張 用，郝衛(wèi)東,朱博譞，苗國強(qiáng)

(桂林電子科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，廣西 桂林 541004)

基于嵌入式焊接機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

張 用，郝衛(wèi)東,朱博譞，苗國強(qiáng)

(桂林電子科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，廣西 桂林 541004)

ARM處理器功耗低、成本低、體積小、外圍電路簡單、擁有豐富外設(shè)和I/O引腳等優(yōu)點(diǎn)能滿足不同接口且具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)信號(hào)處理能力。設(shè)計(jì)了基于嵌入式Linux焊接機(jī)器人控制系統(tǒng)，上位機(jī)采用Exynos四核Cortex-A9處理器芯片設(shè)計(jì)上位機(jī)硬件電路，以DSP芯片為下位機(jī)主控制器，采用QT開發(fā)上位機(jī)控制系統(tǒng)軟件進(jìn)行QT移植。實(shí)驗(yàn)仿真證明：所設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)能夠?qū)C(jī)器人進(jìn)行焊接控制，達(dá)到預(yù)期效果。

焊接機(jī)器人 ；上位機(jī)；QT

0 引言

工業(yè)機(jī)器人[1]在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，除工業(yè)焊接機(jī)器人本體、驅(qū)動(dòng)部分外，控制系統(tǒng)[2]是焊接機(jī)器人最重要的部分。鄭天江等人提出采用工控PC和運(yùn)動(dòng)控制通訊卡對(duì)機(jī)器人進(jìn)行控制[3]。張艷瓊等人研究了基于Web service的控制系統(tǒng)[4],利用因特網(wǎng)的開放性實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)交換、多平臺(tái)接入。隨著技術(shù)發(fā)展，具有控制系統(tǒng)架構(gòu)可被生產(chǎn)廠家以外任何人進(jìn)行二次開發(fā)的開放控制系統(tǒng)成為研究熱點(diǎn)[5-7]，此開放式控制系統(tǒng)一般采用PC+運(yùn)動(dòng)控制卡模式進(jìn)行控制。

ARM處理器功耗低、成本低、體積小且外圍電路簡單，同時(shí)ARM處理器擁有豐富的外設(shè)和I/O引腳、能滿足不同接口且具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)信號(hào)處理能力[8]，故ARM處理器作為機(jī)器人控制器提供了可行性；嵌入式Linux內(nèi)核源碼開源特性，使得可以根據(jù)工程需要在搭建好的Ubuntu編譯系統(tǒng)里任意裁剪內(nèi)核，編譯制作鏡像再將程序下載到硬件電路里，硬件電路通電調(diào)試運(yùn)行即可實(shí)現(xiàn)預(yù)期設(shè)計(jì)。傳統(tǒng)工業(yè)焊接機(jī)器人控制采用示教器在線編程方法，操作人員在現(xiàn)場(chǎng)較固定位置對(duì)機(jī)器人操作控制焊接，相比傳統(tǒng)機(jī)器人控制結(jié)合國內(nèi)外最新技術(shù)，本文設(shè)計(jì)焊接機(jī)器人控制系統(tǒng),以DSP芯片為下位機(jī)主控器，上位機(jī)采用Exynos四核Cortex-A9處理器芯片，設(shè)計(jì)上位機(jī)控制電路，運(yùn)用QT良好的跨平臺(tái)移植性，采用QT開發(fā)上位機(jī)，將編譯好的QT鏡像下載到上位機(jī)硬件電路。

1 總體設(shè)計(jì)

機(jī)器人由機(jī)構(gòu)本體和控制系統(tǒng)組成。工業(yè)焊接機(jī)器人控制系統(tǒng)的主要要素有：計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)及控制軟件；輸入/輸出設(shè)備；驅(qū)動(dòng)器；傳感系統(tǒng)。機(jī)器人電氣控制系統(tǒng)主要由上位計(jì)算機(jī)、DSP運(yùn)動(dòng)控制器、驅(qū)動(dòng)器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)和反饋機(jī)構(gòu)?；诖耍疚脑O(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)模塊如圖1所示。

圖1 控制系統(tǒng)模塊

上位計(jì)算機(jī)提供人機(jī)交互界面，提供人性化設(shè)計(jì)便于生產(chǎn)操作人員對(duì)其操作控制，人機(jī)接口包括示教盒、操作面板、顯示屏等，上位計(jì)算機(jī)與DSP運(yùn)動(dòng)控制器采用RS232串口通訊；DSP控制器采用雙核心TMS320F28335芯片控制，二者采用SPI通訊，將焊接軌跡和控制程序下載到一個(gè)DSP控制芯片，另一個(gè)芯片處理數(shù)據(jù)，處理控制程序、上位機(jī)、伺服驅(qū)動(dòng)器等反饋數(shù)據(jù)；伺服驅(qū)動(dòng)器接受DSP控制器發(fā)來PWM波驅(qū)動(dòng)6個(gè)伺服電機(jī)進(jìn)而實(shí)現(xiàn)焊接，其與DSP控制器采用CAN通訊；執(zhí)行機(jī)構(gòu)包括齒輪、焊槍等，執(zhí)行焊接任務(wù)。

2 上位計(jì)算機(jī)硬件設(shè)計(jì)

上位計(jì)算機(jī)硬件電路處理器芯片采用ARM Cortex-A9 Exynos四核處理器處理數(shù)據(jù)，SDRAM用于存放程序運(yùn)行空間、數(shù)據(jù)及堆棧區(qū)；NAND FLASH用于上位機(jī)Linux 編譯環(huán)境編譯好的QT鏡像、根文件及其他程序等；電源模塊為上位機(jī)硬件及軟件運(yùn)行提供電量；復(fù)位模塊提供硬件運(yùn)行后初始化功能；HPI接口是一個(gè)與主機(jī)通信的并行接口，用于上位機(jī)與DSP運(yùn)動(dòng)控制器進(jìn)行通信，信息通過片存儲(chǔ)器與主機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換；以太網(wǎng)模塊用于接入因特網(wǎng)，從而組成局域網(wǎng)；串口模塊外部接入JTAG調(diào)試接口，用于筆記本電腦將編譯好的鏡像程序下載到上位機(jī)芯片里，并進(jìn)行程序調(diào)試使用；鍵盤模塊控制焊接機(jī)器人狀態(tài)的輸入，分別將其實(shí)現(xiàn)運(yùn)行模式按鍵，實(shí)現(xiàn)手段模式和自動(dòng)運(yùn)行模式切換，關(guān)節(jié)運(yùn)行動(dòng)作按鍵等；觸摸屏模塊和LCD顯示提供了硬件平臺(tái)，將Linux環(huán)境下編譯好的QT人機(jī)交互程序，下載到上位機(jī)硬件電路里，在上位機(jī)運(yùn)行即可實(shí)現(xiàn)可視化界面，便于操作人員操作機(jī)器人焊接控制，同時(shí)運(yùn)行現(xiàn)場(chǎng)報(bào)警等實(shí)時(shí)信息反饋到LCD觸摸屏上。所設(shè)計(jì)的焊接機(jī)器人控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

DSP控制器通過HPI接口與上位機(jī)ARM硬件處理器相連，DSP控制器接收LCD顯示屏和其他矩陣鍵盤輸入信號(hào)，DSP控制器將PWM信號(hào)發(fā)送給伺服驅(qū)動(dòng)器來控制伺服電機(jī)，帶有增量編碼器功能的定時(shí)器計(jì)算驅(qū)動(dòng)器返回的脈沖，可計(jì)算伺服電機(jī)每個(gè)時(shí)刻的位置、速度、加速度等信息。DSP控制器自身的AD外設(shè)將傳感器數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為DSP控制器可識(shí)別的數(shù)字量；DSP控制器通過串口與示教器進(jìn)行通訊。

圖2 焊接機(jī)器人控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

本設(shè)計(jì)采用QT軟件開發(fā)上位機(jī)人機(jī)交互界面GUI，其有廣泛的適應(yīng)性及良好的可移植性[9]。在虛擬機(jī)VMware-workstation8.0.3上加載從官網(wǎng)下載的Ubuntu12.04.2鏡像源碼，搭建好嵌入式Linux編譯環(huán)境[10]，交叉編譯器為arm-none-linux-gnueabi-gcc -o。打開SSH軟件輸入虛擬機(jī)IP地址、root和密碼連接Ubuntu12.02虛擬機(jī)上，Linux Kernel3.0內(nèi)核通過SSH軟件拷貝到Ubuntu12.02虛擬機(jī)里并用編譯器編譯可以執(zhí)行文件；Linux系統(tǒng)層包括應(yīng)用層、操作層和驅(qū)動(dòng)層。具體架構(gòu)如圖3所示。

圖3 Linux系統(tǒng)層關(guān)系

3.1 嵌入式操作系統(tǒng)移植

在完成嵌入式Linux交叉編譯環(huán)境的建立，配置與編譯Linux內(nèi)核，制作根文件系統(tǒng)，設(shè)計(jì)Bootloader，以及軟件平臺(tái)的搭建后，便要設(shè)計(jì)上位機(jī)控制器的應(yīng)用軟件。應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)中設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的開發(fā)包括：人機(jī)交互界面、觸摸屏響應(yīng)模塊、鍵盤輸入響應(yīng)模塊、上位機(jī)與PC以太網(wǎng)通信模塊以及上位機(jī)和下位機(jī)DSP控制器通信模塊。開發(fā)驅(qū)動(dòng)程序時(shí)，首先要在已經(jīng)搭建好的Linux編譯系統(tǒng)內(nèi)核驅(qū)動(dòng)注冊(cè)到平臺(tái)設(shè)備結(jié)構(gòu)體"platform_driver_register"，注冊(cè)時(shí)需和設(shè)備相匹配;一部分驅(qū)動(dòng)要和上層通訊，需生成設(shè)備節(jié)點(diǎn)，上層應(yīng)用通過一套標(biāo)準(zhǔn)接口函數(shù)調(diào)用設(shè)備節(jié)點(diǎn)即可控制底層和底層通訊。

3.2 上位機(jī)人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)

QT作為跨平臺(tái)圖形用戶界面工具包誕生以來，由于其廣泛適應(yīng)性及良好可移植性，已擴(kuò)展到了包括便攜式設(shè)備在內(nèi)的幾乎當(dāng)今程序設(shè)計(jì)的所有領(lǐng)域。從QT官網(wǎng)下載編譯環(huán)境所需要的工具包及補(bǔ)丁包，通過SSH軟件拷貝到Linux鏡像里將其安裝成功，搭建好QT編譯環(huán)境，進(jìn)行控制界面軟件開發(fā)，然后將開發(fā)好的上位機(jī)鏡像文件移植到上位機(jī)硬件電路里，控制系統(tǒng)軟件框圖如圖4所示。

圖4 控制系統(tǒng)軟件框圖

(1)下位機(jī)與機(jī)器人本體通信：DSP控制器通過CAN給伺服驅(qū)動(dòng)器發(fā)送PWM波，控制伺服電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，編碼器將電機(jī)實(shí)時(shí)旋轉(zhuǎn)位置、速度、加速度等信息反饋給DSP控制器。

(2)系統(tǒng)日志：可以查看焊接機(jī)器人焊接時(shí)的工作日志等信息。

(3)密碼修改：用于修改設(shè)備的登錄密碼，先輸入原始密碼，再輸入新密碼即可實(shí)現(xiàn)密碼修改。

(4)示教：運(yùn)用示教器控制機(jī)器人實(shí)現(xiàn)對(duì)其參數(shù)設(shè)置、機(jī)器人運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的實(shí)時(shí)顯示等。

(5)上位機(jī)與下位機(jī)通訊：在上位機(jī)設(shè)置串口號(hào)、波特率等信息，點(diǎn)擊打開串口按鈕即可實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與下位機(jī)通訊。

(6)系統(tǒng)設(shè)置：主要包括系統(tǒng)設(shè)置操作權(quán)限、本體參數(shù)設(shè)置等，用戶在執(zhí)行任務(wù)時(shí)要登錄密碼、設(shè)置機(jī)器人運(yùn)動(dòng)參數(shù)等。所設(shè)計(jì)的QT上位機(jī)界面如圖5所示。

圖5 焊接機(jī)器人上位機(jī)QT控制頁面

切換到手動(dòng)模式狀態(tài)下，即可對(duì)焊接機(jī)器人每個(gè)關(guān)節(jié)手動(dòng)操作，如圖7所示。

圖6 手動(dòng)操作機(jī)器人動(dòng)作

3.3 下位機(jī)應(yīng)用軟件控制流程圖

設(shè)備通電后控制軟件系統(tǒng)開始運(yùn)行，硬件平臺(tái)開始初始化，機(jī)器人檢測(cè)系統(tǒng)開始檢驗(yàn)機(jī)器人關(guān)節(jié)是否在原點(diǎn)處，若不在原點(diǎn)處，則調(diào)節(jié)機(jī)器人回原點(diǎn)處，否則不可自動(dòng)運(yùn)行。若在原點(diǎn)處，則進(jìn)行工作方式選擇，若選擇手動(dòng)，則執(zhí)行相應(yīng)手動(dòng)操作。若選擇自動(dòng)工作模式，機(jī)器人焊接軌跡是否示教？若需要，則選擇示教機(jī)器人；若不需要示教，則讀取DSP控制器內(nèi)存、執(zhí)行相關(guān)程序文件，執(zhí)行伺服電機(jī)啟動(dòng)焊接，焊接過程若有報(bào)警則在上位機(jī)界面顯示報(bào)警信息，操作人員按照提示解除報(bào)警，機(jī)器人繼續(xù)焊接，若沒有報(bào)警，一個(gè)周期焊接結(jié)束，焊接機(jī)器人回到原點(diǎn)，等待命令執(zhí)行下一周期焊接。下位機(jī)軟件系統(tǒng)控制流程圖如圖7所示。

圖7 軟件控制系統(tǒng)控制流程圖

4 實(shí)驗(yàn)仿真

本文所設(shè)計(jì)的焊接機(jī)器人控制系統(tǒng)，控制機(jī)器人焊接的程序主要在下位機(jī)DSP控制器里，上位機(jī)提供人機(jī)交互界面便于操作焊接使用，焊接產(chǎn)生的實(shí)時(shí)信息反饋到上位機(jī)界面處；下位機(jī)DSP控制器控制機(jī)器人程序編寫需要與上位機(jī)吻合、邏輯保持一致。焊接機(jī)器人本體及與其相控制的伺服驅(qū)動(dòng)器等電氣控制元件價(jià)格較高，結(jié)合已有的實(shí)驗(yàn)條件，以串口調(diào)試助手來模擬下位機(jī)DSP控制器及其焊接機(jī)器人本體。在上位機(jī)QT界面，點(diǎn)擊自動(dòng)按鈕，串口調(diào)試助手收到robstart(),調(diào)用下位機(jī)DSP控制器執(zhí)行機(jī)器人焊接函數(shù)void robstart();控制機(jī)器人焊接，圖8所示為仿真模擬實(shí)驗(yàn)。

圖8 仿真模擬實(shí)驗(yàn)

5 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)的嵌入式焊接機(jī)器人控制系統(tǒng)，以DSP芯片為主控制器，上位機(jī)采用Exynos四核Cortex-A9處理器芯片，設(shè)計(jì)上位機(jī)硬件電路，上位機(jī)采用Linux系統(tǒng)移植。實(shí)驗(yàn)仿真表明：所設(shè)計(jì)的上位機(jī)嵌入式控制系統(tǒng)正確、可行。

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(編輯 李秀敏)

Design of Control in Welding Robot Based on Embedded

ZHANG Yong,HAO Wei-dong, ZHU Bo-xuan,MIAO Guo-qiang

(College of Mechanical and Electrical Engineering, Guilin University of Electronic Technology, Guilin Guangxi 541004,China)

ARM processor, with advantages of low power consumption, low cost, small size, simple peripheral circuit, rich peripherals and IO pins, etc. has powerful data signal processing ability, which can meet different interfaces. Welding robot control system is based on Embedded Linux to design. Superior machine hardware circuit is designed by Exynos four core cortex-A9 processor chip, and DSP chip is used as main lower computer controller. In order to transplant QT , upper monitor control software system is developed by QT. The simulation experimental results show that the design of the control system can realize the function of welding control for robot, achieving the desired effect.

welding robot; upper computer; QT

1001-2265(2017)01-0089-02

10.13462/j.cnki.mmtamt.2017.01.024

2016-03-26；

2016-04-26

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51305087)；桂工信投資[2014]276號(hào)

張用(1986—)，男，山東棗莊人，桂林電子科技大學(xué)碩士研究生，研究方向?yàn)榍度胧郊夹g(shù)、工業(yè)機(jī)器人，(E-mail)jd0604@126.com。

TH165；TG659

A