开放式驱控一体化的工业机器人控制器研发_黄瑞宁

技术应用 Technique and application开放式驱控一体化的工业机器人黄瑞宁1楼云江1刘越2张运强1王政1,2吕恕2李泽湘2,3（1哈尔滨工业大学深圳研究生院，深圳，5固高5科技有限公司，深圳，518东莞华沖科技大学制造工程研究院，广东东莞，523808摘要：本文面向工业机器人应用，创新地提出了开放式驱动控制一体化的运动控制器架构，将常规运动控制器、常规驱动器的控制模块、工控机、安全控制卡、示教盒的CPU处理模块有机集成，形成一个一体化的运动控制器，提高了开放性，降低成本至原来的一半，缩短了用户产品的开发周期。关键词：工业机器人，驱控一体化技术应用 Technique and application技术应用 Technique and application0引言作为机器人的“大脑”，机器人控制器是影响机器人 性能的关键模块之一 1-2。目前，工业机器人所采用的控制 器基本上都是开发商基于自己的独特结构进行开发的，采 用专用计算机、专用机器人语言、专用操作系统、专用微 处理器，其控制器在机器人系统中是一个黑箱，与其他的 厂家之间并不兼容。随着机器人的广泛应用，不同应用领 域需要机器人控制器能够集成不同的周边设备、多种软件 功能模块及用户知识和工艺特征，而且希望控制器可以在 不同的软硬件平台间进行移植。应用的发展对机器人控制 器提岀了开放性的要求，而非开放式的工业机器人系统架 构在很大程度上限制了工业机器人的普及应用和发展 3-6。另外，为使伺服驱动系统的设计更加功能化，驱动控 制一体化的发展成为伺服驱动系统的新发展方向，这即是 指集成运动控制器、驱动器控制电路、工控机管理功能、 示教盒的CPU处理及安全控制卡功能为一体的运动控制器。 驱动和控制的集成使两者从设计、制造到运行和维护都更 加紧密地融合到一体，可使速度前馈、加速度前馈、低通 滤波等新的控制算法得以实现，并将功率级和模拟控制电 路以及保护等集成起来，产生一种集成功率模块，因此允 许新型控制器以相同甚至更小的外形尺寸取代传统的控制 器和驱动器。整个装置结构紧凑、接线减少、可靠性增加、 操作更简易，并且大大降低成本7-8。因此，开放式驱控一体化工业机器人控制器，在应用 及生产成本上都比目前国外产品具有优势，必须抓住有利 时机，大力、快速推进驱控一体化的运动控制器的研发和 产业化进程，将技术优势转化成为产品优势，推动我国自 主品牌的核心技术产品和机器人成套设备的开发和产业 化5。下文将对开放式驱控一体化的工业机器人控制器进 行详细分析。1控制器硬件系统现有的机器人伺服控制系统在硬件架构上由上位机、 运动控制器、驱动放大器和执行电机组成。上位机负责整 个系统管理以及运动学计算、轨迹规划等。上位机把规划 指令发送到运动控制器，运动控制器与传感器（一般是位 置传感器）构成位置环和速度环控制回路，而在一般驱动 器内同时也有速度环，同时还有电流环（或加速度环）， 在驱动器内，控制信号通过功率放大器放大后驱动电机运 转。因此，在运动控制器和驱动器中同时存在着控制功能 模块，并且有重复的速度环回路。对于通常的六轴工业机 器人，需要一个运动控制器和六个驱动器，驱动器中的控 制电路是分布式，造成了资源的浪费；同时，这种分布式 的架构，在信号传输上存在着隐患以及在信号传输速率上 存在瓶颈，限制工业机器人的实时性和快速性。技术应用 Technique and application技术应用 Technique and application基金项目 国家高技术研究发展计划（863计划）资助项目（2011AA04A103）Robot Technique and Application2013.2 I 33 1094-2013 China Academic Jvuriml Electronic Publishing 监 All rights rvscrvxd.htlpWwilielTechnique and application 技术应用本文开发一种开放式驱动控制一体化工业机器人控伺服驱动级和控制对象级。由于采用分布式CPU计算机Technique and application 技术应用Technique and application 技术应用制器，其采用一体化的硬件结构（CPU+DSP+FPG），充结构，可集成多个 CPU板卡，分为机器人主控制器，驱Technique and application 技术应用分为5级，包括组织协调级、规划控制级、GUC运动控制级、HMIGUCPLWEBBI脚嗽处BS顾 iASitUBl分发挥CPU和DSP各自的工作优势，并且集成了运动控 制技术、计算机技术、伺服控制技术、技术、网络技术，是综合性开放式控制平台。该控制器将嵌入式结构、 PC技术、专业运动控制技术有机结合，开发有适用于以 高速、高精度为特征的多轴控制系统，具有丰富的I/O、AD DA等外围接口。其特征是具备：模块化、稳定可靠 性、实时性、专业性、可扩展性。图1为开放式驱控一体化工业机器人控制器硬件体系丰书tr齐般已图1开放式驱控一体化的控制系统架构硬件体系图2为开放式驱控一体化的控制系统架构。层次结构控一体化控制器、光电隔离 I/O控制板、传感器处理板和 编程示教盒等。通过千兆网络进行高速并行数据交换，采 用纳秒级帧同步传输，高速总线通信，大吞吐量的数据交 互，实现真正意义上的全数字化高速伺服控制。机器人主 控制器完成机器人的运动规划、插补和位置伺服以及主控 逻辑、数字I/O、传感器处理等功能，编程示教盒完成信 息的显示和按键的输入，驱控一体化控制器完成实时运动 控制、连续轨迹运动控制、点位运动、位置速度时间运动 控制、速度控制、正逆解算法、多驱动共整流单元、高效 率永磁电动机矢量控制、速度和力矩前馈实时控制、实时 自动增益调节、高响应与高刚度动态控制等功能。另外， 编程示教盒作为机器人主控制器的一个外部设备，它们之 间也可通过高速 HMI进行通信。2开放式可重构机器人控制器软件系统平台 本文开发的控制器软件系统平台采用具有IEC61131-3标准编程环境的 OtoStudio 。OtoStu具有实时运动控制 功能、I/O控制功能、开放的软件架构、丰富的人机界面 等优点，集成了点位、连续轨迹、同步运动控制功能模 块，可实现点位（PTP）、速度（JOG、位置时间（PT）/位置速度时间（PVT）、直线插补、圆弧插补、刀向跟 随、样条插补、电子齿轮（GEAR和电子凸轮（ Follow）等运动控制。此外，还集成了PLCopen 的标准功能。OtoStudio提供符合IEC61131-3标准的六种编程语言，即:指令表、功能块图、连续功能图、梯形图、结构化文本、 顺序功能图，同时也兼容C或C+等高级语言，项目管理功能、编辑功能、人机交互功能及调试功能均基于高级 编程语言编制。控制器平台软件架构如图3所示，分为三层。其中开发与应用层可以实现应用程序的开发、人机界面的设 计、运动规划、逻辑管理及网络数据交互等。实时调度 层是绑定在控制器硬件上，用于实时运行程序及实时控 制层上操作指令的调度，管理本地I/O、远程I/O及以太网数据，显示人机界面。实时控制层实现运动控制、逻 辑控制及图像实时处理等功能。图4为内核之间数据交互与协调方式。Technique and application 技术应用图2开放式驱控一体化的控制系统架构34 I机器人技术与应用2013.2Technique and application 技术应用Technique and application 技术应用E-lciron ic Pijbli shi jiu. I Lj u 31技术应用Technique and application统图5为开枚式可重组机器人开发平台应用示例实时WtQd盘諾逋片秋*1W4tW图3开放式可更构机器人控制平台软件架构.址图4内核之间数据交互与协调图5开放式可更组机器人开從平台应用示例135Robot Technique and Application2013.2ItliiJikJtask_s4BJl 启否为 MTask slartttTnskUpdnle：很钢划QTtf丿Jf畔欢逝雜更新及覺伽忖的丁忙状态豹棋兀tik_starlup W SttitTh-WMOT的杲巴 曼鼠 M始疣命令乩到客戶仪需要对机械木休进行模回辨识强搖调用机器示教文件餅折器.以尢网通信协復包、机器人界面幵机器人朕本控制模块，机器人槐割修改模块，机器人|JiM*kc：iMizid 0 与PeckMci tbsiuuid 0 ；检 MfCUI TT无揑K并执疔删tfc发的It飢下笈苗庙蛊|1甘析执行发模块.弧焊点悍接口模块，幄賤基数设程模块开发平台不仅具有OtoStudio所冇功能.还提拱人按世修改模块，就可以立域机器人本体的控制用TalsPtar肛根据TA的工作获式哑险讪S勺丄作状衣 fEswpsJiOnJ ”赴用飢” Fife的持咋和示软宜fl .:Trask I柞花ifltfRakhMiMkdHHiard F 眩希令；为T皿k. l：fb 朴 Aiud 極贰时，I，上槪斥乳丄丰I “完应解析肛弄怎櫛酣性朴接到斛折盘布哼 乩列tGuiTaskJ1时屮，忸TsakExeculdfi救地理根诛Twk 5JT诃坎石,空.詬GUI血播臥枷們找石,EI耳帀顾 tERROR.最仲芯程机f滞令JEXEC）諒*l! Electronic PulHMf应用层* 十人轨更耳轧港奥J -AEif-*Il4* +nLa -. . 4 .上层调用權块肯GUI町谒用的FJjfffiBtr MOTsi CUT通过全崗第构讣传下来們恂令F 2; 前岭读耽解析示證立件的轴出揃時1 芜运旳冲W奥块（X1OT）忆1来的状_&电新.出:1.任务辑度槽鮭理好的GUI和解析豪下輩的 捋警，输出到MOT的指号阪列中；1=果抓祸创的狀生垃丨曲;L；的轨决眾Tajk的 択吿，的Tfl：狀忘，虻理Technique and application 技术应用户通过图形界面完成控制运算插补控制进程的功能。2）任务调度模块包含机器人语言解析器，能够对机 器人语言代码文件进行读取和解析，然后变成一条一条的 指令发送到运算插补控制进程中执行，从而实现机器人的 自动运行。3）读取运算插补控制进程的实时反馈的状态，并根 据运算插补控制进程的状态，作出相应的处理或者发送相 应的指令，以保证运算插补控制进程的安全正确运行。处理任务解析器内部指令分两种情况：一种是直接下 发到任务解析器与运动轨迹规划共享的命令队列中；一种 是先挂接到解析器命令队列上，如示教文件的命令流，再 读取解析器命令队列，并把命令下发到任务解析器与运动 轨迹规划共享命令队列中。然后读取MOT的状态，监测并管理MOT的运行。图7为任务调度模块内部流程图。采用电机编码器（从驱动器中读取）和激光跟踪仪（仅用于位姿重复度测试）进行测量。本实验首先选取5个要测量的点作为试验位姿（手腕参考点位置）：P1（ 1750,0，650）， P2（ 2150，400，1050）， P3（ 2150，-400，1050）， P4（ 1350，-400，250）， P5（ 1350，400，250）。实验速度为 630mm/s，负载为150kg，测试30次取平均值。试验结果如下：图8位置准确度（编码器测量）图9姿态准确度（编码器测量）每一点的 X、Y、ZZ方向Technique and application 技术应用TaskPlanRt 用隔 WED 遵MItobotC ?ouiinandHt|ffcr：KUUUl _ LASK_COMMAD 畑.；kaWContunandBuOer 构体Technique and application 技术应用Technique and application 技术应用4粘:udomrnjiniij解析播命令队兀 （GujTatkPtrTaskF-xectrlc抽:快器命杜itGuiTjikru:MOT图12位置重复度（激光跟踪仪）图13多方向位置准确度变动（编码器） 每一点的X、Y、Z方向Mati-nnlJpdateRuboS.SlatLiis.td.s.kTechnique and application 技术应用测试结果表明：本文开发的控制系统达到了高速度、高精Technique and application 技术应用距离准确度距离重复度-3.413e-033.338e-041距离准确度和距离重复度题。36 I机器人技术与应用2013.2（下转40页）7任务调度模块内部流程图4试验选取Staubli RX260机器人本体，利用本文开发的机 器人控制系统进行控制试验。根据GB/T 12642-2001的规定选择位置准确度、位姿重复性、多方向位姿准确度变 动、距离准确度和距离重复性作为测试项目。测量设备度的工业应用需求。5结语本文基于机器人轨迹优化理论和控制理论，结合工业 机器人行业高精密、高速度、智能化、网络化、模块化和 可重构的发展趋势，开发了开放式驱控一体化的工业机器 人控制器。该控制器硬件平台集成度高、结构紧凑、可靠 性高；具有开放式和兼容性、网络化的特点；将位置环、 速度环以及速度环电流补偿在统一平台上处理，从根本上 解决异步和简单解耦引起的多种非线性误差难以解决的难Technique and application 技术应用Technique and application 技术应用inic Jounial Elctrjnic Puhlishiim IlcuTechnique and application 技术应用经将4自由度软机械臂应用于中医推拿治疗领域，建立了 腰痛中医点按机器人平台。该平台可以逼真地模拟出点按、 指揉、弹拨3种推拿手法，假体和临床实验结果均表明机 器人与医师的推拿效果相仿。4性能指标柔性一体化关节及4自由度软机械臂的性能指标见表1、表 2。1柔性一体化关节的性能指标项目参数直径90mm长度155mm功率190W额定输出力矩70Nm极限输出扭矩160Nm力矩分辨率0.336Nm质量2.1kg2 4自由度软机械臂性能指标自由度4臂长809.4mm工作空间190mmx 150mmx 200mm质量15.2kg负载10kg5. 市场状况目前国内市场上机器人还停留在传统的刚性工业机 器人框架下，通过柔顺控制算法实现对环境的柔顺性。但 是，由于受到传感器测量带宽和计算机速度的限制，导致 其不能对快速冲击及时响应。所以，这样的机器人安全性 无法保障，很难与人和谐相处，不能满足消费市场对“可 与人类友好交互的机器人”的需求，而且国内尚没有关于 此类机器人产品化的报道。目前国外已经有部分研究机构对该领域开展了深入 的研究，其研究成果逐渐进入到市场，如德国宇航中心 (DLR)、美国 Meka Robotics公司。综上所述，柔性关节和软机械臂具有极大的研究意 义，其研究成果可以使机器人在性能和安全性方面踏上一 个新的台阶，拥有广阔的市场前景。6. 产品效益分析本单位所研制的柔性一体化关节采用机电一体的模 块化设计，具有高内聚、高集成化、高输出力矩和内在柔 性等特点，适于批量化生产，可以快速地搭建出可与人类 或环境友好交互的机器人，具有很高的市场推广价值，通 过相关技术转化会带来较大的经济效益。4自由度仿人软机械臂具有安全性、友好性、便于快 速安装维修等特点，可以应用在安装、维修、装配等需要 与人类密切协调的场合，还可以应用于与人类安全接触的 如按摩、康复等操作的服务机器人领域。因此，通过对相 关技术的转化，可以改变现有机器人很难与人类和谐相处 的局面，从而产生巨大的经济和社会效益。Technique and application 技术应用Technique and application 技术应用(上接36页)软件平台提供了机器人基本控制模块、机器 人模型修改模块、机器人示教文件解析器、以太网通信协议 包、机器人界面开发模块、弧焊/点焊接口模块、焊接参数 设置模块。用户仅需要对机械本体进行模型辨识，直接调用 机器人模型修改模块，就可以完成机器人本体的控制。用户 通过调用完整、成熟、稳定的机器人控制函数功能实现对机 器人轨迹的控制与优化，并可以根据不同应用行业需求搭建 符合本行业特殊工艺要求的专用机器人控制系统。Technique and application 技术应用Technique and application 技术应用参考文献1 蔡自兴.机器人学M:清华大学出版社，2000.2 Ferretti G, Magnani G, Putz P, Rocco P. 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