《国产灵动机器人控制器(下)》介绍 2013 09 25

1、灵动机器人控制器开发者姓名华磊系统功能串联六轴机器人控制开发日期2011.102013.9QQ253874750Email253874750介绍视频II目录第一章 绪论31.1简介31.2开发历史回顾31.3机器人测试视频查看网址31.4灵动机器人控制器主要参数4第二章 灵动机器人控制器62.1控制器概述62.2 多轴联动控制器的控制扩展卡硬件82.3 多轴联动控制器的用户软件172.3.1用户软件的功能和使用方法172.3.2动画仿真的实现272.3.3机器人指令的翻译和运行282.4 多轴联动控制器的驱动程序282.5 多轴联动控制器的FPGA程序31第三章 控制系统测试323.1响应实时

2、性和计算耗时分析323.2 直线运动MOVL测试33第四章 六轴机器人机械本体374.1 0.2KG简易六轴机器人机械本体374.2 6KG六轴机器人机械本体404.3 6KG机器人机械本体强度和刚度的有限元分析424.3.1齿轮轴有限元分析424.3.2小臂壳体有限元分析424.3.3小臂连接轴有限元分析434.3.4大臂有限元分析444.3.5大臂有限元分析444.4 6KG机器人机械测量46第一章 绪论第三章 控制系统测试3.1响应实时性和计算耗时分析1）开关量与FPGA内存的读写交换时间。设计FPGA的时钟频率40MHz，存储周期为200个时钟信号，即5us可以完成FPGA内存与外界信

3、息的交换。FPGA最大可以发生电机脉冲的频率小于10MHz，足以满足工业应用。2）驱动程序中断响应的时间。将控制卡的中断级别设置到设备最高级别。根据文献1推断：中断产生到中断响应的延迟一般为几十条指令的时间。估算中断响应延迟时间小于1us。文献2中的实验也证实了上述推断的正确性。1） 驱动程序定时器精度。采用DPC定时器，定时器的响应例程运行与DISPATCH_LEVEL的IRQL级别3，不会被任何普通程序打断，但是可能会被设备中断例程抢占。DPC例程队列一般存放实时性要求不高中断响应例程。DPC定时器的时钟源实际上认识系统时钟中断推动，系统时钟中断间隔一般为1015ms4，所以DPC定时精度

4、约为1015ms左右。2） 驱动程序将FPGA内存读入到用户程序数组的时间。主要取决于PCI接口的速度，接口速度约为133MB/s，设计FPGA内存大小为4Kbyte，则FPGA内存更新一次数据的时间是30us。3） 用户程序对输入信息的反应时间。采用定时查询法查询输入信息，反应时间约为定时器的精度，定时器的精度与线程调度周期有关。线程调度程序运行在DISPATCH_LEVEL级别，线程调度周期约36ms5，用户程序对输入信息的反应时间约为36ms或更长。7）CPU对电机轨迹的计算能力。用当前工业应用最复杂的六轴机器人的运动学逆解来做测试，即已知末端点的位姿矩阵，求六个关节角度。在CPU G5

5、30 2.4GHz上做测试，36秒完成了1000000次求解，平均36us每次求解。如果按轨迹插补间距0.1mm,计算，本系统可以达到的最快末端移动速度是2777mm/s的速度。系统的其它耗时与之相比较几乎可以忽略。3.2 信号可靠性和重复定位精度用户程序中，有两个关键变量：int m_MotorPulsRegisterMaked12，float m_DHJ_AngleMaked12int m_MotorPulsRegisterMaked12;/DH关节角对应的耦合补偿角度的电机脉冲离散化量。用户软件计算生成，当前已经计算到的角度。可以超过圈float m_DHJ_AngleMaked12;/

6、DH关节角.可以超过圈。根据m_MotorPulsRegisterMaked6计算。它们记录了理论电机的角度，所有脉冲的产生，用户软件都会实时更新上面2个变量。FPGA内部有12个电机角度寄存器“reg 31:0J1AngleCounter”，根据PCI传递过来的脉冲区数据，自动发送脉冲给伺服电机驱动器，并更新12个电机角度寄存器。每个伺服驱动器内部有指令脉冲寄存器，通过监控软件可以查看。电机角度信息传递流程是：用户程序到FPGA到驱动器。信息传递的可靠性相当重要。通过试验分析，脉冲信息在传递的过程中，是否产生错误。可能产生错误的地方有：） 用户程序到FPGA时，传递错误。） FPGA到驱动器

7、时，信号干扰产生错误。数据传递的数据错误处理。总线用数据校验机制，当总线上的读或写发生数据错误时，主设备最终捕获数据错误信息，并由主设备决定此刻如何处理。主设备可以忽略，也可以产生中断，在中断例程中决定采用什么解决方法。当控制卡上的工作于模式时，控制卡属于主设备模式。当驱动程序对发起读写操作时，控制卡属于从设备模式，且仅能进行字节读写，不能进行突发传送，传输速率达到写，读。如果此时发生数据错误，数据错误由桥芯片捕获，并交由桥芯片驱动程序处理。FPGA到驱动器，脉冲信号采用的是双绞屏蔽线，V高速光耦传送，最高传输速率达到。如果采用差分信号，速率可以达到。六轴机器人写字试验。给机器人示教个点，由这

8、些点连成直线，于是形成了“”笔迹。笔迹移动速度。重复执行该机器人程序次，对机器人的模拟轨迹进行截图如下：图4- 模拟轨迹截图）动画轨迹重复精度分析。该动画是根据返回的电机角度仿真的机器人位置和轨迹，如果次运动轨迹有个脉冲指令偏差，则会有.左右的偏差。从截图中，看不到轨迹偏移，而是很好的重合在一起，初步判定：脉冲数据从用户程序到FPGA时，没有产生数据错误。）起始点寄存器比较分析。重复执行该机器人程序次后，机器人回到起始点。观察前后内电机角度寄存器的变化量。如果变化量为，则说明轨迹计算是正确的，并且数据传输没有错误。实际观察到个脉冲单位的变化量，可能是由末尾脉冲未执行或者计算精度舍入引起的？）实

9、际笔迹重复精度分析。 图4- 笔迹截图上图是机器人重复书写“”次后的照片，目测得出次重复的轨迹偏差小于。初步判断：该系统有较理想的重复定位精度。）电机角度寄存器和驱动器脉冲寄存器一致性分析。先将电机角度寄存器和驱动器脉冲寄存器同时清零，然后循环运行上面的机器人程序小时，回答起始点。对照电机角度寄存器和驱动器脉冲寄存器的偏差。对比了第一轴、第二轴、第四轴相关数据，偏差均为。结论：脉冲数据从传递到驱动器的过程，没有发生错误。）机械原点复位精度分析。该机器人采用的伺服电机Z相信号作为机械原点。开机后多次进行原点复位操作，观察电机角度寄存器，观测结果：多次复位的寄存器偏差为，但是和开机复位的偏差为脉冲

10、单位。3.3 直线运动MOVL测试用户程序采用几何法对机器人进行运动学逆解，测试表明36us可以求解一个点，走直线时按照0.1mm的插补间距进行计算。对6个松下伺服驱动器设定参数如下表：表4-1 松下伺服驱动器参数设置松下伺服驱动器参数设置J1(Pr0.03机器刚性设定)9J2(Pr0.03机器刚性设定)9J3(Pr0.03机器刚性设定)12J4(Pr0.03机器刚性设定)9J5(Pr0.03机器刚性设定)9J6(Pr0.03机器刚性设定)9J1J6 Pr2.22 位置指令平滑滤波器ms10J1J6 Pr2.23 位置指令FIR滤波器ms20J1J6 Pr0.08电机每转指令脉冲数270轨迹几

11、何精度测试。测试过程如下：机械手端夹持一只红色水笔，让机器人从P1点直线运动到P2点，速度设定10mm/s，距离900mm。其中通过松下PANATERM伺服监控软件，抓取机器人行走直线时的伺服驱动器返回的相关波形曲线。水笔所画出来的直线效果如图5。第一轴驱动器的波形曲线如图6。图5 10mm/s走直线图6 第一轴驱动器的波形曲线测试结果：1）从图5得出，水笔轨迹精度1mm。2）从图6得出，控制器指令脉冲序列和理论脉冲序列有着极高的一致性。3）从图6得出，电机驱动器的指令位置最大偏差3指令单位，等效到机械位移约0.1mm我们还已知该机械本体的机械精度约为1mm。机器人的轨迹几何精度主要影响因素有

12、：控制器指令脉冲精度、电机驱动器响应性能和机械精度。由此得出结论：该机器人轨迹几何精度主要由机械精度决定；控制器指令脉冲有着极高的准确性；电机驱动器有着较高的响应性能。图4- 10mm/s速度，J1波形曲线图4- 10mm/s速度，J4波形曲线图4- 500mm/s速度，J1波形曲线图4- 500mm/s速度，J4波形曲线第四章 六轴机器人机械本体4.1 0.2KG简易六轴机器人机械本体本款机器人由笔者设计8天完成。加工了1个月，1天完成机械结构装配。设计理念是追求成本最小化，主要用于验证机器人控制器的功能。六个驱动电机均采用低成本两相步进电机，其驱动器最大细分是25600PULS/转。六个关

13、节上采用直接驱动，省略减速器等中间传动机构。六个关节采用配重平衡原理以平衡自重。关节采用背靠背角接触轴承。本机器人总共有35个机械加工零件，花费3500元。电气部分主要是6个步进电机驱动器和6个原点复位光电开关。基本设计参数如下：1） 本款机器人的额定负载0.2KG。2） 工作半径800mm。3） 最大工作线速度300mm/s。4） 重复定位精度0.1mm。图2-3 简易六轴机器人机械本体26图2-4 简易六轴机器人机械本体图2-4 简易六轴机器人标准件表图2-5 简易六轴机器人机械加工件表图2-6 简易六轴机器人实物功能测试视频请查看链接：4.2 6KG六轴机器人机械本体0.2KG六轴简易机

14、器人开发成功后，与广州远能物流自动化科技有限公司达成了合作协议，共同开发一款6KG六轴机器人。于是笔者在参考多方资料后，花了1个月时间独立设计完成本款6KG六轴机器人机械本体，设计软件采用INVENTOR，零件的强度和刚度也采用上述软件分析。图2-7机械本体机器人功能：1）物料搬运2）弧焊（待测试）机器人技术参数：1）载重 6KG。2）重复定位精度0.2。3）最长工作半径1650mm。4）各轴速度和范围，见图。图2-8各轴速度和范围本机械本体的设计思路上，也是力求尽可能的国产化，除选用松下伺服电机外，其它零部件均是国产。六个减速器采用北京传动技术研究所和北京皓轩的谐波减速器，轴承选用哈尔滨轴承

15、和博盈轴承。4.3 6KG机器人机械本体强度和刚度的有限元分析在零件材料选择上，不重要的轻载零件采用铝合金材料。重要承载复杂结构件选用Q235材料，以方便进行焊接。比较铝合金和碳钢材料会发现，铝合金的密度是碳钢的1/3，铝合金的弹性模量是碳钢1/3，所以如果设计同一个结构件，在相同刚度指标的前提下，选用碳钢或者铝合金材料进行设计，最终两者的重量是非常接近的。在零件尺寸的设计原则上：先根据结构需要确定大致尺寸，然后进行强度刚度的校核，最后根据校核结果进行微调相关尺寸，循环前面两步达到最优设计。4.3.1齿轮轴有限元分析 本零件选用45号钢，调质处理。安装齿轮处承受5N的径向力，有限元分析结果如图

16、所示，强度和刚度均满足要求。图2-9分析结果4.3.2小臂壳体有限元分析 本零件选用铝合金，焊接加工而成。伸出的臂膀承受60N的力，有限元分析结果如图所示，强度和刚度均满足要求。图2-10分析结果4.3.3小臂连接轴有限元分析 本零件选用Q235，焊接加工而成。端点承受300N的力，有限元分析结果如图所示，强度和刚度均满足要求。图2-11分析结果4.3.4大臂有限元分析 本零件选用Q235，焊接加工而成。端点承受1000N的力，有限元分析结果如图所示，强度和刚度均满足要求。图2-12分析结果4.3.5大臂有限元分析 本零件选用Q235，焊接加工而成。本零件分析了2种受力状态的强度和刚度情况。情

17、况1：水平方向承受1000N.M的扭矩。情况2：垂直方向承受1000N.M的扭矩。之所以分两种情况分析，是由于机器人的不同工作状态导致的不同受力，且忽略了次要受力和影响因素。有限元分析结果如图所示，强度和刚度均满足要求。图2-13情况一位移分析结果图2-14情况一等效应力分析结果图2-15情况二位移分析结果4.4 6KG机器人机械测量各个轴的扭转刚度，对于闭环控制系统来说，是一个重要参数，关系到系统的响应特性。目前市面上的伺服驱动器，其采用的控制策略基本上都是高级PID控制。在一定的响应刚度参数的前提下，机械的扭转刚度越低，则定位时大臂来回震荡幅值越大。在伺服参数里面调低响应刚度参数，定位时大

18、臂来回震荡幅值变小，但是响应速度变慢。这是由于编码器反应的是转子的位置，而转子和大臂是弹性关系。关节的扭转刚度主要由减速器的扭转刚度决定。减速器厂家给出的刚度如图所示。图2-16加工好的零部件图2-17加工好的零部件图2-18装配完成后图2-19减速器厂家给出的减速器刚度表4） 第一轴扭转刚度测量。测量方法：在离J1轴垂直距离810mm处通过拉力计施加一定拉力，同时记录下此时此点百分表的读数。测量结果记录如下表。表2-1 J1扭转刚度测试数据刚度测试离轴距离(MM)拉力(N)百分表变动(mm)扭转角度（RAD）扭矩（N.M)刚度(N.M/RAD)810500.056.17284E-0540.5

19、8101000.270.00033333381149113.64318101500.50.000617284121.5142630.4688102000.650.000802469162218700.11088102500.850.001049382202.5164025.1415将其绘制成图表如下图：图2-20扭转刚度曲线图实际测量结果和厂家给出的数据基本一致，关节扭转刚度基本由减速器刚度决定。5） 第一轴回程间隙测量。测量方法：百分表打点，顺时针扳动大臂，然后释放大臂，大臂自动回到点A,逆时针扳动大臂，然后释放大臂，大臂回到点B,AB间百分表变动量记录下来。表2-2 J1回程间隙回程间隙测

20、量数据离轴距离770mm百分表变动0.5mm回程间隙2.232302822弧分厂家给出的减速器精度指标是6弧分。可见实际回程间隙是所给精度指标的一半左右。6） 第一轴重复定位精度测量。测量方法：利用控制程序，使J1关节从A点至B点往复运动，用百分表测量B点的数据。测量结果记录如下表。表2-3 J1重复定位精度离轴距离770mm重复定位精度0.020.20mm伺服的刚度参数为6时。震动幅度大部分为0.2偶尔出现0.5mm变化的异常。重复定位精度0.03mm伺服的刚度参数为12时。震动幅度-0.5+0.54）第一轴动摩擦力矩测量。测量方法：离J1轴垂直距离820mm的地方，用拉力计施加拉力，使J1关节缓慢的匀速移动，读取拉力计的读数。表2-4 J1动摩擦力矩测量距离820mm测量拉力25KG动摩擦力矩200.9N.M表2-5 J2重力矩l测量距离1340mmF测量拉力40KG重力矩525.28N.M输出额定扭矩573N.M表2-6 J3重力矩l测量距离617m