六自由度模塊化機器人控制系統(tǒng)設(shè)計

王殿君，嵇鐘輝，劉淑晶，相 臣，彭文祥

（北京石油化工學院 機械工程學院，北京 102617）

0 引言

目前機器人常用的控制方式主要有主從式、分布式、集中式。主從式控制方式是由一級計算機和二級計算機組合控制的，主要應用于機器人的遠程控制。分布式控制方式可以有效的提高控制器的工作速度和控制性能，但是這也給控制系統(tǒng)設(shè)計增大了難度。而集中式的控制方式簡單、靈活，可以實現(xiàn)任務的實時集中控制等特點，被廣泛應用于機器人控制。

集中式控制方式目前主要有專用式控制方式、開放式控制方式。專用式控制方式專用、集成度高，但不開放、功能可擴展性和可移植性不高，不利于二次開發(fā)。開放式的控制方式以其具有很好的實時性、穩(wěn)定性、可擴展性等優(yōu)點成為當下機器人控制的常用方法。通過對幾種控制方式的對比分析以及機器人控制系統(tǒng)設(shè)計的實際要求，機器人控制系統(tǒng)采用開放式控制方式。

本文首先簡要介紹了六自由度模塊化機器人本體構(gòu)造，選擇了一種基于上位機PC與下位機PMAC的控制系統(tǒng)，開發(fā)了上位機機器人控制軟件，搭建機器人運動平臺并進行了機器人示教及定位實驗。

1 六自由度模塊化機器人結(jié)構(gòu)簡介

六自由度模塊化機器人分為六個模塊，在設(shè)計過程中采用模塊化的思想[1～3]。驅(qū)動綜合使用了步進電機、交流伺服電機搭配諧波減速器、行星減速器的形式，并采用同步帶傳動、蝸輪蝸桿傳動等多種傳動方式[4,5]。

加工組裝完成的六自由度模塊化機器人機械本體如圖1所示。

圖1 六自由度機器人機械本體

2 硬件控制系統(tǒng)設(shè)計及實現(xiàn)

2.1 機器人控制系統(tǒng)總體方案

依據(jù)已選定的開放式控制方式進行控制器的選擇。運動控制器是機器人控制系統(tǒng)的核心，它負責接收上位機的用戶指令，根據(jù)指令控制其他電氣元件工作。常用的控制器有單片機、PLC、運動控制器等。單片機控制的優(yōu)點是經(jīng)濟性高、控制系統(tǒng)成本相對較低，缺點是故障率較高、擴展性差，對周圍環(huán)境依賴性較強、穩(wěn)定性不足、開發(fā)周期較長； PLC控制的優(yōu)點是它具有較強的抗干擾能力，從而使它的故障率相對較低，而且它對于設(shè)備的擴展相對容易，方便維修、產(chǎn)品開發(fā)周期較短，缺點是做相對較復雜的運動控制時，運動程序編程比較麻煩；運動控制器控制的優(yōu)點是將其與PC機配合，利用下位機的運動控制卡運算速度快、實時性好，可實現(xiàn)多軸運動控制的特點，再加上上位PC機可以處理大量數(shù)據(jù)并由運動控制器迅速的去執(zhí)行，可以達到控制反應時間短、控制精度高的效果。

綜合分析以上優(yōu)缺點，并結(jié)合集中式控制方式的特點，控制系統(tǒng)總體方案確定為集中式二級控制，采用上位機PC機+下位機運動控制器的方案。

目前通用運動控制器種類眾多，主流的運動控制器有研華運動控制器，固高運動控制器，PMAC運動控制器等。相比于其他運動控制器，PMAC的軟硬件開放性更好，功能更強大，可靠性和穩(wěn)定性更好。因此，選用Turbo Pmac Clipper運動控制器作為本系統(tǒng)的控制核心單元[6]。

在該方案中運動控制器用于完成運動控制、I/O 管理以及PLC等實時任務控制，PC機完成人機交互界面、系統(tǒng)管理等非實時性任務，實現(xiàn)資源的合理有效分配，使得該系統(tǒng)的開放性非常好，有利于研究人員對系統(tǒng)功能進行二次開發(fā)和擴展?；赑MAC運動控制器的控制系統(tǒng)總體方案如圖2所示。

圖2 機器人控制系統(tǒng)總體方案

2.2 基于PMAC運動控制器的電路設(shè)計

系統(tǒng)所用驅(qū)動部件包括步進電機和伺服電機兩大類， 2軸關(guān)節(jié)采用松下A5伺服電機驅(qū)動，其余軸關(guān)節(jié)采用步進電機驅(qū)動。機器人運動控制模式為位置控制，系統(tǒng)使用限位光隔板對限位、回零等標志信號增加了光耦隔離。將PMAC的輸出口JMACH1通過扁平電纜與SS2信號轉(zhuǎn)接板相連，發(fā)送信號控制伺服電機使能及編碼器脈沖輸出信號[7]。根據(jù)設(shè)備接口說明以及需要實現(xiàn)的功能，完成電路連接設(shè)計，以2軸為例的部分電路設(shè)計如圖3所示。

圖3 PMAC與伺服電機電路圖

根據(jù)機器人的工作環(huán)境及電氣參數(shù)指標[8]，搭建的電氣柜實物圖如圖4所示。

圖4 控制系統(tǒng)電氣實物圖

2.3 PMAC參數(shù)的設(shè)置

PMAC中有四類變量，分別是I變量、M變量、P變量和Q變量。在使用PMAC之前，需要對指令輸出口地址、控制模式、限位等相關(guān)變量進行設(shè)置。

機器人手爪狀態(tài)是由PMAC運動控制器的IO端口控制的，對手爪狀態(tài)的檢測，實際上就是對PMAC輸入輸出點的檢測。PMAC的IO需要使用M變量對各個IO點進行定義，定義之后才能檢測和控制這些IO點。TURBO PMAC一共具有8路數(shù)字輸出和輸入，通過改變其中的一路輸出信號的值來監(jiān)測和改變手爪狀態(tài)：調(diào)用PmacGetResponse(dwDevice, buf, 255, “M0”)函數(shù)后，會返回一個包含M0信息的字符，判斷這個字符的內(nèi)容來確定手爪的狀態(tài)。

3 控制系統(tǒng)上位機軟件開發(fā)

3.1 開發(fā)環(huán)境的選擇

Microsoft Visual C++ 6.0是Microsoft公司推出的基于Windows操作系統(tǒng)的可視化集成開發(fā)環(huán)境（integrated development environment，IDE）。它具有程序框架自動生成、靈活方便的類管理、可開發(fā)多種程序等優(yōu)點，已成為很多專業(yè)程序員進行軟件開發(fā)的首選工具[9]。機器人控制系統(tǒng)中使用的PMAC運動控制器為用戶提供了PCOMM動態(tài)鏈接庫來完成上位機和PMAC之間的數(shù)據(jù)交換，PCOMM動態(tài)鏈接庫之中包含了200多個庫函數(shù)，通過它能夠非常方便的在VC++6.0下使用，因此本文采用VC++6.0高級語言編程來進行上位機程序的編寫。

3.2 控制軟件總體框架及功能劃分

針對本系統(tǒng)的特點，將控制軟件分為上位機和下位機兩個部分。上位桌面應用程序與下位運動程序之間進行數(shù)據(jù)交互[10]，機器人控制系統(tǒng)軟件的總體結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 機器人控制系統(tǒng)軟件的總體結(jié)構(gòu)

在對上位機軟件開發(fā)之前，首先要對軟件所能實現(xiàn)的功能進行劃分，然后再根據(jù)具體的功能劃分來進行軟件的編寫。將模塊化六自由度機器人控制軟件按照功能進行的劃分，如表1所示。

表1 上位機軟件功能劃分

3.3 控制系統(tǒng)上位機軟件實現(xiàn)

本文開發(fā)的上位機軟件，基于面向?qū)ο蟮睦砟?，使用MFC對話框功能開發(fā)?？刂栖浖窘淘佻F(xiàn)功能實現(xiàn)的流程如圖6所示。

圖6 控制軟件示教再現(xiàn)功能實現(xiàn)流程圖

在Windows XP系統(tǒng)下使用VC++6.0開發(fā)了模塊化六自由度機器人的控制軟件，其中的子功能示教模塊如圖7所示。

圖7 機器人示教軟件界面

4 機器人示教實驗

在模塊化機器人試驗平臺上對機器人進行示教實驗，在圖7所示的機器人示教界面中，使用模塊運動功能讓機器人各關(guān)節(jié)運動，控制手爪抓取軸裝配到軸套中，記錄關(guān)節(jié)運動狀態(tài)。記錄完成后，通過單擊再現(xiàn)按鈕實現(xiàn)機器人示教再現(xiàn)的功能。記錄的示教參數(shù)如圖7所示，其中，X、Y、Z、U、V、W分別代表各關(guān)節(jié)相對于初始位置的轉(zhuǎn)角，S為運行速度，H為手爪狀態(tài)。

通過機器人控制軟件，讓機器人末端運動至空間某一點，當前坐標記錄了機器人末端手爪的理論位置坐標，用激光跟蹤儀測定機器人運動實際末端坐標值，比對理論值和所測實際值之間的誤差，驗證機器人的定位精度，機器人定位誤差如表2所示。

表2 機器人定位誤差

通過實驗結(jié)果可以看出，模塊化六自由度機器人在控制系統(tǒng)下能夠很好的完成示教再現(xiàn)方式的搬運裝配工作，在一定程度上證明了機器人在所設(shè)計的控制系統(tǒng)下工作可靠穩(wěn)定，通過6次測定機器人末端定位誤差，得到誤差的最大值為0.8392mm，證明了機器人在此控制系統(tǒng)下具有較好的定位精度。

5 結(jié)論

1）根據(jù)開放式控制系統(tǒng)的特點，確定了基于PC機+PMAC運動控制器的機器人控制系統(tǒng)方案。

2）根據(jù)六自由度模塊化機器人的機械設(shè)計及運行要求設(shè)計控制系統(tǒng)的電路圖，搭建電氣系統(tǒng)。

3）使用VC++ 6.0并結(jié)合Pcomm32在Windows系統(tǒng)下開發(fā)六自由度模塊化機器人控制軟件，并通過連續(xù)示教實驗及定位誤差測定驗證了控制系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠及具有比較高的定位精度。

[1] 王衛(wèi)忠.可重構(gòu)模塊化機器人系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究[D].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學,2007.

[2] A. Castano,A.Behar,P.M.Will.The CONRO modules for Recon fi gurable robots.IEEE/ASME Transactions on Mechatronics,2002,7(4):403-409.

[3] 王明輝,馬書根,李斌,等.可重構(gòu)機器人體系結(jié)構(gòu)及模塊化控制系統(tǒng)的實現(xiàn)[J].儀器儀表學報,2006,27(10):1178-1182.

[4] Wei H X,Cai Y P,Li H Y,et al. Sambot:A self ass-embly modular robot for Swarm robot[A].IEEE Inte-rnational Conferenceon Robotics and Automatio Piscata-way,USA:IEEE[C].2010:66-71.

[5] 王林.可重構(gòu)模塊化機器人構(gòu)形設(shè)計理論及方法的研究[D].武漢:武漢理工大學,2007.

[6] Delta Tau Data System Inc.Turbo PMAC2 User Manual[M].USA:Delta Tau Data System Inc,2006.

[7] 朱萬輝.七自由度焊接機器人控制系統(tǒng)設(shè)計[D].安徽工業(yè)大學,2012.

[8] 姚興田,馬永林,張磊,等.升降伸縮式樓道清潔機器人結(jié)構(gòu)及控制系統(tǒng)設(shè)計[J].機械設(shè)計與制 造,2014(4):262-264.

[9] 汪洋,李斌,陳麗,等.蛇形機器人控制系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J].機器人,2003,25(6):491-494,500.

[10] 張邦成,韓躍營,王占禮,等.基于PMAC的仿人按摩機器人手臂控制系統(tǒng)設(shè)計[J].機械設(shè)計與制造,2012(4):56-58.