盛 濤

（哈爾濱博實自動化股份有限公司，黑龍江 哈爾濱 150001）

隨著機械自動化水平的提高，機器人以其在機械結(jié)構(gòu)、適用范圍、靈活性、成本以及維護等方面的優(yōu)勢，使其應(yīng)用漸為廣泛，并成為一種發(fā)展趨勢。而機器人控制系統(tǒng)的性能決定著機器人的品質(zhì)，目前主流高性能運動控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢是在具有很強計算能力的計算機上集成高性能實時系統(tǒng)和高速通訊總線的控制架構(gòu)。以該種控制結(jié)構(gòu)完成具有前饋補償?shù)目刂平Y(jié)構(gòu)。運動學(xué)、動力學(xué)和用于前饋補償?shù)乃欧刂扑惴ň谟嬎阈阅軓姶蟮墓た貦C中完成。在每一個伺服周期內(nèi)伺服控制指令通過高速通訊總線傳遞給驅(qū)動器，同時在同一個伺服周期內(nèi)完成運動指令的反饋。伺服控制指令被疊加到電流回路指令給定端作為前饋補償，其可以補償動力學(xué)耦合和結(jié)構(gòu)柔性產(chǎn)生的非線性效應(yīng)?？刂浦噶羁梢愿鶕?jù)相應(yīng)的控制算法進行實時計算。在前饋補償作用下，每一個主動關(guān)節(jié)即可以視為一個簡單的單輸入單輸出系統(tǒng)，從而采用驅(qū)動器內(nèi)部的線性控制器即可獲得較好的控制性能。

1 Windows內(nèi)嵌實時系統(tǒng)

目前由于Windows良好的人機界面和交互功能，在工控領(lǐng)域應(yīng)用越來越廣泛，但由于其并不是一個實時系統(tǒng)，時間片設(shè)定在5毫秒以下時，其便很難保持精確穩(wěn)定的運行。從而用于實時性要求較高的工控場合會存在很多的局限性，如完成伺服層的伺服調(diào)試，需要1個毫秒以下的精確定時。為了解決這一矛盾，出現(xiàn)了很多利用Window環(huán)境進行擴展或者內(nèi)嵌實時內(nèi)核的實時系統(tǒng)。其中德國Beckhoff公司的TwinCAT系統(tǒng)就是其中之一，TwinCAT（The Windows Control and Automation Technology）的原意是指“基于Windows的控制和自動化技術(shù)”，其通過在Windows環(huán)境下內(nèi)嵌實時內(nèi)核的方法，將每一臺PC變?yōu)槎鄠€具有很強大處理能力的PLC集合，并同時具有良好的開發(fā)和編程環(huán)境，符合IEC-61131-3標準。其集成的人機界面開發(fā)環(huán)境，可以支持高級語言如VC++,Matlab直接編程。TwinCAT將實時控制與Windows環(huán)境有機結(jié)合，為工控機進行高性能工控任務(wù)提供了強大的實時擴展。所有的Windows環(huán)境下的程序，例如圖形和可視化模塊均可以通過ADS通訊的方式訪問TwinCAT數(shù)據(jù)，或進行實時的數(shù)據(jù)交互。同時TwinCAT在軟件方面集成了完善的錯誤診斷，穩(wěn)定和安全機制，特別在各從站信號同步方面，采用了分布式時鐘和抖動監(jiān)測器，嚴格保證信號同步，增加了系統(tǒng)可靠性。同時其實時內(nèi)核具有很高優(yōu)先級和穩(wěn)定性，在Windows系統(tǒng)藍屏時，仍可保證后臺服務(wù)穩(wěn)定運行。

2 基于工業(yè)以太網(wǎng)的高速通訊總線技術(shù)

當完成所有在線指令的實時計算后，運動控制指令需要從運動控制單元傳輸?shù)津?qū)動單元中。以往的運動控制系統(tǒng)，運動控制指令通過模擬量進行傳輸，從而不存在時間延遲。但是電磁干擾和噪聲對于模擬量是一個嚴重的問題。因此，采用模擬量方式進行運動指令傳輸在工業(yè)應(yīng)用中要穩(wěn)定可靠的運行難度很大，且一般無法進行長距離傳輸。目前由德國Beckhoff和EtherCAT Technology Group(ETG)推廣的基于工業(yè)以太網(wǎng)的高性能通訊總線EtherCAT,其采用主從結(jié)構(gòu)，由主站和多個從站組成。主站可以是工控機或者其他嵌入式控制器，從站使用專用芯片構(gòu)成EtherCAT從站控制器，其具有完成EtherCAT通信協(xié)議所要求的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層的所有功能。這種通訊總線將一些優(yōu)秀的專門用于運動控制的總線協(xié)議（如Sercos，CAN）與以太網(wǎng)的高通訊帶寬結(jié)合起來。同時傳統(tǒng)工業(yè)以太網(wǎng)一般需要在每個節(jié)點接收以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包，然后進行解碼和編碼，而EtherCAT在數(shù)據(jù)幀處理方式與此不同，系統(tǒng)控制周期由主站發(fā)起，主站發(fā)出下行電報。當數(shù)據(jù)幀通過每一個從站設(shè)備時，EtherCAT從站控制器直接分析尋址到本機的報文，根據(jù)EtherCAT報文，讀寫數(shù)據(jù)到報文指定的位置，同時從站硬件把該報文的工作計數(shù)器(WKC)加1，表示該數(shù)據(jù)被處理，整個過程大約產(chǎn)生十幾個納秒延遲。此過程是在從站控制器中通過硬件實現(xiàn)的，因此與協(xié)議堆棧軟件的實時運行系統(tǒng)或處理器性能無關(guān)，有效地提高了通訊實時性。并且從站數(shù)量的增加對這一指標影響不大，在同時連接1000個I/O類型的從站節(jié)點下，能穩(wěn)定運行的最小循環(huán)時間能達到62.5微秒。目前該總線已成為先進運動控制的主流，其所有協(xié)議均是開放，越來越多的工控和伺服廠家推出了支持該種通訊總線的產(chǎn)品。

3 機器人控制系統(tǒng)的軟件實現(xiàn)

在TwinCAT PLC Control中提供的遵循IEC 61131-3標準的編程環(huán)境下，對4自由度搬運機器人底層軟件進行了編寫，并期望通過通用功能模塊化封裝的思想，開發(fā)能適用于各種型號工業(yè)機器人的底層運動控制程序庫。整個控制器程序可以看做一個復(fù)雜的狀態(tài)機，根據(jù)程序當前運行結(jié)果或外部條件觸發(fā)而更改運行狀態(tài)，并調(diào)用組件庫中的對應(yīng)功能。機器人組件庫由一些功能模塊組成，包括插補及運動規(guī)劃組件，其以運動規(guī)劃算法為基礎(chǔ)完成機器人離線或者在線的運動規(guī)劃，并在每一個主程序循環(huán)周期進行一次機器人的正逆解運算。伺服控制模塊通過狀態(tài)機的方式實現(xiàn)對機器人各軸進行控制，電機軸的運動狀態(tài)可以通過示教盒或自身內(nèi)部改變；編碼器及傳感器讀取模塊用于讀取機器人電機軸的編碼器數(shù)據(jù)及各傳感器數(shù)據(jù)，用于進行反饋控制；上位機通訊網(wǎng)絡(luò)模塊，用于在示教狀態(tài)下和外部輸入設(shè)備交互，調(diào)用機器人系統(tǒng)的功能；機器人運動學(xué)及動力學(xué)組件庫建立機器人運動學(xué)及動力學(xué)算法，在每個主程序循環(huán)周期內(nèi)進行計算，通過高速總線將前饋補償值傳遞給驅(qū)動器。安全模塊對整個機器人系統(tǒng)提供安全保障。在軟件系統(tǒng)中每個功能模塊都以一個任務(wù)的形式存在，系統(tǒng)軟件流程簡圖如下：

圖1

4 總結(jié)

本文提出的控制系統(tǒng)架構(gòu)和軟件實現(xiàn)，使系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)能力大幅提高，動態(tài)跟蹤誤差明顯降低?？蓮V泛用于物流自動化行業(yè)中的搬運、分揀等方面，具有廣闊的前景。

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