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運(yùn)動(dòng)控制模塊選用TI公司的OMAPL138雙核處理器芯片，它集成了TMS320C674xDSP內(nèi)核和ARM926EJ-S雙核，具有高性能與低功耗的特性。ARM內(nèi)核完成非實(shí)時(shí)性的指令解釋、軌跡規(guī)劃、數(shù)據(jù)管理、任務(wù)管理、網(wǎng)絡(luò)通信等工作，DSP內(nèi)核由于具有強(qiáng)大計(jì)算能力完成插補(bǔ)計(jì)算、逆運(yùn)動(dòng)學(xué)、速度和位置控制、I/O控制等實(shí)時(shí)任務(wù)。位置控制FPGA芯片包含多軸插補(bǔ)、位置PID等電路，采用了ALTERA公司的EP1C3T144芯片，通過加載不同的程序來實(shí)現(xiàn)功能重構(gòu)。為了提高多軸聯(lián)動(dòng)插補(bǔ)速度，插補(bǔ)算法采取軟插補(bǔ)(粗)+硬插補(bǔ)(精)結(jié)合的模式，硬插補(bǔ)基于數(shù)字脈沖乘法器來實(shí)現(xiàn)。該模塊與驅(qū)動(dòng)器的連接接口提供了兩種形式:數(shù)字脈沖量接口、工業(yè)以太網(wǎng)接口，工業(yè)以太網(wǎng)接口可兼容多種驅(qū)動(dòng)器的通信協(xié)議，目前已實(shí)現(xiàn)了Mecha-trolinkIII協(xié)議，這是由日本安川公司提出的一種符合EEE802.3u標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)協(xié)議，傳輸速度可達(dá)到100Mbps。OMAPL138雙核處理器芯片能提供豐富的外圍接口，包括以太網(wǎng)、USB、RS232等接口，通過以太網(wǎng)接口實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)控制模塊與示教模塊的通信。

示教模塊由OMAPL138雙核處理器電路、48個(gè)按鍵和5.7寸640×480彩色TFT組成，按鍵包括編輯鍵、手動(dòng)操作鍵、示教編程鍵及功能鍵組成。為保證功能重構(gòu)與硬件平臺(tái)無關(guān)，采用Win-dowsCE6.0操作系統(tǒng)。該模塊包含的軟件功能構(gòu)件有:文件管理、示教編程、參數(shù)設(shè)置、參數(shù)管理、圖形模擬、以太網(wǎng)通信等。I/O模塊負(fù)責(zé)邏輯控制功能，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人與周邊設(shè)備的協(xié)調(diào)作業(yè)任務(wù)。CAN協(xié)議是建立在國際標(biāo)準(zhǔn)組織開放系統(tǒng)互連模型之上，協(xié)議簡單，最高通信速率可達(dá)1Mbit/s，直接傳輸距離高達(dá)10km，采取多主線工作方式，高抗電磁干擾性、糾錯(cuò)能力強(qiáng);同時(shí)，CAN接口安裝方便、成本低。本論文選用CAN總線作為運(yùn)動(dòng)控制器與I/O模板之間的數(shù)據(jù)通信方式。2)工業(yè)以太網(wǎng)通信協(xié)議機(jī)器人示教模塊與運(yùn)動(dòng)控制模塊的以太網(wǎng)通信功能采用套接字(Sock-et)方式來實(shí)現(xiàn)，Socket接口分為兩部分:客戶端和服務(wù)器，這里示教模塊作為客戶端，運(yùn)動(dòng)控制模塊作為服務(wù)器。本文采用的通信模式采用主從方式，示教模塊為主動(dòng)方，發(fā)送機(jī)器人運(yùn)動(dòng)程序、控制參數(shù)和命令字，用來控制機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)動(dòng)作，而運(yùn)動(dòng)控制模塊實(shí)時(shí)地將坐標(biāo)數(shù)據(jù)及狀態(tài)參數(shù)上傳給示教模塊。在開始通信時(shí)，將首先進(jìn)行握手連接。

數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議定義了命令和數(shù)據(jù)兩類報(bào)文形式，命令報(bào)文用來控制機(jī)器人的運(yùn)行動(dòng)作和流程，定義成標(biāo)準(zhǔn)的報(bào)文格式;數(shù)據(jù)報(bào)文用來傳送機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)程序和參數(shù)，數(shù)據(jù)量比較大，定義成一種擴(kuò)展報(bào)文格式。標(biāo)準(zhǔn)報(bào)文格式有7個(gè)字節(jié)，第1個(gè)字節(jié)是報(bào)文頭標(biāo)識(shí)符，用來標(biāo)識(shí)一次通訊的開始，本報(bào)文設(shè)為“%”。第2個(gè)字節(jié)是報(bào)文類型段，用來標(biāo)識(shí)傳輸?shù)南㈩愋秃吞幚砟Ｊ?，定義的消息類型為:命令、數(shù)據(jù)，并提供了了兩種報(bào)文處理模式:實(shí)時(shí)性和非實(shí)時(shí)性。當(dāng)需要機(jī)器人完成急停處理、復(fù)位處理及超程報(bào)警等任務(wù)時(shí)，則傳送具有實(shí)時(shí)性標(biāo)識(shí)的報(bào)文;對(duì)一般的機(jī)器人處理任務(wù)，將報(bào)文標(biāo)識(shí)為非實(shí)時(shí)性。報(bào)文的長度由第3、4字節(jié)標(biāo)識(shí)，最長為65536字節(jié)。第5、6字節(jié)為數(shù)據(jù)段，第7個(gè)字節(jié)用“＆”來標(biāo)識(shí)報(bào)文尾。當(dāng)傳輸?shù)男畔㈩愋蜆?biāo)識(shí)為數(shù)據(jù)時(shí)，使用了一種擴(kuò)展報(bào)文格式，此時(shí)數(shù)據(jù)段長度可以達(dá)到2K字節(jié)。示教模塊按照?qǐng)?bào)文通信協(xié)議將需要發(fā)送的數(shù)據(jù)封裝起來，再使用傳送函數(shù)將數(shù)據(jù)下傳給運(yùn)動(dòng)控制模塊，包括程序、參數(shù)、命令字。在數(shù)據(jù)報(bào)文中如果是多個(gè)程序指令，則不同指令之間用“\r\n”隔開，如:“%0x004D指令1\r\n指令2\r\n．．．．．．＆”。數(shù)據(jù)報(bào)文中參數(shù)按一定次序排列，用“;”隔開，如:“%0x004B參數(shù)1;參數(shù)2;．．．．．．＆”。示教模塊下傳、接收的部分?jǐn)?shù)據(jù)報(bào)文定義。

工業(yè)機(jī)器人控制軟件的重構(gòu)方法

模塊化機(jī)器人的控制軟件都應(yīng)當(dāng)具備可剪裁性或多重性，整個(gè)體系結(jié)構(gòu)應(yīng)當(dāng)能夠被重新配置，以滿足多種應(yīng)用領(lǐng)域的需求，具備理想“開放性”概念的控制軟件應(yīng)可被拆分為多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)部件。為了實(shí)現(xiàn)上的方便同時(shí)又滿足組態(tài)的特性，本文提出了一個(gè)柔性的軟件框架結(jié)構(gòu)?！叭嵝浴迸c“開放性”這2個(gè)概念有不同點(diǎn)，但又具有相同的特性，“開放性”側(cè)重與外部系統(tǒng)通過定義標(biāo)準(zhǔn)的接口相互操作，而“柔性”是指系統(tǒng)能通過改變自身結(jié)構(gòu)以適應(yīng)外部環(huán)境的能力。這種柔性控制系統(tǒng)采用基于構(gòu)件的組態(tài)結(jié)構(gòu)，其軟件由三部分組成:嵌入式柔性控制系統(tǒng)開發(fā)平臺(tái)、機(jī)器人功能構(gòu)件庫和運(yùn)動(dòng)規(guī)劃與控制算法構(gòu)件庫。嵌入式柔性控制系統(tǒng)開發(fā)平臺(tái)用來實(shí)現(xiàn)功能構(gòu)件封裝、系統(tǒng)配置等任務(wù)。針對(duì)模塊化機(jī)器人控制系統(tǒng)具有多功能和多對(duì)象的特點(diǎn)，控制軟件的整體結(jié)構(gòu)流程被設(shè)計(jì)成前臺(tái)、后臺(tái)程序模塊，后臺(tái)模塊也稱為"背景"程序，主要用來完成控制指令的準(zhǔn)備工作和參數(shù)管理工作，前臺(tái)模塊是一個(gè)循環(huán)執(zhí)行運(yùn)行的程序，它是整個(gè)控制系統(tǒng)的核心。在系統(tǒng)運(yùn)行過程中采用實(shí)時(shí)中斷服務(wù)程序輸出，前后臺(tái)模塊相互配合完成機(jī)器人控制系統(tǒng)的各項(xiàng)控制和管理任務(wù)。功能構(gòu)件的程序模式由配置腳本文件指定。構(gòu)件化結(jié)構(gòu)關(guān)鍵是構(gòu)件的提取，即對(duì)可重用對(duì)象的提煉概括。通過良好地定義這些對(duì)象之間相互通信的接口，可以將這些基本對(duì)象或?qū)⑺鼈冞M(jìn)一步分析以后形成的粒度更小的對(duì)象，在開發(fā)過程中加以重用。本文建立的構(gòu)件庫由用戶層構(gòu)件庫和核心層構(gòu)件庫組成，兩者之間通過標(biāo)準(zhǔn)硬件接口進(jìn)行通信。用戶層構(gòu)件庫包括人機(jī)界面、示教編程、運(yùn)動(dòng)規(guī)劃、參數(shù)管理等非實(shí)時(shí)構(gòu)件庫。由于用戶層使用WindowsCE操作系統(tǒng)，軟件模塊采用COM構(gòu)件來實(shí)現(xiàn)。核心層構(gòu)件庫包括譯碼處理、速度控制、位置控制、運(yùn)動(dòng)學(xué)、逆運(yùn)動(dòng)學(xué)等機(jī)器人作業(yè)的實(shí)時(shí)性任務(wù)。由于核心層沒有使用操作系統(tǒng)，本文利用功能函數(shù)形式實(shí)現(xiàn)。各種功能構(gòu)件按標(biāo)準(zhǔn)接口進(jìn)行封裝，功能構(gòu)件的接口。

控制模型及算法構(gòu)件庫設(shè)計(jì)

模塊化機(jī)器人柔性控制系統(tǒng)的性能很大程度上依賴于控制模型與算法，已開發(fā)的模型算法構(gòu)件包括:指令譯碼、機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)、逆運(yùn)動(dòng)學(xué)、速度控制、關(guān)節(jié)插補(bǔ)、閉環(huán)位置控制等。主要由譯碼處理、直角坐標(biāo)計(jì)算、插補(bǔ)運(yùn)算、逆運(yùn)動(dòng)學(xué)、加減速及位置控制等模塊組成。圖中各參數(shù)含義為:(X，Y，Z，U，V，W)表示譯碼后的坐標(biāo)數(shù)據(jù)，Q為坐標(biāo)系選擇標(biāo)志，F(xiàn)為指令速度，Type為運(yùn)動(dòng)方式標(biāo)志位，(α，β，γ)和(px，py，pz)分別表示機(jī)器人末端的位置和姿態(tài)，(q1，j，q2，j，…，q6，j)為第j個(gè)插補(bǔ)周期的關(guān)節(jié)坐標(biāo)。直角坐標(biāo)計(jì)算模塊的功能為利用機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)將關(guān)節(jié)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為機(jī)器人末端的位置和姿態(tài)。插補(bǔ)模塊的功能是根據(jù)軌跡運(yùn)動(dòng)方式、軌跡起止坐標(biāo)及速度等參數(shù)，進(jìn)行關(guān)節(jié)坐標(biāo)系或直角坐標(biāo)系下的插補(bǔ)運(yùn)算。在直線坐標(biāo)系下插補(bǔ)計(jì)算得到的機(jī)器人末端位置和姿態(tài)，需利用機(jī)器人逆運(yùn)動(dòng)學(xué)將其轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的關(guān)節(jié)坐標(biāo)，從而控制各伺服系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)。1)關(guān)節(jié)軌跡插補(bǔ)構(gòu)件關(guān)節(jié)軌跡插補(bǔ)用于計(jì)算各個(gè)插補(bǔ)周期內(nèi)的各關(guān)節(jié)進(jìn)給量，以保證末端執(zhí)行器的平滑、穩(wěn)定運(yùn)行。關(guān)節(jié)軌跡插補(bǔ)由2個(gè)構(gòu)件實(shí)現(xiàn)，非實(shí)時(shí)函數(shù)structinter_stepjoint_inter_pre(structinter_in*st_end)用于計(jì)算單個(gè)插補(bǔ)周期內(nèi)的各關(guān)節(jié)的進(jìn)給量，實(shí)時(shí)函數(shù)structRobot_jointslocomotion_joint(structinter_step*q_step，structinter_in*st_end，structRobot_joints*q_BK）用于計(jì)算插補(bǔ)周期各關(guān)節(jié)的坐標(biāo)值。構(gòu)件入口參數(shù)為結(jié)構(gòu)體型參數(shù)structinter_in*st_end，其中包括初始關(guān)節(jié)坐標(biāo)Qs(q1，s，q2，s，…，q6，s)，目標(biāo)關(guān)節(jié)坐標(biāo)Qe(q1，e，q2，e，…，q6，e)和關(guān)節(jié)速度F，出口參數(shù)為各插補(bǔ)周期關(guān)節(jié)位置q。2)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)構(gòu)件機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)構(gòu)件用于實(shí)現(xiàn)機(jī)器人關(guān)節(jié)坐標(biāo)系的坐標(biāo)到機(jī)器人末端的位置和姿態(tài)之間坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。該構(gòu)件被封裝為structRobot_T6cal_t6(structRobot_joints*q)，入口參數(shù)為機(jī)器人關(guān)節(jié)坐標(biāo)(q1，q2，…，q6)(structRobot_joints*q)，出口參數(shù)為機(jī)器人末端的位置和姿態(tài)T6(structRo-bot_T6*T6)，公共接口參數(shù)為機(jī)器人的Denavit-Hartenberg(D-H)參數(shù)(structDH_para*DH)，即關(guān)節(jié)角(θ1，θ2，…，θ6)、扭轉(zhuǎn)角(α1，α2，…，α6)、連桿長度(a1，a2，…，a6)和連桿偏移量(d1，d2，…，d6)等。計(jì)算思路為根據(jù)機(jī)器人D-H坐標(biāo)系建立原則，建立連桿坐標(biāo)系，利用DH連桿參數(shù)計(jì)算相鄰連桿之間的連桿變換矩陣Ai(i=1，2，…，6)，用以描述相鄰連桿坐標(biāo)系之間的坐標(biāo)變換關(guān)系。通過各連桿變換矩陣相乘，就可以得到機(jī)器人末端的變換矩陣。3)逆運(yùn)動(dòng)學(xué)構(gòu)件機(jī)器人逆運(yùn)動(dòng)學(xué)構(gòu)件用于實(shí)現(xiàn)機(jī)器人末端的位置和姿態(tài)到機(jī)器人關(guān)節(jié)坐標(biāo)系的坐標(biāo)之間的映射，從而對(duì)機(jī)器人末端路徑進(jìn)行規(guī)劃，達(dá)到機(jī)器人整體運(yùn)動(dòng)的精確控制。該構(gòu)件被封裝為structRobot_jointsrobot_rev(structRobot_T6*T6，structRobot_joints*q_BK)，入口參數(shù)為機(jī)器人末端的位置和姿態(tài)T6(structRobot_T6*T6)，上一位置的機(jī)器人關(guān)節(jié)坐標(biāo)(q1，j-1，q2，j-1，…，q6，j-1)(structRobot_joints*q_BK)，出口參數(shù)為當(dāng)前位置的機(jī)器人關(guān)節(jié)坐標(biāo)(q1，j，q2，j，…，q6，j)(structRobot_joints*q)，公共接口參數(shù)為機(jī)器人D-H參數(shù)，機(jī)器人各關(guān)節(jié)最小允許坐標(biāo)(q1，min，q2，min，…，q6，min)(doubleQmin［6］)和最大允許坐標(biāo)(q1，max，q2，max，…，q6，max)(doubleQmax［6］)。計(jì)算思路為根據(jù)機(jī)器人末端的變換矩陣，利用解析法求解各關(guān)節(jié)坐標(biāo)。由于逆運(yùn)動(dòng)學(xué)求解存在多解問題，根據(jù)機(jī)器人動(dòng)作范圍(qi，j∈［qi，min，qi，max］，i=1，2，…，6)對(duì)其進(jìn)行判定，去除不可達(dá)的解。將當(dāng)前軌跡點(diǎn)計(jì)算出的六關(guān)節(jié)坐標(biāo)qi，j與上一位置的關(guān)節(jié)坐標(biāo)qi，j-1進(jìn)行比較，選取Δq=|qi，j－qi，j-1|最小的qi，j值作為所求的關(guān)節(jié)坐標(biāo)。4)譯碼處理構(gòu)件譯碼構(gòu)件的功能是將示教盒下傳的各條機(jī)器人指令進(jìn)行譯碼，譯碼結(jié)果首先放入CS第一級(jí)緩存，并根據(jù)命令做相應(yīng)的預(yù)處理，如段長計(jì)算、圓弧半徑處理等，然后經(jīng)過BS寄存器最后譯碼到AS執(zhí)行寄存器，構(gòu)成三級(jí)緩存結(jié)構(gòu)，為最終的指令執(zhí)行做好準(zhǔn)備。我們?cè)O(shè)計(jì)的機(jī)器人語言格式如下:語句序列為［＜標(biāo)號(hào)＞］?＜執(zhí)行句＞＜語句分隔符＞|［＜標(biāo)號(hào)＞］?＜注釋句＞＜語句分隔符＞其中，標(biāo)號(hào)由4位數(shù)字構(gòu)成。執(zhí)行句為〈定義語句〉＜機(jī)器人控制語句＞〈程序控制語句〉〈輸入輸出語句〉〈賦值語句〉定義語句為〈位姿定義〉〈坐標(biāo)系定義〉例如，“MOVJVJ=500S0L-90U0R0B45T0;{關(guān)節(jié)插補(bǔ)}”為一個(gè)執(zhí)行句。機(jī)器人譯碼處理由詞法分析構(gòu)件、語法分析和代碼轉(zhuǎn)換構(gòu)件來實(shí)現(xiàn)。詞法分析構(gòu)件由函數(shù)voidAccidenceCheck(char*mem，intmemsize)實(shí)現(xiàn)，用于檢查機(jī)器人程序中不符合詞法規(guī)則的指令。語法分析和代碼轉(zhuǎn)換構(gòu)件由函數(shù)structUnRegInCode2Cs(char*mem，intmemsize)實(shí)現(xiàn)，用于根據(jù)機(jī)器人指令的規(guī)則對(duì)機(jī)器人代碼進(jìn)行逐行檢查，將機(jī)器人程序各種作業(yè)信息提取出來，保存到CS緩沖區(qū)中。

機(jī)器人控制系統(tǒng)現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

利用本文提出的嵌入式柔性控制系統(tǒng)開發(fā)平臺(tái)，在某種型號(hào)關(guān)節(jié)機(jī)器人上進(jìn)行了應(yīng)用實(shí)驗(yàn)。該關(guān)節(jié)機(jī)器人技術(shù)指標(biāo)為:6個(gè)運(yùn)動(dòng)軸，重復(fù)定位精度為0.1mm，各關(guān)節(jié)最大運(yùn)行速度是S軸(回旋)為45°/s、L軸(下臂)為45°/s、U軸(上臂)為30°/s、R軸(手腕橫擺)為60°/s、B軸(手腕俯仰)為60°/s、T軸(手腕回轉(zhuǎn))為120°/s，最大負(fù)載為3kg。機(jī)器人控制系統(tǒng)硬件由六軸運(yùn)動(dòng)控制模塊、示教模塊和IO模塊構(gòu)成，控制軟件包括人機(jī)界面、示教編程、參數(shù)設(shè)置、插補(bǔ)計(jì)算、譯碼處理、速度控制、位置控制、運(yùn)動(dòng)學(xué)、逆運(yùn)動(dòng)學(xué)等功能，為機(jī)器人控制系統(tǒng)軟件編寫了配置文件，給出組件間的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。不帶機(jī)器人本體時(shí)軌跡位置最大誤差為0.08mm，姿態(tài)最大誤差為0.2°，帶本體時(shí)軌跡位置最大誤差為0.1mm，姿態(tài)最大誤差為0.6°。該型號(hào)機(jī)器人軌跡位置理論值允許誤差為0.1mm，因此可以滿足該型號(hào)機(jī)器人控制精度要求。機(jī)器人控制系統(tǒng)經(jīng)過長時(shí)間運(yùn)行，結(jié)果表明采用嵌入式柔性控制系統(tǒng)可增加機(jī)器人系統(tǒng)的開放性和可擴(kuò)展性，軟硬件配置方便，控制系統(tǒng)可靠性高。

結(jié)語

針對(duì)模塊化機(jī)器人對(duì)控制系統(tǒng)的實(shí)際需求，本文提出一種柔性的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，它可解決基于嵌入式系統(tǒng)的機(jī)器人控制功能重構(gòu)問題，而以往的模塊化機(jī)器人控制系統(tǒng)的研究主要是基于PC平臺(tái)的。該機(jī)器人控制系統(tǒng)的軟硬件功能模塊被抽取成標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件，為滿足機(jī)器人對(duì)控制系統(tǒng)計(jì)算能力和小型化的要求，硬件模塊采用了雙核處理器并利用現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)接口實(shí)現(xiàn)之間的通信。機(jī)器人控制軟件采用了基于構(gòu)件的組態(tài)結(jié)構(gòu)，它由柔性嵌入式控制系統(tǒng)開發(fā)平臺(tái)、機(jī)器人功能構(gòu)件庫和運(yùn)動(dòng)規(guī)劃與控制算法構(gòu)件庫三部分組成，所有軟件模塊都按標(biāo)準(zhǔn)接口進(jìn)行封裝。所開發(fā)的控制系統(tǒng)在六關(guān)節(jié)模塊工業(yè)機(jī)器人上進(jìn)行了應(yīng)用，現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)表明該系統(tǒng)性能穩(wěn)定可靠，能適應(yīng)模塊化機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)和作業(yè)任務(wù)的變化需求，可使開發(fā)周期大大縮短。

作者：曹建福汪霖單位：西安交通大學(xué)機(jī)械制造系統(tǒng)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室