ,y =m1R co sB+m 2 R sinB+ m 3 z +y 0 ,BBz =n 1Rco s+n 2 Rsin+n3 z +z 0.(2)已知 P 1 , P 2和 P 3點, 并且三點不共線, 直線 P 1 P 2 和 P 2 P 3 成一角度, 求: 與 P 1 P 2和P 2 P 3 都相切的圓(半徑已知) 及兩個切點.第一步根據(jù) P

19、 1 ,P 2 和 P 3三點可以確定圓所在的平面圓的半徑R 已知, 則最后要做的是確定圓心和切點.第二步計算切點Q 1和Q 2.因為切點Q 1 , Q 2分別為線段 P 1 P 2 和 P 2 P 3 的定比分點(內(nèi)分) , 所以應(yīng)用定比分點公式就可以計算出切點Q 1 , Q 2.計算方法: 先算出P 2Q 1,Q 1 P 1=P 1 P 2-P 2Q 2P 2Q 2Q 2 P 2=P 3 P 2-和,P 2Q 2KK, 再利用距離和分比公式:x = (x 1 +x 2 ) (1 +) ,M 1 (x 1 , y 1 , z 1 ) ;y = (y 1 +KKM 2 (x 2 , y 2 , z 2 ) ;y 2 ) (1 +) ,Kz =(z 1 +KK點M2z 2 )(1 +) ,(x , y , z ) 分割線段 M 1M為定比 .第三步 計算圓心 o.設(shè)切點Q 1 , Q 2 的中點為Q (x 4 , y 4 , z 4 ) , 則圓心 o必在直線 P 2Q 上, 圓心 o就為線段Q P 2的定比分點(外分) , 所以應(yīng)用和分比公式可以計算出圓心 o(其中: 定比 的計算方法如下:oP=Rsin (HoP 2(HKK2) ;