鄭為湊, 蔡楷倜, 于振中, 劉偉, 惠晶

(江南大學(xué)輕工過程先進(jìn)控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇無錫214122)

輕工包裝機(jī)器人專用運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

鄭為湊, 蔡楷倜, 于振中*, 劉偉, 惠晶

(江南大學(xué)輕工過程先進(jìn)控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇無錫214122)

分析輕工包裝機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的特點(diǎn),提出一種低成本、高性能的專用運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng),并進(jìn)行了軟硬件分析與設(shè)計(jì)。系統(tǒng)采用Cortex-M4內(nèi)核的STM32F407為主CPU,運(yùn)動(dòng)控制芯片PCL6045BL為從CPU的主從CPU結(jié)構(gòu),將Cortex-M4在人機(jī)界面,通信接口與運(yùn)動(dòng)控制規(guī)劃上的優(yōu)勢與PCL6045BL高控制精度的優(yōu)點(diǎn)相結(jié)合。軟件上通過移植μC/OS-II與μC/GUI實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)系統(tǒng)運(yùn)行與人機(jī)交互,編寫相應(yīng)的應(yīng)用程序?qū)崿F(xiàn)對機(jī)器人的控制,最后通過插補(bǔ)實(shí)驗(yàn)對機(jī)器人控制系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證。

運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng);機(jī)器人;實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)

工業(yè)機(jī)器人作為高端裝備制造產(chǎn)業(yè)的重要組成部分,在近幾年取得了長足的進(jìn)步,并廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中[1-2]。隨著機(jī)器人的發(fā)展,機(jī)器人的大腦——機(jī)器人控制系統(tǒng)的研究越來越受重視。國內(nèi)目前也涌現(xiàn)了一大批優(yōu)秀企業(yè)自主研發(fā)的開放式多軸控制系統(tǒng)(如成都卡諾普公司開發(fā)的CRP-S系列,深圳邁科訊的IMC系列等)。目前,國內(nèi)市場上的機(jī)器人控制器,大多采用嵌入式技術(shù),并結(jié)合工業(yè)PC以提高系統(tǒng)穩(wěn)定性,并提供系統(tǒng)的解決方案[3-4];國外的機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制器發(fā)展很快,智能水平很高[5-7],并且正在進(jìn)行許多開創(chuàng)性的探索[7-8]。輕工包裝機(jī)器人作為自動(dòng)化流水線上的核心設(shè)備能實(shí)現(xiàn)大部分產(chǎn)品的存儲(chǔ)、搬運(yùn)、裝卸、包裝等動(dòng)作[9],在自動(dòng)化流水線上的應(yīng)用越來越廣泛。目前,市場上并沒有針對這類機(jī)器人的專用運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng),使用現(xiàn)有的國內(nèi)外機(jī)器人通用控制器控制輕工包裝機(jī)器人普遍存在開放性能差,用戶需自己規(guī)劃機(jī)器人控制策略與控制算法,二次開發(fā)難度較大,無法自用裁剪與添加相應(yīng)的功能,開發(fā)周期長,且造價(jià)昂貴等問題。

針對上述存在的問題,文中提出一種低成本、低功耗、高性能的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。

1 系統(tǒng)研究重難點(diǎn)分析

為保證所研究的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)與包裝流水線上的機(jī)器人控制無縫對接,首先研究輕工包裝機(jī)器人工藝需求,保證開發(fā)的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)能夠滿足流水線需求;其次,針對常用的幾種輕工包裝機(jī)器人(如直角坐標(biāo)機(jī)器人,DELTA機(jī)器人與SCARA機(jī)器人等),對其進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)建模,分析其運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)方程。在此基礎(chǔ)上,編寫相應(yīng)的API函數(shù)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制,并將這些庫函數(shù)集成至控制器中,為機(jī)器人控制器的規(guī)劃與系統(tǒng)搭建奠定基礎(chǔ)。機(jī)器人控制系統(tǒng)是一個(gè)實(shí)時(shí)系統(tǒng),需要移植實(shí)時(shí)嵌入式控制系統(tǒng)。確定嵌入式運(yùn)動(dòng)控制器的設(shè)計(jì)方案,并對嵌入式運(yùn)動(dòng)控制的硬件進(jìn)行設(shè)計(jì);將設(shè)計(jì)好的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)與機(jī)器人本體聯(lián)機(jī)調(diào)試,綜合分析并進(jìn)一步優(yōu)化。輕工包裝機(jī)器人專用運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)研究流程圖如圖1所示。

圖1 輕工包裝機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)研究流程Fig.1 Flow chart of the light packaging robot m otion control system

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

機(jī)器人控制系統(tǒng)由機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制器、上位機(jī)、伺服系統(tǒng)與I/O輸入輸出等部件構(gòu)成。其中:上位機(jī)與運(yùn)動(dòng)控制器通過通信實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)參數(shù)的初始化,系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集與處理,監(jiān)控與報(bào)警,任務(wù)調(diào)度與管理等;運(yùn)動(dòng)控制器根據(jù)所接收到的參數(shù)與控制命令,實(shí)現(xiàn)對外部輸入輸出信號(hào)的控制與采集,同時(shí)對伺服系統(tǒng)進(jìn)行控制,實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的動(dòng)作?？刂葡到y(tǒng)框圖如圖2所示。

圖2 控制系統(tǒng)框架Fig.2 Block diagram of the control system

機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制器作為機(jī)器人控制系統(tǒng)的核心,是文中研究的主要對象?？刂葡到y(tǒng)主要由硬件部分與軟件部分組成,控制器軟硬件構(gòu)成如圖3所示。

圖3 控制器軟硬件構(gòu)成Fig.3 Com ponent of the controller hardware and software

軟件部分由嵌入式控制系統(tǒng),設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序與應(yīng)用程序組成。因?yàn)闄C(jī)器人控制系統(tǒng)是一個(gè)實(shí)時(shí)系統(tǒng),所以運(yùn)動(dòng)控制器控制系統(tǒng)采用實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)μC/OS-II。該系統(tǒng)可以高效地執(zhí)行實(shí)時(shí)應(yīng)用程序,為應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)和擴(kuò)展奠定基礎(chǔ)。硬件部分采用主從CPU結(jié)構(gòu)。由意法公司針對工業(yè)機(jī)器人市場新推出的的STM32F407芯片構(gòu)成主控平臺(tái), PCL6045BL運(yùn)動(dòng)控制芯片作為從CPU,二者通過總線連接實(shí)現(xiàn),完成信號(hào)的采集和通信,以及機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制。

2.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

運(yùn)動(dòng)控制器的硬件部分主要以STM32F407ZGT作為主CPU,PCL6045BL運(yùn)動(dòng)控制芯片作為從CPU。由STM32F407構(gòu)成的主控平臺(tái)如圖4所示。

STM32F407是高性能的32位處理器,基于ARM Cortex-M4內(nèi)核,結(jié)合了DSP技術(shù),具有高效的數(shù)字信號(hào)控制與易于使用等特點(diǎn)[10]。STM32F407系列采用多重AHB總線與多通道DMA控制器,支持以太網(wǎng)與相機(jī)接口,具有良好的可拓展性,同時(shí)具有高性能處理低功耗等優(yōu)點(diǎn),能夠很好地滿足系統(tǒng)控制要求。

PCL6045BL運(yùn)動(dòng)控制芯片是專門為步進(jìn)和伺服控制設(shè)計(jì)的DSP運(yùn)動(dòng)處理器[11]。PCL6045BL為核心的從CPU主要作為運(yùn)動(dòng)控制部分,其硬件框圖如圖5所示。

圖5 從CPU硬件框架Fig.5 Block diagram of the slave CPU hardware

圖5中硬件設(shè)計(jì)合理采用隔離電路與反饋信號(hào),使系統(tǒng)具有較強(qiáng)的抗干擾能力,能適應(yīng)較復(fù)雜的工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境。利用PCL6045BL運(yùn)動(dòng)控制芯片可以處理包括勻速和變速脈沖輸出、加減速規(guī)劃、直線或圓弧插補(bǔ)、原點(diǎn)及限位開關(guān)管理、編碼器信號(hào)處理等運(yùn)動(dòng)控制工作,大幅度簡化了系統(tǒng)軟硬件結(jié)合和開發(fā)工作,同時(shí)可以提高系統(tǒng)的效率。

主從CPU通過地址總線與數(shù)據(jù)總線實(shí)現(xiàn)控制,能夠?qū)崿F(xiàn)快速雙向信息交互,具有控制靈活、效率高、實(shí)時(shí)性好等特點(diǎn)。STM32F407通過控制地址總線決定PCL6045BL控制的軸與讀寫端口,通過數(shù)據(jù)總線實(shí)現(xiàn)控制參數(shù)的傳輸,將主CPU中編寫的運(yùn)動(dòng)學(xué)庫函數(shù)發(fā)出的控制指令傳遞給伺服控制系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)輕工包裝機(jī)器人與外設(shè)的靈活控制。STM32F407與PCL6045主從結(jié)構(gòu)的連接如圖6所示。

圖6 STM 32F407與PCL6045BL連接框架Fig.6 Connected diagram of STM 32F407 andPCL6045BL

2.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件部分主要由嵌入式操作系統(tǒng)、設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序和應(yīng)用程序3部分組成。嵌入式操作系統(tǒng)采用μC/OS-Ⅱ?qū)崟r(shí)嵌入式操作系統(tǒng),同時(shí)在控制器中移植μC/GUI,提供有效的圖形用戶接口;設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序是實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)內(nèi)核和硬件之間的接口,是連接底層硬件和內(nèi)核的紐帶;應(yīng)用程序主要為用戶應(yīng)用程序和機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)相關(guān)的API函數(shù)。

2.2.1 嵌入式系統(tǒng)的Bootloader Bootloader是嵌入式系統(tǒng)軟件開發(fā)的第一個(gè)環(huán)節(jié)。它把操作系統(tǒng)和硬件開發(fā)平臺(tái)緊密結(jié)合在一起。通過Bootloader初始化硬件設(shè)備,建立內(nèi)存空間的映射圖,將系統(tǒng)的軟硬件環(huán)境帶到一個(gè)合適的狀態(tài),以便為最終操作系統(tǒng)內(nèi)核準(zhǔn)備好環(huán)境。

2.2.2 μC/OS-Ⅱ的移植 μC/OS-Ⅱ是一個(gè)可以基于ROM運(yùn)行的、可裁減的、搶占式、實(shí)時(shí)多任務(wù)內(nèi)核,具有高度可移植性,執(zhí)行效率高、占用空間小、實(shí)時(shí)性能優(yōu)良和可擴(kuò)展性強(qiáng)等特點(diǎn)[12]。系統(tǒng)移植,就是使一個(gè)實(shí)時(shí)內(nèi)核能在其他的微處理器或微控制器上運(yùn)行。文中使用μC/OS-Ⅱv2.91版本,該版本較低版本增加了許多功能,且修復(fù)了很多已知bug,具有更好的穩(wěn)定性。將μC/OS-Ⅱ移植到微控制器STM32F407上,需要完成的工作是修改4個(gè)和處理器相關(guān)的文件os_cpu_c.c,os_cpu_a.asm, os_cpu.c,os_dbg.c。μC/OS-Ⅱ文件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 μC/OS-Ⅱ文件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.7 File system structure of theμC/OS-Ⅱ

2.2.3 μC/GUI的移植與設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)

μC/GUI由Micrium公司開發(fā)的開源的嵌入式用戶圖形界面軟件,在μC/OS-Ⅱ添加圖形化用戶界面,既可發(fā)揮嵌入式的實(shí)時(shí)性,又能實(shí)現(xiàn)良好的人機(jī)界面[13]。μC/GUI提供了操作系統(tǒng)的接口與輸入輸出設(shè)備的接口。

驅(qū)動(dòng)程序是實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)內(nèi)核和硬件之間的接口,是連接底層硬件和內(nèi)核的紐帶。當(dāng)外圍設(shè)備改變時(shí),只需要更換相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)程序,不必修改操作系統(tǒng)的內(nèi)核以及運(yùn)行在操作系統(tǒng)中的軟件。

2.3 系統(tǒng)應(yīng)用程序設(shè)計(jì)

μC/OS-Ⅱ是嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng),需要將應(yīng)用程序劃分為多個(gè)任務(wù),每個(gè)任務(wù)負(fù)責(zé)完成一部分工作,多個(gè)任務(wù)協(xié)調(diào)完成系統(tǒng)功能。合理的任務(wù)劃分可充分體現(xiàn)操作系統(tǒng)任務(wù)調(diào)度算法的效率,從而提高系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。采用μC/OS-Ⅱ提供的信號(hào)量、郵箱、消息隊(duì)列進(jìn)行通信,實(shí)現(xiàn)對任務(wù)的統(tǒng)一調(diào)度和管理。文中根據(jù)運(yùn)動(dòng)控制器的需求,給出任務(wù)劃分與各任務(wù)間相互關(guān)系,具體結(jié)果如圖8所示。

應(yīng)用程序包括總體的控制模塊、人機(jī)界面的設(shè)計(jì)、示教程序、運(yùn)動(dòng)控制、狀態(tài)監(jiān)測與通信模塊等。STM32F407通過操作系統(tǒng)可便于實(shí)現(xiàn)各任務(wù)間的調(diào)度,運(yùn)動(dòng)控制通過編寫運(yùn)動(dòng)控制API函數(shù),實(shí)現(xiàn)輕工包裝機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)解算。通過運(yùn)動(dòng)控制函數(shù)向PCL6045BL發(fā)送控制指令。PCL6045BL根據(jù)接收的指令,完成控制算法與路徑規(guī)劃,發(fā)送相應(yīng)的脈沖和指令使伺服系統(tǒng)完成相應(yīng)的動(dòng)作,從而實(shí)現(xiàn)對機(jī)器人動(dòng)作的控制;同時(shí)PCL6045BL反饋光電編碼器信號(hào)與相關(guān)的開關(guān)量信號(hào),實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的閉環(huán)控制。

圖8 程序總體任務(wù)規(guī)劃Fig.8 Planning scheme

3 實(shí)驗(yàn)分析

在搭建好控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上,對控制器進(jìn)行調(diào)試,驗(yàn)證文中設(shè)計(jì)方案的可行性。用戶在開發(fā)應(yīng)用程序中不需要關(guān)心底層的設(shè)計(jì),只需要根據(jù)控制需求編寫人機(jī)界面與調(diào)用函數(shù),并配置相應(yīng)的設(shè)置,機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制功能主要取決于集成的運(yùn)動(dòng)函數(shù)庫。為使系統(tǒng)能夠較好地控制機(jī)器人,需要編寫大量的運(yùn)動(dòng)控制API函數(shù)?？紤]到在工業(yè)機(jī)器人中,插補(bǔ)運(yùn)算的廣泛應(yīng)用,文中通過編寫人機(jī)界面實(shí)現(xiàn)兩軸的直線插補(bǔ)控制,從而對運(yùn)動(dòng)控制器進(jìn)行驗(yàn)證。

直線插補(bǔ)API的函數(shù)模型:

//直線插補(bǔ)的參數(shù)結(jié)構(gòu)

實(shí)驗(yàn)組、參照組產(chǎn)婦自然分娩率以及新生兒窒息率結(jié)果見表1。經(jīng)統(tǒng)計(jì)學(xué)軟件計(jì)算,結(jié)果差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義P<0.05。

typedef struct

{long P[2];//2軸上的脈沖

unsigned V;//速度

long DP;//減速脈沖

}LineData;

void PulseOutMode(unsigned axis,short mode)//設(shè)置脈沖輸出模式

void SetV(unsigned axis,unsigned wdata)//設(shè)置速度參數(shù)V

void Sets(void)//啟動(dòng)S曲線加/減速

void Clear(void)//停止S曲線加/減速

void SetA(unsigned axis,unsigned wdata)

//設(shè)置加速度參數(shù)A

void SetD(unsigned axis,unsigned wdata)

//設(shè)置減速度參數(shù)D

void SetSV(unsigned axis,unsigned wdata)//設(shè)置初始速度參數(shù)SV

void LineXY(LineData*pLD)//2軸直線插補(bǔ)

在編寫的插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)庫函數(shù)的基礎(chǔ)上,用戶只需通過上位機(jī)進(jìn)行坐標(biāo)與參數(shù)輸入,即可實(shí)現(xiàn)兩軸直線插補(bǔ)軌跡控制。上位機(jī)程序采用μCGUI Builder編寫,上位機(jī)插補(bǔ)軌跡實(shí)驗(yàn)界面如圖9所示。

圖9 插補(bǔ)實(shí)驗(yàn)界面Fig.9 Interpolation experimental interface

圖9中,設(shè)置起點(diǎn)為(0,0),終點(diǎn)為(2 000, 3 000),初始速度為0 m/s,運(yùn)行速度為1 m/s,加減速時(shí)間為300 ms。通過示波器可以觀察到如圖10所示的控制器所發(fā)出的脈沖。

圖10 直線插補(bǔ)脈沖輸出Fig.10 Linear interpolation pulse output

由圖10可以看出,系統(tǒng)以y軸作為主軸,x軸為從軸,控制器按照以y=1.5x的直線軌跡發(fā)送脈沖,與設(shè)置的起點(diǎn)到終點(diǎn)構(gòu)成直線的斜率一致。兩軸插補(bǔ)脈沖輸出實(shí)驗(yàn)圖如圖11所示。

圖11 兩軸脈沖輸出實(shí)驗(yàn)Fig.11 Two-axis pulse output test

從插補(bǔ)實(shí)驗(yàn)可以得到,通過設(shè)置的參數(shù),主CPU可利用接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行任務(wù)分析,向從CPU發(fā)出運(yùn)動(dòng)控制命令,從CPU根據(jù)所得到的命令輸出相應(yīng)的脈沖。在控制器開發(fā)中,需編寫大量的運(yùn)動(dòng)控制算法,這樣用戶通過人機(jī)界面設(shè)置參數(shù)與調(diào)用程序,就可以高效地控制輕工包裝機(jī)器人。在兩軸直角坐標(biāo)機(jī)器人控制中,該控制器運(yùn)行穩(wěn)定,有效精度為1 mm,且重復(fù)精度較高,有效最高脈沖速度可以達(dá)50 kHz。實(shí)驗(yàn)證明,所設(shè)計(jì)控制器可以實(shí)現(xiàn)高精度、高速、多軸的脈沖輸出,以及控制普通的輸入輸出,能夠高效滿足輕工包裝機(jī)械手的控制需求。

4 結(jié) 語

文中采用針對工業(yè)自動(dòng)化推出的Cortex-M4處理器STM32F407與運(yùn)動(dòng)控制芯片PCL6045BL設(shè)計(jì)主從CPU結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)控制器,結(jié)合輕工包裝流水線機(jī)器人在工業(yè)現(xiàn)場中的工藝要求,編寫相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)控制函數(shù),用戶通過編寫人機(jī)界面,即可便于的實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制和相應(yīng)的輔助動(dòng)作。通過編寫最具廣泛用途的機(jī)器人插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)控制API函數(shù),驗(yàn)證控制器設(shè)計(jì)的合理性。另外,運(yùn)動(dòng)控制器的可靠性需要大量的時(shí)間與實(shí)驗(yàn)去驗(yàn)證。今后可致力于研究其他常見輕工包裝機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)與控制,將相應(yīng)的函數(shù)添加至控制器,增加控制器的應(yīng)用范圍,同時(shí)對控制器的軟硬件可靠性進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化與改進(jìn)。

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(責(zé)任編輯:邢寶妹)

Desigh of the Light Packaging Robot Dedicated M otion Control System

ZHENGWeicou, CAIKaiti, YU Zhenzhong*, LIUWei, HUIJing
(Key Laboratory of Advanced Process Control for Light Industry,Ministry of Education,Jiangnan University,Wuxi214122,China)

With the use of the light packaging robots in the pipeline,the development of the dedicated motion control system has the important significance.In this paper,a dedicated motion control system with low cost and good performance is proposed after the analysis of the features of light packaging robotmotion control systems,and the hardware and software are analyzed and designed.The system uses the core STM32F407 of Cortex-M4 as the master CPU,and themotion control chip PCL6045BL as slave CPU,to combine the Cortex-M4 which has the advantages in the man-machine interface,communication interface and motion control programs strengths and the PCL6045BLcontrol which has the high precision.The real-time system operation and human-computer interation can be achieved by transplanting theμC/OS-II andμC/GUI,the robot control can be achieved by writting appropriate programs.The performance of themotion control system can be verified by experiments.

motion control systems,robot,RTOS

*通信作者:于振中(1980—),男,安徽宿州人,副教授,碩士生導(dǎo)師。主要從事機(jī)電一體化技術(shù)、電力電子技術(shù)等研究。Email:yzzrobot@126.com

TP 273.5

A

1671-7147(2015)03-0289-06

2014-12-02;

2015-02-28。

江蘇省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(BK20130159)。

鄭為湊(1990—),男,福建古田人,電氣工程專業(yè)碩士研究生。