楊文祥，陳富林

（南京航空航天大學 機電學院，南京 210000）

機器人的控制系統(tǒng)作為機器人的大腦，是決定機器人性能的主要因素，主要包括硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)[1]。近幾年，歐美國家都在開發(fā)開放式機器人控制器[2]。這類控制系統(tǒng)是基于模塊化的，采用的是標準的總線結構，利用網(wǎng)絡進行通訊。針對機器人控制器的研究已經(jīng)由硬件過渡到軟件、由具體控制器過渡到通用開放式體系結構、由單獨控制過渡到多機協(xié)調(diào)控制。在開放式控制器體系結構研究方面，有2種基本結構：一種是基于硬件層次劃分的結構；另一種是基于功能劃分的結構。后者是控制器體系結構的研究和發(fā)展方向[3-4]。

隨著計算機技術的變革，嵌入式系統(tǒng)及其應用作為當前工業(yè)機器人運動控制研究的一個重要方向已越來越為人熟知。在工業(yè)機器的控制發(fā)展中，隨著嵌入式控制器越來越多地被用于工業(yè)控制中，越來越多的廠家也開始采用嵌入式處理器作為工業(yè)機器人控制器的主控制器。國內(nèi)機器人控制器的研究與國外相比，還存在較大的差距。國內(nèi)的嵌入式系統(tǒng)控制起步較晚，目前還沒有成熟應用。傳統(tǒng)的工業(yè)機器人系統(tǒng)，控制器多采用工業(yè)控制計算機（IPC），由于體積龐大、運行中不宜受振動、功耗高等原因，已開始被最近幾年急速發(fā)展的嵌入式系統(tǒng)（embedded system）所取代[5]。本文則繼承模塊化思想開發(fā)嵌入式控制系統(tǒng)，為現(xiàn)場投用奠定基礎。

1 機器人控制系統(tǒng)總體架構設計

控制系統(tǒng)總體架構決定了一個系統(tǒng)的實用性和可靠性，決定了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和拓展性。本文設計的機器人控制系統(tǒng)有人機交互模塊、文檔數(shù)據(jù)庫模塊、動畫演示模塊、軌跡規(guī)劃模塊和串口通訊模塊等，各模塊分別實現(xiàn)諸多功能，有效提高了控制系統(tǒng)的實用性，如圖1所示。

人機交互模塊以友好的圖形化界面呈現(xiàn)給操作用戶，是用戶和控制系統(tǒng)交互的直接唯一手段，也是控制系統(tǒng)中的核心模塊，提供諸多機器人的基本操作功能。文檔管理模塊提供文件操作和數(shù)據(jù)庫管理。動畫演示模塊則是將機器人模型以三維虛擬實體以屏幕為媒介展現(xiàn)給操作用戶，具有直觀性、便捷性等特點。軌跡規(guī)劃模塊則是內(nèi)部集成模塊，是用戶無法看到的底層模塊之一。串口通信模塊支持RS485通信格式，是另一個底層模塊。

圖1 控制系統(tǒng)功能模塊Fig.1 Control system function module

2 碼垛機器人運動模型

四自由度碼垛機器人具有腰部回轉、水平橫移、垂直升降和腕部旋轉這4個自由度，各自由度之間兩兩獨立。為了分析控制系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性，需要對機器人建立運動學模型，也為之后的動畫演示中的虛擬模型奠定演示基礎。

通常用D-H模型[6]建立坐標系對機器人進行運動學分析?？紤]到裝配誤差和加工誤差，垂直中心和水平中心之間會有偏移。綜合以上因素，機器人的D-H參數(shù)如表1所示。

表1 機器人連桿D-H參數(shù)Tab.1 D-H parameters of robot connecting rod

機器人末端執(zhí)行器在基坐標系中的位姿相對應的齊次變換矩陣為

根據(jù)給定的 θR、θS、Dv、DL、m 和 n 等參數(shù)可以確定末端執(zhí)行器具體位姿。

3 機器人控制系統(tǒng)圖形界面開發(fā)

圖形界面（GUI）為用戶提供了良好的交互界面，直觀而方便。目前，市場上使用較多的界面設計軟件有 MiniGUI、OpenGUI、MicroWindows 和 Qt。而Qt憑借其跨平臺、集成C++類、支持2D/3D渲染和高度的模塊化成為本課題的首選。

五大模塊為固定模塊，其余模塊添加需要借助工具欄中的“功能模塊”和“IO功能”協(xié)調(diào)控制?！肮δ苣K”實際上就是打開用戶編寫與調(diào)試完成后的應用模塊，如果是界面應用則會將之插入人機交互模塊的末端?！癐O功能”則在系統(tǒng)內(nèi)部提供8路輸出和8路輸入，每一路提供了輸入、輸出、控制等基本選項。1個功能模塊可以對應多個IO功能。

3.1 串口通信模塊

串口通信模塊是控制系統(tǒng)底層傳輸?shù)膶崿F(xiàn)模塊，本文采用RS485通訊接口，能支持主從式線路控制，即1臺主機對應多個機器人從機。RS485通訊作為通訊協(xié)議的一種，沿承了Modbus協(xié)議。Modbus通訊協(xié)議有ASCII和RTU 2種模式。RTU模式將發(fā)送數(shù)據(jù)的每一個字節(jié)視作2個十六進制進行發(fā)送，具有高效的傳輸速率和穩(wěn)定性。

本文采用Linux系統(tǒng)的串口資源實現(xiàn)所需的串口功能。程序使用open函數(shù)以訪問文件的方式打開串口。

串口打開之后，進行相應初始化，就可以調(diào)用按照通訊幀格式進行封裝的串口通訊模塊發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。

3.2 人機交互模塊

人機交互模塊是整個控制系統(tǒng)的核心組成部分，具有手動示教功能、自動軌跡功能、參數(shù)設置功能和I/O控制功能。每一個功能都對應一個圖形界面，方便用戶操作和控制機器人。

3.2.1 手動控制界面

手動控制界面分為示教核心部分、基本功能部分和拓展部分三大板塊。示教核心部分主要實現(xiàn)了關節(jié)坐標和直角坐標的切換功能，“參考點”和“記錄”用于動態(tài)設置參考點，“目標位置”用于輸入坐標絕對增量值；基本功能部分實現(xiàn)了上電、復位、回零和停止等基本機器人控制功能；拓展功能部分真正意義上實現(xiàn)了逐點調(diào)試和記錄示教的類似示教盒的功能。手動控制界面如圖2所示。

圖2 手動控制界面Fig.2 Manual control interface

用戶可以通過示教核心部分對機器人的一個位姿進行調(diào)試，如果滿意則可以通過“+示教點”按鈕提交該位姿，待所有位姿提交結束，可以借由“示教再現(xiàn)”和“示教歸位”觀看機器人位姿的連續(xù)變化。示教再現(xiàn)實現(xiàn)了機器人位姿按提交順序先后的運動變化，示教歸位則相反。

3.2.2 自動軌跡界面

自動軌跡界面同手動控制界面一樣也是控制系統(tǒng)的核心組成部分，該模塊和手動控制模塊類似，有所區(qū)別就是該模塊嵌入了三維動畫模塊。自動控制界面如圖3所示。

圖3 自動軌跡界面Fig.3 Automatically track interface

自動控制模塊添加了當前坐標顯示，用于顯示當前末端抓手相對于基坐標系的位置，其余功能和手動控制模塊類似。該模塊和手動控制模塊中的位姿數(shù)據(jù)都將保存在數(shù)據(jù)庫中，并與之同步。

3.3 文檔數(shù)據(jù)模塊

控制系統(tǒng)應當提供文件操作以支持系統(tǒng)外的編程數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)庫操作以支持系統(tǒng)在線編程，方便示教點和軌跡點的保存和管理。Qt為數(shù)據(jù)庫訪問提供的QtSql模塊實現(xiàn)了數(shù)據(jù)庫和Qt應用程序的無縫集成，同時為開發(fā)人員提供了一套與平臺具體所用數(shù)據(jù)庫均無關的調(diào)用接口。使用SQL語言對自動軌跡界面進行數(shù)據(jù)庫補充開發(fā)，如圖4所示。

圖4 自動軌跡數(shù)據(jù)庫Fig.4 Automatically track database

自動控制數(shù)據(jù)庫界面抬頭部分分別對應機器人的各個關節(jié)，左側數(shù)字則代表錄入的關節(jié)位姿順序，中間的數(shù)值則代表各關節(jié)運動的絕對增量值。下面部分則提供了數(shù)據(jù)庫的添加、刪除和提交功能，這些功能等同于之前介紹的相應功能。至于手動控制數(shù)據(jù)庫則雷同，在此不作贅述。

3.4 動畫演示模塊

動畫演示模塊是整個控制系統(tǒng)的核心組成模塊，主要實現(xiàn)同步播放機器人運動軌跡的功能。通過位置交互接口模塊，讀取伺服驅動器中描述編碼器數(shù)值的寄存器以獲得機器人每時刻的位置。然后，控制系統(tǒng)會將機器人位姿以圖像動畫的形式播放出來。本文借助OpenGL實現(xiàn)動畫這一功能。OpenGL[7]應用程序編程接口（API），很接近底層硬件，使得使用者無需考慮硬件細節(jié)便可直接編寫屬于用戶個人的圖形程序。

圖3中柱圖表示被控對象的工作范圍，當運動超出此工作范圍時，會警示操作者。本文將實現(xiàn)好的動畫演示模塊和自動軌跡模塊集成在一起，為了更加方便用戶觀察，還設置了只要機器人位姿發(fā)生變化控制系統(tǒng)就將交互界面切換到動畫演示界面的機制。

3.5 軌跡規(guī)劃模塊

軌跡規(guī)劃模塊負責對給定的示教點和軌跡點所形成的空間軌跡進行軌跡規(guī)劃和插補，以使得機器人能夠更為快速準確地達到期望位姿，提高控制系統(tǒng)的可靠性和精確性。軌跡規(guī)劃分為笛卡爾空間軌跡規(guī)劃和關節(jié)空間軌跡規(guī)劃。對一般機器人而言，更加關注的是末端執(zhí)行器在空間的運動軌跡，即采用笛卡爾空間軌跡描述的末端執(zhí)行器的路徑。為了保證機械末端抓手運動平滑，本文采用速度對時間的三次多項式軌跡規(guī)劃。圖5給出了末端執(zhí)行器期望位移 s（t）-速度 v（t）-加速度 a（t）曲線。

圖5 末端期望路徑曲線Fig.5 End expected path curve

由圖5可以看出，機器人末端空間直線段運動有加速、勻速、和減速3個階段，給出如下速度表達式：

經(jīng)過計算，可以獲得末端執(zhí)行器的坐標表達式：

4 機器人控制系統(tǒng)測試

針對四自由度的碼垛機器人對控制系統(tǒng)進行測試（測試平臺為ARM），這里只對自由軌跡模塊進行測試，根據(jù)碼垛機器人的參數(shù)可獲得末端執(zhí)行器初始坐標為（0，-700，500），單位為 mm。

根據(jù)圖4給出運動軌跡中4個點的運動坐標如表2所示。通過測試可以知道該控制系統(tǒng)基本上能將坐標誤差控制在1.5 mm以內(nèi)，大致符合碼垛機器人的特性所需要的精度要求。

表2 坐標對比Tab.2 Coordinates contrast

5 結語

針對當今機器人控制系統(tǒng)結構體系的演化，本文所實現(xiàn)的控制系統(tǒng)符合嵌入式和模塊化的潮流趨勢，在四自由度碼垛機器人上取得了一定成效，保證了穩(wěn)定性和可靠性，精確性具有良好體現(xiàn)。其模塊化的設計思想能大大縮短開發(fā)周期，為之后的模塊組建提供了良好的開發(fā)環(huán)境。本文的創(chuàng)新點就是實現(xiàn)了機器人工作狀態(tài)的動畫展示，將反饋的位姿狀態(tài)信息直接呈現(xiàn)給用戶，能實現(xiàn)非現(xiàn)場監(jiān)控等實際需求。其次，還提供了機器人工作軌跡的數(shù)據(jù)庫管理，方便用戶調(diào)試和管理。而IO功能的拓展則實現(xiàn)了生產(chǎn)線之間的同步運作。最為關鍵的則是提供了硬件無關和軟件無關的模塊動態(tài)加載方案，真正意義上實現(xiàn)了控制系統(tǒng)的拓展性和裁剪性。

雖然作者針對控制系統(tǒng)的開發(fā)做了大量研究工作，并取得了些許成效，但是仍有不足，需在今后的研究中完善動畫演示模塊以支持外部導入模型、支持硬件拓展等功能，進一步提高控制系統(tǒng)的兼容性和實用性。

[1]范永，譚民.機器人控制器現(xiàn)狀和展望[J].機器人，1999，21（1）：75-80.

[2]潘煉東.開放式機器人控制器及相關技術研究[D].武漢：華中科技大學，2007.

[3]Faina A，Bellas F，Souto D，et al.Towards an evolutionary design of modular robots for industry[C]//La Palma，Canary Islands，Spain：4th International Work-conference on the Interplay between Natural and Artificial Computation，2011.

[4]Murata S，Yoshida E，Kamimura A，et al.M-TRAN：self-reconfigurable modular robotic system[J].IEEE/ASME Transactions on Mechatronics，2002，7（4）：431-441.

[5]MATSUO Takayuki，ISHII Kazuo.Neural Oscillator Based Motion Control System for Snake-like Robot[C]//Symposium on Underwater Technology and Workshop on Scientific Use of Submarine Cables and Related Technologies，Tokyo，2007：397-402.

[6]施文龍.六軸工業(yè)機器人控制系統(tǒng)的研究與實現(xiàn)[D].武漢：武漢科技大學，2015.

[7]王晟.基于OPENGL的碼垛機器人離線編程仿真系統(tǒng)[D].武漢：武漢科技大學，2013.