吳德君

（陜西國防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學院，陜西 西安 710300）

20世紀50年代末，通用性強的工業(yè)用自動操作裝置被美國研制出來，后來被稱為工業(yè)機器人[1]。該裝置能夠代替人類在危險、多變、要求嚴謹?shù)沫h(huán)境中工作，甚至在多數(shù)場合能比人工更為可靠而高效的工作；在深海、太空等人類難以企及的環(huán)境中，機器人能完成人類根本不能勝任的任務。工業(yè)機器人研制出后，各國家均十分重視工業(yè)機器人的設(shè)計與研究，在該裝置的研究上取得了很大的進步?？刂葡到y(tǒng)作為工業(yè)機器人的核心，成為了機器人研究領(lǐng)域的研究重點?，F(xiàn)在大多數(shù)控制系統(tǒng)通用性弱不強，開放性差且不易于擴展。本文設(shè)計的雙級控制系統(tǒng)能滿足多種領(lǐng)域的工業(yè)機器人控制要求，可以提高工業(yè)機器人控制系統(tǒng)的開放性及靈活性，具有一定的研究價值及意義。

1 工業(yè)機器人結(jié)構(gòu)

如圖1所示，工業(yè)機器人一般由機械本體、驅(qū)動裝置、控制系統(tǒng)、傳感器系統(tǒng)與視覺系統(tǒng)等部分構(gòu)成[2]。機械本體是是工業(yè)機器人的執(zhí)行機構(gòu)，屬于機器人的機械結(jié)構(gòu)，主要由底座、臂部、腕部、關(guān)節(jié)以及末端執(zhí)行器構(gòu)成。末端執(zhí)行器上面裝配不同夾持器、夾具、手部等就能實現(xiàn)不同的功能，是直接執(zhí)行操作的裝置。驅(qū)動裝置主要提供動力給機械本體，電氣傳動、液壓傳動以及氣壓傳動是常用的三種驅(qū)動方式，目前使用較多的是電氣傳動，能源便于獲得，效率較高。電氣傳動一般使用交流伺服驅(qū)動系統(tǒng)，由交流伺服電機、驅(qū)動器和減速器等部分構(gòu)成[3-4]。

圖1 工業(yè)機器人系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 控制系統(tǒng)硬件架構(gòu)

控制系統(tǒng)硬件實現(xiàn)采用兩級計算機控制結(jié)構(gòu)，如圖2所示。該結(jié)構(gòu)的最大優(yōu)勢在于當系統(tǒng)需要完成復雜、精密度高的任務時，工業(yè)機器人的控制系統(tǒng)能夠快速、有效、可靠的分解和規(guī)劃工作任務，對于不同的工作部分還可以并行實現(xiàn)。

2.1 上位機

工業(yè)機器人控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)頂層上位機采用工控機控制，工控機具有技術(shù)成熟、可靠、接口豐富等明顯優(yōu)勢，如果系統(tǒng)需更換下位機，只要選擇合適控制接口與下位機連接即可。除此之外，工業(yè)機器人路徑規(guī)劃、插補運算還有運動學的正逆向求解都需要上位機擁有快速運算能力和較大容量存儲能力。與此同時，工控機能夠根據(jù)用戶需要選擇Linux或者Windows等主流操作系統(tǒng)，并在選擇的系統(tǒng)上安裝相對成熟的軟件工具為工業(yè)機器人控制系統(tǒng)提供軟件上的擴展，現(xiàn)階段常在工控機上安裝MicroSoft VisualC++或Qt等可視化軟件開發(fā)環(huán)境，用以開發(fā)友好直觀的人機交互界面，以此作為工業(yè)機器人控制軟件。

2.2 下位機

采用DMC-2163運動控制卡作為下位機控制系統(tǒng)。該運動控制卡是Galil公司DMC-21x3系列運動控制卡的一種。DMC-2163作為獨立型運動控制卡，具有靈活多變的特點，同時能夠控制多達6個不同類型的電機，所配置的RS232和Ethernet等接口能夠和觸摸屏與上位機等上層設(shè)備連接進行數(shù)據(jù)傳遞。

圖2 控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

3 關(guān)節(jié)伺服電機和驅(qū)動器

本設(shè)計采用日本松下MINAS系列交流伺服電機及驅(qū)動器，該驅(qū)動器控制模式靈活多樣，如轉(zhuǎn)矩、位置、速度控制以及組合控制等，本設(shè)計伺服驅(qū)動器采用位置控制模式。MINAS系列驅(qū)動器能夠快速處理來自DMC-2163運動控制卡的指令，按照指令要求快速準確地驅(qū)動伺服電機；該驅(qū)動器可以自動調(diào)整增益從而使伺服電機盡最大可能按照運動控制卡所發(fā)指令運行。系統(tǒng)所配置的伺服電動機末端均安裝有光電編碼器，與伺服電動機一同連接到伺服驅(qū)動器對應的接口；工控機發(fā)出指令到DMC運動控制卡，該卡與伺服驅(qū)動器相連，這就能夠獲得電動機所轉(zhuǎn)過的角度，整個控制系統(tǒng)便構(gòu)成一個閉環(huán)系統(tǒng)。

工業(yè)機器人伺服驅(qū)動系統(tǒng)與DMC-2163運動控制卡必須正確連接，才可以確保頂層控制軟件對工業(yè)機器人各個關(guān)節(jié)進行準確可靠的控制。ICM-20105D通過表1的對應方式與松下MINASA4-CNI/F伺服驅(qū)動器相互連接。

表1 ICM-20105D與松下MINASA4-CNI/F伺服驅(qū)動器信號對應關(guān)系

4 工控機軟件設(shè)計

據(jù)工業(yè)機器人控制軟件設(shè)計要求搭建了模塊化的機器人控制軟件系統(tǒng)，如圖3所示。第一步在Win7上配置Qt開發(fā)環(huán)境。第二步，新建工程，添加DMC-2163運動控制卡的動態(tài)鏈接庫、頭文件（dmcwin.h）和實現(xiàn)文件（dmcwin.cpp）到新工程中。第三步，使用作為主類的QMain Window，QWidget和QDialog的派生類達到各控制模塊要求。通過Qt信號、全局變量、配置文件、事件管理等方式進行各控制模塊間信息傳遞。機器人控制軟件系統(tǒng)劃分為指令程序管理、控制卡操作、機器人操作、軌跡規(guī)劃、示教再現(xiàn)以及系統(tǒng)設(shè)置六個功能模塊。

圖3 機器人控制軟件框圖

DMC-2163運動控制卡本身具有32位高速處理器、隨機存儲器和Flash閃存，可實現(xiàn)程序解析、指令解析、運動方式規(guī)劃以及通信等。所以可以將程序下載至運動控制卡存儲器中，再脫機主機運行，這樣主機就能轉(zhuǎn)而處理其他工作任務。此種程序后綴名是dmc，是已提供的ASCII格式指令，部分程序如下：

#AxisD； ′標號

KSD=8； ′伺服電動機速度平滑處理

DPD=0； ′設(shè)定D軸電動機當前位置為0

FLD=30000； ′設(shè)定正向軟限位30000

BLD=-30000；′設(shè)定反向軟限位-30000

PRD=20000； ′向右轉(zhuǎn)20000計數(shù)單位

SPD=8000； ′設(shè)定D軸運動速度

ACD=25600； ′設(shè)定D軸運動加速度

DCD=25600； ′設(shè)定D軸運動減速度

SHD； ′打開電動機

EN； ′結(jié)束程序

在主窗口工具欄和“文件”菜單均提供了程序下載與執(zhí)行功能，能夠把編輯好的程序下載至運動控制卡中再執(zhí)行。機器人控制軟件系統(tǒng)中模塊指令程序管理用于測試運動控制卡功能，編寫用戶指令程序可以采用DMC-2163運動控制卡所提供的兩字符指令集。

5 結(jié)束語

本設(shè)計在現(xiàn)有六軸工業(yè)機器人機械本體與配套的松下伺服驅(qū)動系統(tǒng)基礎(chǔ)上，構(gòu)建了一套使用DMC-2163運動控制卡作為控制系統(tǒng)下位機，以PC機作為上位機的六軸工業(yè)機器人控制系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)具有較強的通用性和擴展性，控制軟件將不同功能設(shè)計成不同的模塊，并提供了改變機器人參數(shù)的界面，使得系統(tǒng)結(jié)構(gòu)清晰、便于操作，能夠可靠有效的應用于工業(yè)機器人。

[1]劉極峰，易際明.機器人技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京：高等教育出版社，2006.

[2]徐 灝.疲勞強度設(shè)計[M].北京：機械工業(yè)出版社，1980.

[3]郭 倫.六自由度并—串結(jié)構(gòu)工業(yè)機器人的設(shè)計[D].青島：青島科技大學，2013.

[3]林 威，江五講.工業(yè)機器人笛卡爾空間軌跡規(guī)劃[J].機械工程與自動化，2014（5）：141-143.

[4]Lee C S G.Robot arm kinematics,dynamics,and control[J].Computer,1982,15(12):62-80.