（机械电子工程专业论文）工业机器人运动控制器的硬件设计与实现.pdf

南京航空航天大学硕士学位论文 摘要 随着我国向创新型国家转型以及劳动力成本上升，对以工业机器人为代表的工业自动化设 备产生了旺盛的需求，为此，本文针对实验室搭建的通用型工业机器人教学与研发平台，进行 其运动控制系统软、硬件的开发与实现等研究工作，旨在通过系统的研究，最终能够实现工业 机器人的动力学控制与智能控制，以便提升国产机器人的各项性能指标，为培养出基础扎实、 能力强的高端人才提供一个有效地途径。 本文分析了工业机器人的特点，研究了工业机器人的正逆解和轨迹规划的方法，根据理论 分析的结果、机器人控制的特点和机器人伺服控制原理，采用“p c + 运动控制器”的两级c p u 控制体系结构构成运动控制系统。本文重点研究了运动控制器的硬件。根据机器人运动控制器 的设计要求，给出了运动控制器的总体设计方案。根据运算速度快，资源丰富的要求，采用d s p 和f p g a 芯片作为核心器件。为实现与上位机的高速通讯，机器人研发平台实现资源共享、远 程控制等，设计了以太网接口。为实现与示教器、其他运动控制器等设备的连接，设计了2 3 2 异步串口和c a n 总线接口。为了保存机器人运动过程中产生的各种信息，设计了可连接大容 量存储器的u s b 接口：u s b 接口还可以进行与上位机通讯。本运动控制器要求可以实现智能 控制等算法，为满足算法对硬件存储量的要求，外扩了一块高速s d l 乙蝴。为满足此机器人平 台系统扩展的需求，外扩了d s p 的外部总线。为满足机器人电机控制的功能扩展，每个电机通 道设计了预留接口。编写各个功能模块的程序并进行了调试。 调试结果说明各个模块工作正常，此运动控制器可以用来进行工业机器人的运动控制，并 具有较好的可扩展性，为进行机器人深层次开发做了良好的基础。 关键词：工业机器人，轨迹规划，运动控制器，数字信号处理器，现场可编程逻辑门阵列 工业机器人运动控制器的硬件设计与实现 a b s t r a c t c h i l l ai s c h a i l g i i l gi n t 0 ai m o v a t i v ec o u n 仃) ，a n dl a b o rc o s ti s g e t t i l l gh i 曲e r ，s o i i l d u s t r i a l 卸t o m 6 0 ne q u i p m e n tl i k ei l l d u s t r i a ln d b o ti sn m c hm o r ed e m a l l d e d w 色a r ed e s i 萨i i l gar e s e a r c h p l a t f _ 0 肌o f _ i 1 1 d u s t r i a lr c b o t s ，b a s e do ni l ，w ec a nr e s e a r c h 廿l eh a r d w a r ea 1 1 ds o r w a r ei 1 1i t sc o n 仃o l s y s t e m ，h 叩证gt 0 缸a l l yr e a l i z em ed y n 锄i cc o n h o la 1 1 di n t e n i g e n tc o n 臼0 1i 1 1r o b o t ，t oi m p r o v em e d o m e s t i cr o b o t s p e d b m l a n c ea i l dp r o v i d eae 妇e c t i v e l yw a yt o 缸_ a i nt a l e n t e ds t u d e n tw i l l ls 仃d n g f 0 u n d a t i o n b a s e d o n 也ea i l a l y s i so fc u 仃e n tr e s e a r c hs t a t u so f 吐l ei n d u s t r i a lr o b o t s ，t l l i sp a p e ri sr n a i n l ya b o u t e s t a ：b l i s i l i i l gm em a 伍m o d e lo fm ei 1 1 d u s t r i a lr o b o ta n d 由啊e c t o r yp l 锄协g b 觞e do nt 1 1 es t i l d yo f s e n ，oc o n 的lm e o 巧o fr o t ) o t s ，t 、) l ，os t a g ec o n 们ls y s t e ms 仃u c t l l r e ，“p c + m o 缸0 nc o n 的1c 删”，w 私 c h o s e n t 1 1 i sp a p e rm a j i l l yf o c u s e so nh a r d w a r eo ft l l er n o t i o nc o n 昀lc a r d w bu d s p 锄df p g a 咖p st or e 2 l l i z e 1 ed e m 蛆do fl l i 曲s p e e da i l dv a r i o u sr e s o u r c e s e t l l e m e ti i l t e r f a c ew 鹋d e s i g n e dt o c o m 姗l i l i c a 把州也c o m p u t e ri l ll l i g h s p e e da n dr e a l i z er o b o t sr e m o t ec o n 仃0 1 u s bi i l 把r f - a c ew 笛l l s e d t os t o r ea nk i i l d so fi n f b m ：1 a t i o nc r e a t e db yr 6 b o tw h e nm o v i i l g ；i tc a na l s ob el l s e dt oc 0 t 衄m i c a t e 诵廿lp c al l i g hs p e e ds d r a mw 嬲c h o s e nt 0s t o r ed a t 觞c r c a t e db y ：i 1 1 t e l l i g e n ts e n ，oc o n 心o l a l g o r i t l l m h la d d i t i o n ，t l l em o t i o nc o n 仃o lc a r dh 觞s 伽o 廿l e rt e m p o m r yu m l s e di n t e r f k e ，s u c h 雒 e x t 锄a lb l l s ，e t c ，c a nb eu s e df o r1 a t e re x p a n s i o no f t l l es ) ，s t e m s o m ep r 0 铲a 塔w e r ca l s 0w r i t t e n t h ed e b u gr e s u l t ss h o wm a tm ec o l l 仃o lc a r dc 锄b eu s e dt oc o n 臼o l 也e 托s e a r c hp l a t f o 硼o f i i l d u s t r i a lr o b o t s ，i th 觞g o o de x p 趾出b i l 时觚dc 孤b el l s e dt od e v e l 叩b e 仳rd e s i 弘o ft 1 1 e 州b o t c o n t r o ls y s t e m k e y w o r d s ： i i l d u s t r i a l l 玎0 b o t ，仃旬e c t o 叮p 1 锄血g ，m o t i o nc o r 心0 1c a r d ，d s p ，f p g a i l 南京航空航天大学硕士学位论文 图表清单 图1 1 也5 4 0 0 2 2 机器人及其控制柜、示教器2 图1 2 中空手腕基本结构及参数2 图1 3 刀良b 5 4 0 0 机器人工作空间3 图1 4 控制柜口陋5 p 主要功能框图4 图1 5 机器人控制系统方案一6 图1 6 机器人运动控制系统结构框图一7 图1 7n u op c i 2 0 8 运动控制器及m p 2 3 0 0 运动控制器8 图1 8p m a c2 a p c 1 0 4 运动控制器及d m c 1 8 x 6 运动控制器8 图1 9 固高g t s 8 0 0 s v p c i 9 图2 1 工业机器人整体及手腕部分结构简图1 1 图2 2 工业机器人的传动轴d h 坐标系1 3 图2 3m a t l l e m a t i c a 中直线和圆弧规划的仿真结果图。1 9 图3 1 运动控制器整体结构图2 2 图3 2d s p 与f p g a 、s d r j m 通讯原理图：2 4 图3 3d a 模块原理图。2 5 图3 4 异步串口及c a n 总线原理图。2 6 图3 5c h 3 7 6 s 应用框图2 7 图3 6u s b 接口原理图2 8 图3 7e n c 2 8 j 6 0 功能框图2 9 图3 8 以太网通讯电路原理图2 9 图3 9 外扩总线模块原理图3 0 图3 1 0 核心控制板实物图。3 l 图3 1 1 差分信号处理图。3 2 图3 1 2s n 7 4 h c 2 4 5 d w 芯片功能结构图一3 3 图3 1 3d m 5 4 2 步进电机驱动器信号图3 3 图3 1 4 接口板实物图。3 5 图3 1 5 连线板原理图和实物图。3 6 图4 1 数模转换控制结构图3 8 图4 2d a c 7 7 2 4 时序图3 8 工业机器人运动控制器的硬件设计与实现 图4 3t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 写时序图3 9 图4 4d a c 7 7 2 4 中c s 和l d a c 产生流程图4 0 图4 5c h 3 7 6 并口时序图4 2 图4 6c h 3 7 6 片选信号产生流程图4 3 图4 | 7e n c 2 8 j 6 0 的s p i 时序图。4 4 图4 8 相对式光电编码器的输出信号4 6 图4 9 编码器接收流程图4 6 图4 1o 噪声干扰及抖动干扰信号图4 6 图4 1 1 有限状态机状态转换图4 7 图4 1 2z 信号处理原理图4 8 图5 1 数据采集卡及数字示波器实物图4 9 图5 2p w m 输出波形一5 0 图5 3 超级终端主要参数设置图51 图5 4u s b 通讯测试结果图5 2 图5 5 匝e e8 0 2 3 以太网的封装格式5 2 图5 6 以太网口硬件测试5 3 图5 7 编码器接收测试图5 4 表2 1 机器人的d h 参数表1 3 表3 13 2 6 8 b x 4 c c 直流伺服驱动器主要输入输出信号3 4 表3 2 安川s g d m 系列伺服驱动器主要输入输出信号3 4 表4 1c h 3 7 6 通讯方式选择表4 l 表4 2c h 3 7 6 并口优) 操作功能选择表4 2 表4 3c h 3 7 6 并口时序参数值4 3 表4 4e n c 2 8 j 6 0 的s p i 指令集一4 5 表5 1 通道1 数模转换对照表5 0 南京航空航天大学硕士学位论文 注释表 a ) 刚体上的坐标系 弓 位姿变换矩阵 i 。1 j 连杆变换矩阵 a r ma d v a n c e dr i s cm a c h i i l e s d s p d i g i 谢s i 弘a lp r o c e s s o r c p u c e 曲鼍lp r o c e s s i i l gu m t c p l d c o m p l e xp r 0 莎班瞄a b l el o g i cd e 、，i c e f p g a f i e l d p r o g 阳n 珊a b l eg a t ea m y u s bu 1 1 i v e r s a ls e r i a lb l l s c a nc o i l 仃o l l e ra mn e t w o r k s d 卡 s e c u r cd i 百t a lm e m o d rc a r d p w mp u l s ew i d mm o d u l a 缸o n p c bp r i n t e dc i r c u i tb o a r d s p is e r i a lp e 蛐e m lh n e r f i a c e p l c p r 0 铲a m m a b l el o 西cc o i 灯o l l e r c p l d c 锄叩l e xp r o 弘蚰m a b l el 0 9 i cd e 、r i c e p c i p e p h e r a lo 咖p o n e n ti n t e r c o n n e c t i o n d l v e d ，- h i 曲- s p e e di n t e 鲥e dc 加u i th 抓1 w a r ed e s c 邱t i o ni 加毋m g e a r pa d d r e s sr - c s o l 们o np r o t o c o l v i i 南京航空航天大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 工业机器人简介 工业机器人通常又被称作工业机械手或者机器人操作臂，是目前工业生产上应用最为广泛 的机器人。工业机器人是一种能自动工作的机器装置，依靠自身的动力和控制系统来实现各种 功能。伴随着科学技术水平的不断进步，自动化水平的不断提高，工业机器人以其灵活自由的 运动方式、较大的工作空间和较高的可靠性，已经成为计算机集成制造系统( c o 即u t e rh n e g r a t e d m a n u f a c n h 曲gs y s t e m ) 、工厂自动化( f a c t o r y a u t o m a t i o n ) 和柔性制造系统( n e x i b l em a 肌f a c t u 】曲g s y s t e m ) 等自动化生产系统不可缺少的工具【h 】。随着我国工业自动化进程的不断加快，国内机 器人的应用将越来越广泛。本文中出现的机器人也是指工业机器人，称为机器人仅为了描述方 便。 工业机器人与其他机电一体化产品相比具有显著的特点，归纳起来，主要表现在以下几个 方面：( 1 ) 多种学科的高度融合：机器人作为典型的机电一体化产品，融合了机械学科与电子 学科的相关理论和成果，是现代科学技术相互交汇、相互融合的产物：机器人技术还涉及众多 领域，主要领域和主要学科有机械与力学、电子科学与技术、自动控制理论、传感器理论与技 术、通信技术和理论、计算机软件和硬件、人工智能理论专家系统和认识科学等。( 2 ) 控制上 具有重复可编程性：随着工业生产自动化水平的不断发展，产品更新换代的周期逐渐加快，对 生产系统柔性化水平的要求进一步提高。工业机器人能够根据具体的工作环境的变化和需要进 行重新编程，完成新的功能，因此工业机器人可以在柔性制造系统中，尤其是在多品种、小批 量的柔性制造系统中发挥着重要的作用，成为一个不可或缺的组成部分。( 3 ) 系统设计拟人化， 能够模仿人体的功能：在系统构成上，机器人具有负责处理信息的计算机系统和负责执行相应 动作的机械结构，这些机械结构也有着类似于人类的手抓、手腕、小臂、大臂和腰部等结构； 并且随着传感器技术的发展，越来越多的机器人开始安装各种传感器，具有更好的与环境进行 交互的能力。( 4 ) 应用上具有很强的通用性：除了为专门用途而特别设计的机器人外，工业机 器人通常都能执行各种不同的任务，例如，机器人在安装喷枪系统以后可以执行喷涂任务，在 安装焊接设备以后可以完成焊接工作【5 。8 1 。 工业机器人作为典型的机电一体化产品，具有很好的通用性，具有高度的能动性和灵活性， 具有广阔的工作空间，能适应各种工况环境，可满足各种各样的工作要求，能完成不同的作业 任务。伴随着工业生产自动化水平、智能化水平、柔性化水平及高可靠性要求的进一步提高， 1 业机器人在工业生产领域的应用前景将更加广阔【9 _ 1 1 1 。 工业机器人运动控制器的硬件设计与实现 1 2 国内外工业机器人发展现状及趋势 在国外，工业机器人技术已很成熟，工业机器人已经作为标准设备得到了广泛的应用。世 界上著名的工业机器人公司有：瑞士的a b b 集团，其机器人部门是世界上最大的机器人制造 公司之一，生产的机器人种类齐全，喷涂机器人更是世界领先；德国的k u k a ，是世界上顶级 机器人制造商之一；日本的y a s k a w a 公司，是在半导体生产中最早应用工业机器人的公司之一； 此外还有意大利的c o m a u ，美国的a m e r i c a nr o b o t 、e m e r s o ni n d u s 缸a la u t o m a t i o n ，加拿大的 j c dh t e m a t i o n a lr o b o t i c s ，日本的f a mj c 等等。他们生产的工业机器人各有特色，应用范围广 泛，并且性能先进。以a b b 公司的i r b 5 4 0 0 2 2 型号的重载喷涂机器人为例，来介绍国外机器 人的发展水平及工业机器人系统组成。图1 1 为a b b 公司的i i 强5 4 0 0 2 2 型号的机器人及其控 制柜瓜c 5 p 、示教器的示意图。 图1 1i r b 5 4 0 0 2 2 机器人及其控制柜、示教器 此机器人采用了特殊的中空手腕设计，可以3 6 0 。旋转，使得工作范围大、动作灵活，油 漆、气路管道的铺设简单。图1 2 为5 4 0 0 2 2 采用的中空手腕的基本结构和参数。 2 玎1h 口9 e f s ma m 图1 2 中空手腕基本结构及参数 南京航空航天大学硕士学位论文 b 5 4 0 0 一2 2 机器人为重载喷涂机器人，具有高速高精度、低油漆消耗、可长时间工作等特 点。轴数为6 ，整机重量9 7 0 k g 。轴l 的工作范围：一1 5 0 。1 5 0 。，轴2 的工作范围：一7 0 0 9 0 。， 轴3 的工作范围：7 5 。一7 5 。轴l 3 的角速度可达1 3 7 0 s 。由于采用了加强的中空手腕，轴4 “ 的工作范围不限，可任意圈数连续旋转，工作包络面可达1 4 0 0 1 4 0 0 。轴4 角速度可达4 6 5 0 s ， 轴5 角速度可达3 5 0 。s ，轴6 角速度可达5 3 5 。s 。整个机器人的工作空间如图1 3 所示。 图1 3i i 国5 4 0 0 机器人工作空间 此机器人控制柜的主要功能框图如图1 4 所示。控制柜i r c 5 p 的主要功能模块为：( 1 ) 电 源模块：为各个模块及部件提供所需的各种电源。( 2 ) 主计算机模块：运行了机器人全局控制 及可用黜心d 语言编程的软件。( 3 ) 喷涂控制模块：包含控制系统与喷涂系统之间的接口卡和 3 工业机器人运动控制器的硬件设计与实现 喷涂驱动系统。( 4 ) 分布式i o 系统：为机器人系统与外界之间提供输入输出接口，包括模拟 量和数字量。各个接口板与控制系统之间通过c a n 总线或者s p i 接口通讯，有的同时包含这 两种方式。( 5 ) 安全控制模块：在各个控制系统模块之间提供安全信号接口，进行与安全有关 的各个信号的控制、监测等功能。( 6 ) 本体控制模块：本体与控制系统之间的接口，同时也包 含本体驱动系统。( 7 ) 净化系统：提供压缩空气来防爆，包含净化单元和净化传感器。( 8 ) 本 体板：在机器人本体上安装的这一块板，主要功能为监测和控制本体的一些功能。其中包含一 个编码器接收单元，用来监测各个关节电机位置信息。 4 图1 4 控制柜瓜c 5 p 主要功能框图 南京航空航天大学硕士学位论文 此外，此机器人示教器也有r a j p i d 编程、错误信息显示、工作任务显示、机器人本体状态 显示、手动运行等等复杂功能。上位机中的r 0 b e w 和s h o pf 1 0 0 re d i t o r 软件也有喷涂系统状 态显示、离线编程、机器人末端运动模拟等等强大的功能。机器人的p l c 控制系统负责接收工 厂里的现场p l c 的信号进行机器人的控制，还负责其他外围设备的控制，如安全报警灯等。由 此可见，此喷涂机器人的控制系统主要由p l c 、电脑、示教器组成的上位操控系统和各种完成 运动控制的模块组成的下位系统组成，并且采用了模块化设计，方便维修，且功能完善。 国内机器人产业虽刚刚起步，但发展势头强劲，从事研究和开发的单位已超过2 0 0 家。例 如，新松机器人公司，由中国科学院沈阳自动化所投资组建，已通过了i s 0 9 0 0 l 国际质量体系 认证，其年利润增长率很高，并且产品出口十多个国家；首钢莫托曼机器人有限公司与日本株 式会社合作，已成为目前国内最大的机器人生产基地之一；广州数控设备公司，自主研发了带 绝对值编码器的高性能伺服电机及电机驱动器，并运用到他们自主研发的i 通0 8 型号的机器人 上，提高了机器人的性能。 目前的工业机器人除了不断提高智能化水平外，工业机器人的发展的主要趋势为： 首先，功能的模块化和零部件的标准化。功能的模块化和零部件的标准化可以有效降低机 器人的生产成本，缩短新产品的研发周期，方便维护与维修，节约使用成本。目前已有机器人 的部分零部件实现了标准化，例如传感器和伺服电机等，另外许多结构部件也已经实现了标准 化和模块化。目前世界各国普遍开始重视对组合式机器人的研发工作。 第二，新的结构形式的机器人的研究。随着生产的专门化水平的提高，有针对性的设计出 特殊构型的机器人，以解决具体的问题。比如新型的微动机构可以有效地提高机器入动作的精 度，增加部分冗余自由度以适应特殊的应用等。 第三，工业机器人的协作控制。机器人性能和潜力的发挥需要一个良好的生产系统环境， 只有作为一个高效生产系统的一部分，机器人的优势才能得以体现，进而提高整个系统的性能。 机器人的协作控制既包括机器人与其他机器人的多机器人协同工作，还包括工业机器人与其他 自动化设备、生产线的协同作业。从整体和全局的观点出发，研究工业机器人的协作控制是今 后机器人发展的一个重要特点。 综上所述，工业机器人今后的发展将进一步增强机器人适应复杂的生产环境的能力，机器 人的自动化程度将会不断提高，智能化水平将会有更大的发展；同时，多台机器人协同工作越 来越得到重视，机器人零部件的标准化和功能的模块化水平将会有较大的提升，针对具体应用 的机器人的研究和开发也将蓬勃发展，未来机器人在工业生产中扮演的角色将越来越重要。 1 3 工业机器人运动控制系统形式的选择 工业机器人的控制系统是机器人系统的核心部分，它的性能直接影响了工业机器人性能的 5 工业机器人运动控制器的硬件设计与实现 优劣和功能的强弱。 运动控制的实质是根据运动伺服控制算法，将运动控制系统产生的指令变为机械运动，从 而得到期望的位置、速度、加速度，使得机器人实现所要求的运动。目前，运动控制系统的组 成形式主要主要有： ( 1 ) 以单片机作为核心处理器的运动控制系统。由于单片机简单易用，因此这种系统开发 周期短并且成本低，设计简单，但是由于单片机性能不高，这种系统的运算速度、精度和扩展 性不够理想，只适合对于轨迹控制要求不是很高的场合。 ( 2 ) 以“微处理器+ 专用运动控制芯片”为架构的运动控制系统。由专用运动控制芯片完 成速度曲线规划、编码器信号处理等，这种系统系统的集成度和可靠性高，开发简单，但由于 采用了专用控制芯片，扩展性不好，系统的灵活性小，且不适合于包含复杂运算的场合。 ( 3 ) 以“p c + 运动控制器”为架构的运动控制系统。特点是：用p c 来进行人机界面显示、 系统调度、复杂算法的计算、产生各个关节增量，运动控制器用来进行伺服运动算法的运算、 电机相关控制信号的产生及编码器反馈处理等。特点为运算速度快，能满足复杂运算的要求， p c 机程序可采用多种编程语言自主开发，有一定的开放性。 考虑到机器人运动控制系统开发程度的难易及实时性、运算速度、一定的开放性等要求， 这里采用基于“p c + 运动控制器”的运动控制系统结构，这样可以发挥p c 丰富的资源，可采 用不同的编程语言，完成一些复杂的运算，可令运动控制器专注于电机的伺服控制，减小了开 发难度。针对本实验室设计的工业机器人，本文所采用主从式机器人控制系统方案，形式如图 1 5 所示。 生 声 产 垂丑叫圃 设设 豇 显 丁门蕊飘叫亘司 水 到 器 工 主 计 叫运动擦翻器卜 蓑 - - l公粥接i _ l 卜一 tt - j l 上 操 f 叶巫丑回 作 储 台 设 备 ；i ： ：； ：； 一缀计算矾 | - 二级计算视； 饲缀单元 图1 5 机器人控制系统方案 在此控制系统方案中，上位控制系统主要承担任务管理、人机界面操作、坐标变换、离线 编程仿真轨迹生成和系统自诊断等功能，用来产生机器人运动的要求和指令，由工控机p c 、 6 南京航空航天大学硕士学位论文 p l c 、示教器等组成。下位控制系统为运动控制器和伺服驱动器，实现所有关节的动作控制。 在这种运动控制系统下，一个完整的机器人运动控制系统通常包含工控机伊c 、运动控制器、 驱动器、执行电机、传动机构和传感器等部分，如图1 6 虚框中所示。 图1 6 机器人运动控制系统结构框图 工控杌厅c 内部的任务管理等软件产生机器人运动的相关指令，发送给p c 内的机器人轨迹 规划等机器人运动相关的程序，产生机器人各个关节的角度增量，传送给运动控制器。运动控 制器根据p c 给出的运动信息进行伺服控制算法的运算，产生的结果以脉冲信号或者模拟量信 号传入电机驱动器，电机驱动器进行功率转化控制电机运行，电机通过传动机构带动机械结构， 安装在电机及机械结构上的传感器将运行状态反馈至电机驱动器和运动控制器，实现整个机器 人的闭环控制。当然，对于不存在传感器的系统，运动控制器仅进行开环控制，这种情况相对 简单，本文不做讨论。 1 4 工业机器人运动控制器的研究现状 如今普遍认为，“运动控制是以机械运动为主要的生产方式，以电机为主要被控对象的快速、 高精度的控制【1 2 】。”现在运动控制技术已成为机电一体化核心研究领域之一【1 3 1 6 1 。先进运动控 制器的设计能力成为衡量一个国家的工业发展水平的标志之一，也是当前的研究热点【1 7 d9 1 。目 前，国外已有很多种运动控制器实现了商品化，例如英国的1 r i u o 、美国的p m a c 、g a l i l 等。 ( 1 ) 如图1 7 中左边所示为英国1 r i o 公司的p c i 2 0 8 系列的一款运动控制器，它的总线形 式为p c i 总线，包含进行了光耦隔离处理的i o 接口，最多可达8 轴的控制轴数。 ( 2 ) 如图1 7 右边所示为m p 2 3 0 0 系列的一款运动控制器，由日本安川电机公司在2 0 0 4 年 推出，此运动控制器采用了m e c h a t r o l n k i i 总线技术，可以很好的驱动安川近年来推出 的交流伺服系统。 7 工业机器人运动控制器的硬件设计与实现 鬈寥落霪纛套瓣海。 毒一 图1 71 op c i 2 0 8 运动控制器及m p 2 3 0 0 运动控制器 ( 3 ) 图1 8 中的左图为美国d e l t at a u d a t as y s t 锄公司的型号为2 a p c 1 0 4 的运动控制器， 、 是p m a c 系列伺服控制器中具有代表性的一款。它的核心微处理器为m o t o r 0 1 a 公司的 d s p 5 6 0 0 1 ，主频为2 0 ，3 0 m h z ，它的伺服更新率可达到6 0 4 0 u s ! 油，位置计数范围为3 6 位( “ 千兆) ，具有1 6 位高精度的d a c 输出分辨率，有1 0 1 5 m h 2 编码器计数速率，每秒可处理的程 序指令多达5 0 0 条，可以完成直线或圆弧插补，可进行三次轨迹计算、样条曲线计算，可实现 “s 曲线”加速和减速，采用单卡即可实现l 3 2 轴实时伺服控制，功能强大。 ( 4 ) 图1 8 中的右图为美国g a l i l 公司的型号为d m c 1 8 x 6 的一款运动控制器。它采用了 具有高速s c 结构的d s p 作为核心处理器，大大提高了其处理速度。采样速率可达2 4 u s 轴， 4 0 u s 的单条命令执行周期，编码器接收反馈速率为2 2 m h z ，脉冲输出频率为6 m h z ，总线宽度 为3 2 位，但也可与6 4 位兼容，大大提高了此运动控制器的性能，并且可以实现微小段高速插 补，主要应用于要求高速高精度的加工领域。 图1 8p m a c2 a p c 1 0 4 运动控制器及d m c 1 8 x 6 运动控制器 国内的运动控制器的研究还不够成熟，与国际先进水平相比还有很大的差距，主要为一些单 位从节约成本等考虑，利用在工控机或普通电脑的通用插槽中插入的运动控制卡，开发自己的 控制软件来实现控制功能。 国内最成熟的运动控制器为深圳固高科技公司研发的。图1 9 为型号为g t s 8 0 0 s v p c i 南京航空航天大学硕士学位论文 运动控制器，它利用p c i 总线与p c 机通讯，伺服采样周期可编程，最多可以实现8 轴的实时 控制，最小插补周期为2 0 0 u s ，最小2 5 u s 的单轴点位运动控制周期，可进行直线插补、圆弧插 补，可设定电子齿轮数等。具有p i d 数字调节器，可选用是否进行速度和加速度前馈控制，可 实现高精度机器原点位置的锁存。 图1 9 固高g t s 一8 0 0 一s v p c i 此外，成都乐创公司也开发了4 轴的m p c 2 8 1 0 等型号运动控制器，深圳众为兴公司也开 发了a d t 8 5 6 等型号的运动控制器，还有深圳雷赛公司、摩信公司以及成都步进机电公司等， 也都开发了自己的产品。总的来看，我国在运动控制领域的研究同国外比起来比较落后，国内 主要是一些高校、科研机构和很少一部分企业在进行研究，商业化的运动控制器不多，没有完 善的智能运动控制系统，配套的底层软件功能不够完善，高端产品基本被国外的公司垄断【2 0 1 。 由以上的分析可以看出，国内外这些运动控制器的各自有自己的特点，共同点为：( 1 ) 均 采用p c + 运动控制器来组成运动控制系统，运动控制器采用的通讯方式有p c i 总线、i s a 总线、 u s b 总线等，现在的主流是p c i 总线，但u s b 总线越来越受到重视。( 2 ) 均有一套运动控制 函数库，并且可在w i n d o w s 下运行，用户可以调用这些函数进行控制编程。( 3 ) 响应速度快， 具有良好的实时性。( 4 ) 可以进行多轴联动的控制，可进行梯形和s 型速度控制。( 5 ) 均可以 用来控制步进电机、直流伺服电机和交流伺服电机等【2 。 由于运动控制系统的应用遍及各个领域，因而国际上极为重视运动控制系统的研究，全世 界已经进入普遍的开发阶段。近几年，我国作为世界上经济增长速度最高的国家，对于运动控 制系统的需求量日益扩大，因此，开发出具有自主知识产权的运动控制系统具有重大意义【2 2 。 现阶段，随着d s p 和f p g a 技术的不断发展，以d s p + f p g a 作为核心处理器架构的运动 控制器已成为主流【2 孓2 5 】。主要是因为，d s p 采用流水线技术，有专门的硬件乘法器，运行主频 可达1 5 0 m 甚至更高，寻址方式灵活，非常适合作为大运算量的处理器，有很多电机控制的相 关外设2 9 】：f p g a 可以重新编程，低功耗高密度，具有非常好的灵活性，能以硬件方式实现 各种逻辑引脚功能可自定义，易于维护和扩展，使得运动控制器硬件设计时更加的方便3 m 3 。 9 工业机器人运动控制器的硬件设计与实现 这种运动控制器架构充分发挥了这两种芯片的优势，使得运动控制器软硬件升级方便、成本低 廉，具有高精度、高速度、高集成度、体积小、灵活性好等特点。 1 5 研究的主要意义及内容 随着我国向创新型国家转型以及劳动力成本上升，对以工业机器人为代表的工业自动化设 备产生了旺盛的需求，为此，本文针对实验室搭建的通用型工业机器人教学与研发平台，进行 其运动控制系统部分软、硬件的开发与实现等研究工作，旨在通过系统的研究，最终能够实现 工业机器入的动力学控制与智能控制，以便提升国产机器人的各项性能指标，为培养出基础扎 实、能力强的高端人才提供一个有效地途径。经分析后，决定采用基于“p c + 运动控制器”的 运动控制系统，这样可以发挥p c 运算速度快的优点，完成一些复杂的运算，可令运动控制器 专注于电机的伺服控制，减小了开发难度。此外，考虑到以后此机器人教学与研发平台系统扩 展的需求，运动控制器应有一些预留接口。 本文的主要研究内容及结构安排为： 第一章：介绍了国内外机器人及其运动控制器的研究现状，选择了合适的运动控制系统方 式，给出了本文的研究意义和主要结构安排。 第二章：对于实验室所设计的工业机器人研究平台建立坐标系，读取机器人的d - h 参数， 进行运动学建模，轨迹规划等。利用m a m e 就m c a 软件进行逆解、轨迹规划等程序编写，并进 行了直线、圆弧轨迹规划的仿真。 第三章：根据机器人运动学的相关知识，得出对机器人运动控制系统的要求，并由此设计 了基于d s p 和f p g a 架构的运动控制器硬件，对于各个硬件部分的设计方法进行了详细的描述。 第四章：编写d s p 和f p g a 中的程序，用来实现模拟量输出、p w m 波产生，编码器信号 的接收及2 3 2 异步串口通讯、u s b 接口应用、以太网通讯等主要功能。 第五章：运动控制器功能测试，对各个模块的软硬件进行测试，查看其是否工作正常，是 否满足机器人控制的要求，给出了主要功能模块的测试结果。 第六章：总结展望。对于全文进行了总结，指出了此运动控制器的不足，并对未来的工作 进行了展望。 l o 南京航空航天大学硕士学位论文 第二章工业机器人设计及其运动学 2 1 机器人运动学概论 机器人运动学是机器人研究的基础，是研究机器人其他问题，比机器人控制、末端误差补 偿等的前提。 机器人运动学主要研究机器人各连杆之间的位移、速度关系。本文仅讨论位移关系。工业 机器人整体可以看作一个开式的运动链，运动链的一端固定在基座上，另一端可以自由运动， 由多个连杆通过移动或者转动关节串联而成，末端安装特定的工具后，即可完成相应的工作。 2 2 实验室的工业机器人机械结构 所设计的工业机器人整体结构形式如图2 1 ( a ) 所示，此工业机器人的包含6 个旋转关节， 每个关节均由交流永磁同步伺服电机驱动。可把此机器人分为底座、大臂、小臂和手腕四个部 分，其中底座、大臂和小臂关节由交流伺服电机通过谐波减速器驱动，手腕部分采用将三个电 机后置的结构，这样可将重心向底座电机轴线方向移动，改善机器人性能。手腕三轴交于一点， 手腕部分的结构如图2 1 ( b ) 所示。 ( a ) 整体结构 ( b ) 腕部机构 图2 1 工业机器人整体及手腕部分结构简图 为了描述机器人本身各个连杆之间、机器人与外部环境之间的关系，将各个连杆作为刚体 来减小复杂程度，研究各个刚体之间的运动关系。为了在空间中表示刚体在空间的位置和姿态， 通常在刚体上固连一个坐标系 b ) ，刚体所处位置和姿态用该坐标系 b ) 与静止的基坐标系 a ) 工业机器人运动控制器的硬件设计与实现 的变换关系来表示。通常， b ) 的坐标原点选择刚体b 的特征点上，如质心或者对称中心等。 通常，用4 x 4 方阵把位置p 。和姿态r ：表示出来，记作t ，称作齐次变换矩阵或者位姿 交换矩阵： 弓= 。尹。l ：。 = 三吕三： = ( 2 1 ) 2 3 连杆坐标系的建立 一般情况下，将基座杆编为0 号杆，依次向上为杆1 、杆2 等。关节编号规则为，杆i 上 靠近基座一端的为关节i ，距离基座较远一端的为关节i + l 。可以从底座开始，依次确定下一连 杆的运动，最终确定末端执行器的位置和姿态。 为了研究机器人各连杆之间的位姿关系，d c i la _ u i t 和h a n e n b e d ，在1 9 6 5 年提出了一种以他 们名字命名的d h 方法，在各个连杆上固连一个坐标系，用4 行4 列的齐次坐标矩阵描述相邻 两连杆间的空间关系。这种方法定义了每个坐标系的坐标轴的建立方法，并定义了四个参数， 这四个参数取决于相邻两杆之间的结构参数和运动形式。由这四个参数可以确定相邻两连杆间 的位姿变换矩阵，通过依次进行变换，即可将末端执行器的位置和姿态在基坐标系表示【3 2 1 。 驱动杆i 的力( 或力矩) 是经由关节i 的轴线施加到杆i 上的，故关节i 的轴线称为杆i 的 驱动轴( d r i v i l l g 艇s ) 。对杆i 来说，关节i + 1 的作用是将杆i 的运动和力传到杆i + 1 上，故关 节i + l 的轴称为杆j 的传动轴( r i h n 锄i t t i n ga x i s ) 。采用d - h 方法建立坐标系时，若和杆i 相 固连的坐标系i 的z 轴，沿杆i 的传动轴，这种称为传动轴坐标系；若z 轴沿驱动轴轴向，称 为驱动轴坐标系本文采用的是传动轴坐标系。 建立坐标系后，连杆坐标系 i ) 相对于 i 1 ) 的变换卜称为连杆变换。变换通式如公式( 2 2 ) 所示。 l f t = r o t ( 幺) t r a n s ( 喀) t r a n s ( q ) r o t ( q ) c tc o 【i s l s ic 仅- c l q s o 【i 0o 口f q 盘f 墨 嚷 1 ( 2 2 ) 式中，墨= s i i l 留，c f = c o s 包，s = s i i l 呸，c = c o s ，6 、喀、g 、均为d h 方法 中连杆坐标系规定的两杆参数。 对于所设计的工业机器人，按照上述方法建立的坐标系如图2 2 所示。 工 y ： n 彤见仫o亿嘞0o 脚嘲咄。 南京航空航天大学硕士学位论文 图2 2 工业机器人的传动轴d h 坐标系 建立坐标系后，所得到的d h 参数及转角范围如表2 1 所示。 表2 1 机器人的d h 参数表 z l 三_ ； 根据表2 1 及公式( 2 2 ) ，可得相邻杆件间的变换矩阵为： 工业机器人运动控制器的硬件设计与实现 o l t ( q ) = ：t ( 岛) = ( 岛) = ( 幺) = 扛( 岛) = ( 眈) = c 1 o 一1 2 5 q 岛 0 c 11 2 5 。s l o一101 2 5 ooo1 c 2一s 2 0 3 8 0 c 2 s 2c 2 o 3 8 0 s 2 o01o ooo1 一 c 3 o 一曲 1 8 0 - c 3 邑 o c 31 8 0 岛 o一102 6 000】 c 4 o s 4 0 o c 4 o 0l03 1 3 o0