畢魯雁，劉立生

(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué)深圳研究生院，廣東 深圳 518055;2.德昌電機(jī)(深圳)有限公司 機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室，廣東深圳 518125)

基于RTX的工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

畢魯雁1，劉立生2

(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué)深圳研究生院，廣東 深圳 518055;2.德昌電機(jī)(深圳)有限公司 機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室，廣東深圳 518125)

針對(duì)工業(yè)機(jī)器人的實(shí)時(shí)、高精度、多任務(wù)的控制要求，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了基于RTX的工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)?；赗TX的工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)以工業(yè)計(jì)算機(jī)和RTX實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)為核心，充分利用了工業(yè)計(jì)算機(jī)的豐富資源以及RTX強(qiáng)大的實(shí)時(shí)處理能力，實(shí)現(xiàn)了一個(gè)開放的可擴(kuò)展的工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)平臺(tái)。最后將該控制系統(tǒng)成功應(yīng)用于自主研制的四軸工業(yè)機(jī)器人，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了工業(yè)機(jī)器人的高性能控制，并且為機(jī)器人的功能擴(kuò)展提供了基礎(chǔ)架構(gòu)。

四軸工業(yè)機(jī)器人;實(shí)時(shí)操作系統(tǒng);實(shí)時(shí)處理

0 引言

工業(yè)機(jī)器人又稱為機(jī)械手，在現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)中正發(fā)揮著越來越重要的作用，被廣泛應(yīng)用到流水生產(chǎn)線上，代替人類從事焊接、噴涂、搬運(yùn)等許多較繁重的勞動(dòng)，工業(yè)機(jī)器人的廣泛應(yīng)用正在日益改變?nèi)祟惖纳a(chǎn)方式和生活方式，成為世界各國(guó)備受關(guān)注的產(chǎn)業(yè)［1-2］。

工業(yè)機(jī)器人一般由機(jī)器人本體、機(jī)器人控制系統(tǒng)、電控箱以及人機(jī)操作界面等組成，其中，機(jī)器人控制系統(tǒng)是機(jī)器人的核心部件，它實(shí)施機(jī)器人的全部信息處理和對(duì)機(jī)器人手臂的運(yùn)動(dòng)控制，是一種典型的多自由度實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)。傳統(tǒng)的工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)往往采用專用計(jì)算機(jī)和專用微處理器的封閉式體系結(jié)構(gòu)，不利于機(jī)器人系統(tǒng)的維護(hù)和擴(kuò)展［3-5］。

RTX是美國(guó)Ardence公司開發(fā)的基于Windows操作系統(tǒng)的實(shí)時(shí)解決方案，隨著實(shí)時(shí)軟件規(guī)模和復(fù)雜度的遞增，RTX成為開發(fā)基于工業(yè)計(jì)算機(jī)的實(shí)時(shí)控制軟件的首選方案。本文提出了一種基于RTX的工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)，以工業(yè)計(jì)算機(jī)與RTX實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)為核心，將Windows操作系統(tǒng)與RTX操作系統(tǒng)相配合，既能夠滿足工業(yè)機(jī)器人控制所需要的實(shí)時(shí)、高精度和多任務(wù)的要求，又具有開放性和可擴(kuò)展性的優(yōu)點(diǎn)。

1 工業(yè)機(jī)器人

在工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家，機(jī)器人已經(jīng)廣泛應(yīng)用于汽車工業(yè)、機(jī)械加工行業(yè)、電子電氣行業(yè)、橡膠及塑料工業(yè)、食品工業(yè)、物流、制造業(yè)等諸多領(lǐng)域中。

在機(jī)器人本體的研究制造中，我國(guó)基礎(chǔ)零部件制造能力相對(duì)較弱。雖然我國(guó)在相關(guān)零部件方面有了一定的基礎(chǔ)，但是無論從質(zhì)量、產(chǎn)品系列全面，還是批量化供給方面都與國(guó)外存在較大的差距;特別是在高性能交流伺服電機(jī)和精密減速器方面的差距尤其明顯，因此造成關(guān)鍵零部件的進(jìn)口，影響了我國(guó)機(jī)器人的競(jìng)爭(zhēng)力。目前，已經(jīng)有一批機(jī)器人企業(yè)根據(jù)市場(chǎng)需求，自行研制或與科研院所合作，利用自身技術(shù)優(yōu)勢(shì)，進(jìn)行機(jī)器人開發(fā)［2，6］。

德昌電機(jī)自主研發(fā)的四軸工業(yè)機(jī)器人本體的3D模型圖如圖1和所示。工業(yè)機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)裝置采采用交流伺服電機(jī)與諧波減速器的組合。

四軸工業(yè)機(jī)器人本體的關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)由回轉(zhuǎn)的機(jī)體、大臂、和小臂組成，第一關(guān)節(jié)、第二關(guān)節(jié)和第四關(guān)節(jié)為旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，其軸線相互平行，在豎直方向旋轉(zhuǎn)，在平面內(nèi)進(jìn)行定位和定向;第三關(guān)節(jié)是移動(dòng)關(guān)節(jié)，用于完成機(jī)械手末端在垂直于平面的運(yùn)動(dòng)。機(jī)械手末端的位置是由第一個(gè)和第二兩個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的角度和移動(dòng)關(guān)節(jié)的位移決定，它的工作范圍類似于一個(gè)扇形區(qū)域。它最適用于平面定位，垂直方向進(jìn)行裝配的作業(yè)。

圖1 四軸機(jī)器人本體3D模型圖

2 基于RTX的機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 RTX系統(tǒng)介紹

RTX作為Windows操作系統(tǒng)的實(shí)時(shí)解決方案，它是Windows系統(tǒng)內(nèi)核體系的延拓，修改并擴(kuò)展了硬件抽象層HAL，實(shí)現(xiàn)獨(dú)立的內(nèi)核驅(qū)動(dòng)模式，形成與Windows操作系統(tǒng)并列的實(shí)時(shí)子系統(tǒng)(如圖2)將原有系統(tǒng)的線程間切換時(shí)間消耗縮短到幾微秒［7］。

圖2 RTX體系結(jié)構(gòu)圖

通過擴(kuò)展的實(shí)時(shí)HAL，RTSS使用自己的中斷管理模式，RTX線程總是優(yōu)先于Windows線程取得調(diào)度權(quán)。RTX使用Windows系統(tǒng)的調(diào)度策略，對(duì)自己的實(shí)時(shí)線程進(jìn)行嚴(yán)格調(diào)度管理;同時(shí)，RTX線程(包括中斷服務(wù)、延遲調(diào)用)總是優(yōu)先于Windows線程取得調(diào)度權(quán)。通過擴(kuò)展的HAL，RTX有著自己的中斷管理機(jī)制，而且能夠直接訪問I/O硬件端口。所有這些機(jī)制都保證RTX線程始終占據(jù)優(yōu)先權(quán)，不會(huì)被Windows線程阻塞，而且可以通過端口的控制實(shí)現(xiàn)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的功能，直接對(duì)目標(biāo)設(shè)備進(jìn)行控制。RTX線程和Windows線程之間通過共享內(nèi)存交換數(shù)據(jù)，通過實(shí)時(shí)信號(hào)量進(jìn)行同步和通信。RTX定時(shí)器的精度可以由運(yùn)行環(huán)境自行設(shè)置，一般能達(dá)到0.1ms的精度［7-8］。

RTX系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)精度很高的工業(yè)控制，特別是中斷響應(yīng)時(shí)間的快速性可對(duì)工業(yè)機(jī)器人的高速運(yùn)動(dòng)控制提供保障。

2.2 機(jī)器人控制系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

機(jī)器人的手臂的驅(qū)動(dòng)裝置是一個(gè)為了跟蹤目標(biāo)值對(duì)手臂當(dāng)前運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行反饋構(gòu)成的伺服系統(tǒng)，無論何種伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，控制裝置的目的是檢測(cè)個(gè)關(guān)節(jié)的當(dāng)前位置以及速度，將他們作為反饋信號(hào)，直接或間接的決定個(gè)關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)力。

圖3 機(jī)器人手臂控制系統(tǒng)的構(gòu)成

基于RTX的四軸機(jī)器人系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。系統(tǒng)的硬件包括:工控機(jī)，兩種類型的PCI板卡:D/A轉(zhuǎn)換卡以及編碼器卡，伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，伺服電機(jī)等。

圖4 四軸機(jī)器人硬件結(jié)構(gòu)圖

機(jī)器人控制系統(tǒng)平臺(tái)的結(jié)構(gòu)如上圖5所示。工控機(jī)上運(yùn)行的機(jī)器人控制系統(tǒng)包括兩個(gè)模塊:

(1)下位機(jī)——基于RTX的機(jī)器人控制器;

(2)上位機(jī)——機(jī)器人人機(jī)操作平臺(tái)。

其中，上位機(jī)機(jī)器人人機(jī)操作平臺(tái)的功能包括:

(1)正、逆運(yùn)動(dòng)學(xué)計(jì)算以目標(biāo)軌跡生成;

(2)與RTX機(jī)器人控制器進(jìn)行通訊;

(3)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的顯示;

(4)機(jī)器人各關(guān)節(jié)編碼器反饋信息以及機(jī)器人狀態(tài)監(jiān)控信號(hào)的顯示。

圖5 W indows+RTX的機(jī)器人控制系統(tǒng)平臺(tái)

下位機(jī)基于RTX的機(jī)器人控制器主要功能為:

(1)通過編碼器卡實(shí)時(shí)接收到電機(jī)位置反饋數(shù)據(jù);

(2)通過共享內(nèi)存接收上位機(jī)給出的實(shí)時(shí)目標(biāo)指令;

(3)反饋數(shù)據(jù)和目標(biāo)指令經(jīng)過控制算法模塊，給出控制指令經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換，輸出模擬信號(hào)控制伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，形成一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

基于上述的軟件和硬件平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了基于RTX的機(jī)器人系統(tǒng)，JE四軸1kg工業(yè)機(jī)器人本體如圖6所示，圖7為工控機(jī)上運(yùn)行的上位機(jī)機(jī)器人操作平臺(tái)界面，RTX下位機(jī)運(yùn)行在后臺(tái)，沒有顯示界面。工業(yè)機(jī)器人的本體重量為2Kg，額定負(fù)載為1Kg，一軸和二軸選用200W的伺服電機(jī)，三軸和四軸選用100W的伺服電機(jī)，末端最大運(yùn)動(dòng)速度達(dá)到1.5m/s;RTX機(jī)器人控制器的控制周期為1ms，使用S型曲線對(duì)每個(gè)關(guān)節(jié)軸進(jìn)行運(yùn)動(dòng)規(guī)劃控制(如圖8所示)。

圖6 JE四軸1Kg工業(yè)機(jī)器人機(jī)器人本體

圖7 上位機(jī)機(jī)械手操作界面

圖8 S型速度規(guī)劃運(yùn)動(dòng)曲線

使用FARO激光跟蹤儀對(duì)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)軌跡精度進(jìn)行測(cè)量(如圖9所示)，將激光跟蹤儀靶球固定在機(jī)器人末端，激光跟蹤儀發(fā)射與接受器實(shí)時(shí)快速跟隨把球的移動(dòng)，測(cè)量機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)軌跡精度，測(cè)試結(jié)果如表1所示，完全滿足應(yīng)用的要求。

基于RTX的工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)具有靈活和可擴(kuò)展性，主要體現(xiàn)在以下方面:

(1)對(duì)下位機(jī)的控制算法進(jìn)行更新時(shí)，只需要在控制算法庫(kù)中擴(kuò)展新的算法，上位機(jī)以及整個(gè)系統(tǒng)不需要做改變;

(2)將該體系結(jié)構(gòu)應(yīng)用于不同系列型號(hào)的六軸或者七軸工業(yè)機(jī)器人時(shí)，硬件上只需增加相應(yīng)的D/A轉(zhuǎn)換卡和編碼器卡，軟件上只需在上位機(jī)部分?jǐn)U展新型號(hào)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)解算算法庫(kù)和操作界面，系統(tǒng)的整體架構(gòu)不需要任何改變，從而簡(jiǎn)化了軟件和硬件的設(shè)計(jì)，縮短了工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)的開發(fā)時(shí)間。

表1 點(diǎn)運(yùn)動(dòng)以及軌跡運(yùn)動(dòng)精度

圖9 激光跟蹤儀軌跡精度測(cè)試

4 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了基于RTX的工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)，利用Windows的豐富資源以及RTX強(qiáng)大的實(shí)時(shí)處理能力，實(shí)現(xiàn)了一個(gè)開放的可擴(kuò)展的工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)平臺(tái)，為機(jī)器人的控制算法和功能擴(kuò)展提供了基礎(chǔ)架構(gòu);最后將該控制系統(tǒng)成功應(yīng)用于自主研制的四軸工業(yè)機(jī)器人，實(shí)驗(yàn)和測(cè)試結(jié)果表明，基于該系統(tǒng)的四軸工業(yè)機(jī)器人具有良好的運(yùn)動(dòng)控制效果。

［1］谷鳴宇.六自由度機(jī)械手運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)分析及計(jì)算機(jī)仿真［D］.長(zhǎng)春:吉林大學(xué)，2005.

［2］程永倫.錢江一號(hào)焊接機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)研究及仿真分析［D］.杭州:浙江大學(xué)，2008.

［3］彭韜，周學(xué)才.基于國(guó)產(chǎn)MCT8000運(yùn)動(dòng)控制卡的開放式結(jié)構(gòu)機(jī)器人控制系統(tǒng)［J］.制造業(yè)自動(dòng)化，2001，23(2):65.

［4］Wright P K.Principles of open-architecture manufacturing systems.Journal of Manufacturing Systems［J］.1995，14(3):187－202.

［5］伍文偉.六自由度開放式機(jī)器人控制系統(tǒng)的研究［D］.長(zhǎng)沙:湖南大學(xué)，2007.

［6］安萍.工業(yè)機(jī)器人何時(shí)能有中國(guó)國(guó)籍［N］.中國(guó)工業(yè)報(bào)，2010.

［7］吳勇，熊振華，丁漢.基于RTX和MFC的后封裝平臺(tái)數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)［J］.系統(tǒng)工程與電子技術(shù)，2004，26(9):1257－1261.

［8］RTX overview［EB/OL］.http://www.intervalzero.com/products/rtx－overview/，2012－7－10.

(編輯 趙蓉)

Research and Im p lem entation of Industrial Robot Control System Based on RTX

BILu-yan1，LIU Li-sheng2
(1.Shenzhen Graduate School of Harbin Industry University，Shenzhen Guangdong 518055，China;2.Johnson Electric Company Robot Lab，Shenzhen Guangdong 518125，China)

The industrial robot control system based on RTX is designed and implemented for the realtime，high-precision，multi-task control requirements of industrial robot.The industrial robot control system based on RTX has the industrial computer and the RTX real-time operating system as the core and it takes full advantage of the industrial computer rich resources and the RTX real-time processing capability to achieve an open，extensible，industrial robot control system platform.The control system successfully is applied to independently developed 4-axis industrial robot，and experimental results show that the control system notonly realizes the high-performance control of the robot but also provides the extensible infrastructure for the robot.

4-axis industrial robot;real-time operating system;real-time processing

TH16;TG65

A

1001－2265(2013)03－0087－03

2012－07－18;

2012－08－13

畢魯雁(1981—)，女，山東菏澤人，哈爾濱工業(yè)大學(xué)深圳研究生院博士，主要研究方向?yàn)楣I(yè)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制，(E－mail)biluyan@gmail.com。