第1个回答 2011-11-09
基于DSP运动控制器的5R工业机器人系统设计
摘要：以所设计的开放式5R关节型工业机器人为研究对象，分析了该机器人的结构设计。该机器人采
用基于工控PC及DSP运动控制器的分布式控制结构，具有开放性强、运算速度快等特点，对其工作原理
进行了详细的说明。机器人的控制软件采用基于Windows平台下的VC 实现，具有良好的人机交互
功能，对各组成模块的作用进行了说明。所设计的开放式5R工业机器人系统，具有较好的实用性。
关键词：开放式；关节型；工业机器人；控制软件
0引言
工业机器人技术在现代工业生产自动化领域得到
了广泛的应用，也对工程技术人员提出更高的要求，作
为机械工程及自动化专业的技术人才迫切需要掌握这
一
先进技术。为了能更好地加强技术人员对工业机器
人的技能实践与技术掌握，需要开放性强的设备来满
足要求。本文阐述了我们所开发设计的一种5R关节
型工业机器人系统，可以作为通用的工业机器人应用
于现场，也可作为教学培训设备。
1 5R工业机器人操作机结构设计
关节型工业机器人由2个肩关节和1个肘关节进
行定位，由2个或3个腕关节进行定向，其中一个肩关节
绕铅直轴旋转，另一个肩关节实现俯仰，这两个肩关节
轴线正交。肘关节平行于第二个肩关节轴线。这种构
型的机器人动作灵活、工作空间大，在作业空间内手臂
的干涉最小，结构紧凑，占地面积小，关节上相对运动部
位容易密封防尘，但运动学复杂、运动学反解困难，控制
时计算量大。在工业用应用是一种通用型机器人¨。
1．1 5R工业机器人操作机结构
所设计的5R关节型机器人具有5个自由度，结构
简图如图1所示。5个自由度分别是：肩部旋转关节
J1、大臂旋转关节J2、小臂旋转关节J3、手腕仰俯运动
关节J4和在旋转运动关节J5。总体设计思想为：选用
伺服电机(带制动器)驱动，通过同步带、轮系等机械机
构进行间接传动。腕关节上设计有装配手爪用法兰，
通过不断地更换手爪来实现不同的作业任务。
1．2 5R工业机器人参数
表1为设计的5R工业机器人参数。
2 5R工业机器人开放式控制系统
机器人控制技术对其性能的优良起着重大的作用。随着机器人控制技术的发展，针对结构封闭的机
器人控制器的缺陷，开发“具有开发性结构的模块化、
标准化机器人控制器”是当前机器人控制器发展的趋
势]。为提高稳定性、可靠性和抗干扰性，采用“工业
PC DSP运动控制器”的结构来实现机器人的控制：伺
服系统中伺服级计算机采用以信号处理器(DSP)为核
心的多轴运动控制器，借助DSP高速信号处理能力与
运算能力，可同时控制多轴运动，实现复杂的控制算法
并获得优良的伺服性能。
2．1基于DSP的运动控制器MCT8000F8简介
深圳摩信科技公司MCT8000F8运动控制器是基
于网络技术的开放式结构高性能DSP8轴运动控制器，
包括主控制板、接口板以及控制软件等，具有开放式、
高速、高精度、网际在线控制、多轴同步控制、可重构
性、高集成度、高可靠性和安全性等特点，是新一代开
放式结构高性能可编程运动控制器。
图2为DSP多轴运动控制器硬件原理图。图中增
量编码器的A0(／A0)、B0(／B0)、c0(／CO)信号作为
位置反馈，运动控制器通过四倍频、加减计数器得到实
际的位置，实际位置信息存在位置寄存器中，计算机可
以通过控制寄存器进行读取。运动控制卡的目标位置
由计算机通过机器人运动轨迹规划求得，通过内部计
算得到位置误差值，再经过加减速控制和数字滤波后，
送到D／A转换(DAC)、运算放大器、脉宽调制器
(PWM)硬件处理电路，转化后输出伺服电机的控制信
号或PWM信号。各个关节可以完成独立伺服控制，能
够实现线性插补控制、二轴圆弧插补控制。
2．2机器人控制系统结构及工作原理
基于PC的Windows操作系统，因其友好的人机界
面和广泛的用户基础，而成为基于PC控制器的首选。
采用PC作为机器人控制器的主机系统的优点是：①成
本低；②具有开放性；③完备的软件开发环境和丰富的
软件资源；④良好的通讯功能。机器人控制结构上采
用了上、下两级计算机系统完成对机器人的控制：上级
主控计算机负责整个系统管理，下级则实现对各个关
节的插补运算和伺服控制。这里通过采用一台工业
PC DSP运动控制卡的结构来实现机器人控制。实验
结果证明了采用Pc DSP的计算结构可以充分利用
DSP运算的高速性，满足机器人控制的实时需求，实现
较高的运动控制性能。
机器人伺服系统框图如图3所示。伺服系统由基
于DSP的运动控制器、伺服驱动器、伺服电动机及光电
编码器组成。伺服系统包含三个反馈子系统：位置环、
速度环、电流环，其工作原理如下：执行元件为交流伺
服电动机，伺服驱动器为速度、电流闭环的功率驱动元
件，光电编码器担负着检测伺服电机速度和位置的任
务。伺服级计算机的主要功能是接受控制级发出的各
种运动控制命令，根据位置给定信号及光电编码器的
位置反馈信号，分时完成各关节的误差计算、控制算法
及D／A转换、将速度给定信号加至伺服组件的控制端
子，完成对各关节的位置伺服控制。管理级计算机采用
586工控机(或便携笔记本)，主要完成离线编程、仿真、
与控制级通讯、作业管理等功能；控制级计算机采用586
工控机，主要完成用户程序编辑、用户程序解释，向下位
机运动控制器发机器人运动指令、实时监控、输入输出
控制(如打印)等。示教盒通过控制级计算机可以获得
机器人伺服系统中的数据(脉冲、转角)，并用于控制级
计算机控制软件中实现对机器人的示教及控制。
3 5R工业机器人运动控制软件设计
5R工业机器人控制软件采用C Builder编程，
最终软件运行在Windows环境下。C Builder对在
Windows平台下开发应用程序时所涉及到的图形用户
界面(GUI)编程具有很强的支持能力，提供了可视化
的开发环境，可以方便调用硬件厂商提供的底层函数，
直接对硬件进行操作，而且生成目标代码效率高。
所设计的控制软件为分级式模块化结构。
管理级主模块具有离线编程、图形仿真、资料查询
及故障诊断等功能，其结构如图4所示。
(1)离线编程模块利用计算机图形学的成果，建立
机器人及其工作环境的模型，利用规划算法，通过对图
形和对象的操作，编制各种运动控制，在离线情况下生
成工作程序。
(2)图形仿真模块可预先模拟结果，便于检查及优
化。
(3)资料查询模块可以查阅当日工作及近期工作
记录、相关资料(生产数量、班次等)，并可以打印输出
存档。
(4)故障诊断模块可以实时故障诊断，以代码形式显
示出故障类型，并为技术人员排除故障提供帮助信息。
控制级主模块软件结构如图5所示。
(1)复位模块使得机器人停机时或动作异常时，通
过特定的操作或自动的方式，使机器人回到作业原点。
机器人在作业原点，机构的各运动副所受力矩最小，它
确定了机器人待机的安全位姿。
(2)系统提供两种示教方法。第一种示教方法即
“下位机 示教盒”的示教方法：示教盒和下位机操作
界面上的手动操作开关分别对应着装配机器人的各种
动作和功能。通过高、中、低速、点动等速度档次的选
择，对机器人进行大致的定位和精确的位置微调。并
存储期望的运动轨迹上机器人的位置、姿态参数。第
二种方法即离线仿真的示教方法。这种示教方法是在
计算机上建立起机器人作业环境的模型，再在这个模
型的基础上生成示教数据的一种应用人工智能的示教
方法。进行示教时使用计算机图示的方法分析机器人与作业模型的位置关系，也可以通过特定指令指定机
器人的运动位置…。
4结束语
所开发的开放式工业机器人系统具有以下特点：
(1)采用分布式二级控制结构，运动控制由基于
DSP的运动控制器M'CT8000F8完成，增加了系统的开
放性，以及运行处理的快速性及可靠性。
(2)考虑到具有良好的通用性，可以作为通用机器
人使用，具有较好的产业化、商品化前景。
(3)计算机辅助软件采用基于Windows平台的
c 编程，通过调用底层函数可以对硬件进行直接操
作，可视化环境可提供良好的人机交互操作界面。
通过本机器人系统的研究开发，可极大地满足工
业现场对机器人的开放性要求，进一步提高我国工矿
企业自动化水平。同时，也可作为机器人技术训练平
台，加强工程人员能力锻炼。
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