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。

[参考文献]

[1]马香峰，等．工业机器人的操作机设计[M]．北京：冶金工业出版社，1996．

[2]吴振彪．工业机器人[M]．武汉：华中理工大学出版社，2006．

[3]蔡自兴．机器人学[M]．北京：清华大学出版社，2003．

[4]王天然，曲道奎．工业机器人控制系统的开放体系结构[J]．机器人，2002，24(3)：256—261．

[5]深圳摩信科技有限公司．MCT8000系列控制器使用手册[z]．深圳：深圳摩信科技有限公司，2001．

[6]张兴国．环保压缩机装配机器人的运动学分析[J]．南通工学院学报，2004(1)：32—34，38．

[7]张兴国．计算机辅助环保压缩机装配机器人运动学分析[J]．机械设计与制造，2005(3)：98—100，

[8]本书编写委员会编著．程序设计VisualC++6[M]．北京：电子工业出版社，2000．

[9]吴斌，等．OpenGL编程实例与技巧[M]．北京：人民邮电出版社，1999．

[10]江早．OpenGLVC／VB图形编程[M】．北京：中国科学技术出版社，2001．

[11]韩军，等．6R机器人运动学控制实验系统的研制[J]．实验室研究与探索，2003(5)：103—104．

 

第二篇：工业机器人l论文

工业机器人技术

                                                       

摘要:作为先进制造业中不可替代的重要装备和手段，工业机器人已经成为衡量一个国家制造水平和科技水平的重要标志。机器人的应用越来越广泛,需求越来越大,其技术研究与发展越来越深入，这将提高社会生产率与产品质量,为社会创造巨大的财富。本文将从工业机器的发展历史，现状及未来趋势进行阐述。机器人技术作为20世纪人类最伟大的发明之一，自20世纪60年代初问世以来，经历了近50年的发展已取得显著成果。走向成熟的工业机器人，各种用途的特种机器人的实用化，昭示着机器人技术灿烂的明天。

关键词：工业机器人  起源  工作原理   关键技术  趋势

前言：工业机器人是机器人的一种。机器人可以代替或者协助人类完成各种工作，凡是枯燥的、危险的、有毒的、有害的工作，都可由机器人大显身手。机器人除了广泛应用于制造业领域外，还应用于资源勘探开发、救灾排险、医疗服务、家庭娱乐、军事和航天等其他领域。机器人是工业和非产业界的重大生产和服务性设备，也是先进制造技术领域不可缺少的自动化设备。工业机器人作为一种特殊的自动化设备，具备智能技术，所以工业机器人在传统产业的应用将大大的提升企业产品的竞争力，促进产品的更新换代，对国家经济产生巨大的推动作用。而在科学研究，资源勘探方面，工业机器人可替代人的大部分工作，因此促进了国家的可持续发展，并增强了国家的国际地位。在国防领域工业机器人的研究更是层出不穷，特别是在强调零伤亡战争的今天，机器人可替代士兵前往危险的前沿地区，而且没有人性的一些弱点，增强了战斗力，为国家创造了一个和平安定的环境。

一、工业机器人的起源

（1）工业机器人的发展历史

工业机器人诞生于 20 世纪 60 年代，在 20 世纪 90 年代得到迅速发展，是最先产业化 的机器人技术.它是综合了计算机，控制论，机构学，信息和传感技术，人工智能，仿生学等多学科而形成的高新技术,是当代研究十分活跃,应用日益广泛的领域.它的出 现是为了适应制造业规模化生产,解决单调,重复的体力劳动和提高生产质量而代替人工作业.在我国,工业机器人的真正使用到现在已经接近 20 多年了，已经基本实现了试 验,引进到自主开发的转变,促进了我国制造业,勘探业等行业的发展.随着我国改革 开放的逐渐深入,国内的工业机器人产业将面对越来越大的竞争与冲击,因此,掌握国内工业机器人市场的实际情况,把握我国工业机器人的相关技术与研究进展,显得十分重要。

（2）工业机器人技术现状

1.1工业机器人技术概念

工业机器人由操作机(机械本体) ,控制器,伺服驱动系统和检测传感装置构成, 是一种仿人操作,自动控制,可重复编程,能在三维空间完成各种作业的机电一体化自 动化生产设备.特别适合于多品种,变批量的柔性生产.它对稳定,提高产品质量, 提高生产效率,改善劳动条件和产品的快速更新换代起着十分重要的作用.机器人技术是 综合了计算机,控制论,机构学,信息和传感技术,人工智能,仿生学等多学科而形成 的高新技术,是当代研究十分活跃,应用日益广泛的领域.机器人应用情况,是一个国家工业自动化水平的重要标志.机器人并不是在简单意义上代替人工的劳动,而是综合了人的特长和机器特长的一种拟人的电子机械装置, 既有人对环境状态的快速反应和分 析判断能力,又有机器可长时间持续工作,精确度高,抗恶劣环境的能力,从某种意义 上说它也是机器的进化过程产物,它是工业以及非产业界的重要生产和服务性设备,也是先进制造技术领域不可缺少的自动化设备。

1.2 工业机器人技术发展现状

 在普及第一代工业机器人的基础上,第二代工业机器人已经推广,成为主流安装机 型,第三代智能机器人已占有一定比重(占日本1998年安装台数的10%,销售额的36%) (1)机械结构:1) 已关节型为主流,80年代发明的使用于装配作业的平面关节机器 人约占总量的1/3.90年代初开发的适应于窄小空间,快节奏,360度全工作空间范围的 垂直关节机器人大量用于焊接和上,下料.2)应3K 和汽车,建筑,桥梁等行业需求, 超大型机器人应运而生.如焊接树10米长,10吨以上大构件的弧焊机器人群,采取蚂蚁 啃骨头的协作机构.3)CAD,CAE 等技术已普遍用于设计,仿真和制造中. (2)控制技术:1) 大多数采用32位 CPU,控制轴数多达27轴,NC 技术,离线编程技术 大量采用.2) 协调控制技术日趋成熟,实现了多手与变位机,多机器人的协调控制, 正逐步实现多智能体的协调控制. 采用基于 PC 的开放结构的控制系统已成为一股潮 3) 流,其成本低,具有标准现场网络功能. (3)驱动技术:1) 80年代发展起来的 AC 侍服驱动已成为主流驱动技术用于工业机器 人中.DD 驱动技术则广泛地用于装配机器人中.2) 新一代的侍服电机与基于微处理器 的智能侍服控制器相结合已由 FANUC 等公司开发并用于工业机器人中, 在远程控制中已 采用了分布式智能驱动新技术. (4)应用智能化的传感器:装有视觉传感器的机器人数量呈上升趋势,不少机器人装 有两种传感器,有些机器人留了多种传感器接口. (5)通用机器人编程语言:在 ABB 公司的20多个小型号产品中,采用了通用模化块语 言 RAPID.最近美国"机器人工作空间技术公司"开发了 Robot Script V.10通用语言,运行于该公司的通用机器人控制器 URC 的 Win NT/95环境.该语言易学医用,可用于各种开发环境,与大多数 WINDOWS 软件产品兼容. (6)网络通用方式:大部分机器人采用了 Ether 网络通讯方式,占总量的41.3,其它 采用 RS-232,RA-422,RS-485等通讯接口. (7)高速,高精度,多功能化:目前,最快的装配机器人最大合成速度为16.5m/s. 位 置重复精度为正负0.01mm. 但有一种速度竞达到80m/s; 而另一种并连机构的 NC 机器人, 其位置重复精度大1微秒. (8)集成化与系统化:当今工业机器人技术的另一特点是应用从单机,单元向系统发 展.百台以上的机器人群与微机及周边智能设备和操作人员形成一个大群体(多智能 体) .跨国大集团的垄断和全球化的生产将世界众多厂家的产品连接在一起,实现了标 准化,开放化,网络化的"虚拟制造" ,为工业机器人系统化的发展推波助澜。

二、工业机器人的结构及工作原理

（1） 概述

机器人系统是由机器人和作业对象及环境共同组成的，其中包括机器人机械系统，驱动系统，控制系统，和感知系统四的部分组成。可以说机器人的组成部分与人类极为类似。一个典型的机器人有一套可移动的身体结构、一部类似于马达的装置、一套传感系统、一个电源和一个用来控制所有这些要素的计算机“大脑”。从本质上讲，机器人是由人类制造的“动物”，它们是模仿人类和动物行为的机器。

（2） 结构

工业机器人的机械系统包括机身，臂部，手腕，末端操作器和行走机构等部分组成，每一部分都有若干自由度的机械系统。此外，有的机器人还具有行走机构，若具有行走机构则构成行走机器人，若没有则构成单机器人手臂。工业机器人的机械机械系统相当于人的身体（骨骼，手，臂，腿等）。

驱动系统主要是指驱动机械系统动作的驱动装置。这部分的作用相当于人的肌肉。根据驱动源的不同，驱动系统分为电气，液压，气压以及把它们结合起来应用的综合系统。电气驱动在工业机器人中应用的最为广泛，主要分为步进电动机，直流伺服电机和交流伺服电机三种。液压驱动运动平稳，且负载能力大，对于重载的搬运和零件加工机器人，采用液压驱动比较合理。但液压驱动管道复杂，清洁困难，因此限制了在装配作业中的作用。无论电气还是液压驱动的机器人，其手爪的开合都采用气动形式。

控制系统的任务是根据机器人的作业指令程序及从传感器反馈回来的信号，控制机器人的执行机构，使其完成规定的运动和功能。如果机器人不具备信息反馈特征，则该控制系统称为开环控制系统；如果机器人具备信息反馈特征，则还控制系统称为闭环控制系统。该部分主要由计算机硬件和控制软件组成。软件主要有人与机器人联系的人机交互系统和控制算法等组成。该部分的作用相当于人的大脑。

感知系统由内部传感器和外部传感器组成，其作用是获取机器人内部和外部环境信息，并把这些信息反馈给控制系统。内部状态传感器用于检测各个关节的位置，速度等变量，为闭环伺服控制系统提供反馈信息。外部状态传感器用于检测机器人与周围环境之间的一些状态变量，如距离，接近程度和接触情况等，用于引导机器人，便于其实别物体并作出相应处理。该部分的作用相当于人的五官。

（3） 工作原理

机器人系统实际上是一个典型的机电一体化系统，其工作原理为：控制系统发出动作指令，控制驱动器动作，驱动器带动机械系统运动，使末端操作器到达空间某一位置和实现某一姿态，实施一定的作业任务。末端操作器在空间的实时位姿由感知系统反馈给控制系统，控制系统把实际位姿与目标位姿相比较，发出下一个动作指令，如此循环，直到完成作业任务为止。

三、关键技术包括

(1)开放性模块化的控制系统体系结构：采用分布式CPU计算机结构，分为机器人控制器(RC)，运动控制器(MC)，光电隔离I/O控制板、传感器处理板和编程示教盒等。机器人控制器(RC)和编程示教盒通过串口/CAN总线进行通讯。机器人控制器(RC)的主计算机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，而编程示教盒完成信息的显示和按键的输入。
　　(2)模块化层次化的控制器软件系统：软件系统建立在基于开源的实时多任务操作系统Linux上，采用分层和模块化结构设计，以实现软件系统的开放性。整个控制器软件系统分为三个层次：硬件驱动层、核心层和应用层。三个层次分别面对不同的功能需求，对应不同层次的开发，系统中各个层次内部由若干个功能相对对立的模块组成，这些功能模块相互协作共同实现该层次所提供的功能。
　　(3)机器人的故障诊断与安全维护技术：通过各种信息，对机器人故障进行诊断，并进行相应维护，是保证机器人安全性的关键技术。
　　(4)网络化机器人控制器技术：目前机器人的应用工程由单台机器人工作站向机器人生产线发展，机器人控制器的联网技术变得越来越重要。控制器上具有串口、现场总线及以太网的联网功能。可用于机器人控制器之间和机器人控制器同上位机的通讯，便于对机器人生产线进行监控、诊断和管理。

四、工业机器人的发展趋势

敏捷制造策略的提出，为工业机器人的发展提供了新的机遇。敏捷制造的基本思想是企业能迅速将其组织和装备重组，快速响应市场变化，生产出满足用户

需求的个性化产品。敏捷制造要求企业底层的生产设备具有柔性和可动态重组的能力。机器人是一种具有高度柔性的自动化生产设备。如果我们站在更高的层

次，将机器人视为一种有“感知、思维和行动”的机器，那么，敏捷生产设备就应当是新一代机器人化的机器。这将为工业机器人的发展提出更高的要求。

 （1）朝着标准化方向发展

    提高运动速度和运动精度，减轻重量和减少安装占用空间，必将导致工业机器人功能部件的标准化和模块组合化(它可以分为机械模块、信息检测模块、控制模块等)，以降低制造成本和提高可靠性。近年来，世界各国注意发展组合式机器人。它是采用标准化的组合件拼装而成的。日前，国外己经研制和生产了各种不同的标准组件。除了机器人用的各种伺服电机、传感器外，手臂、手腕和机身的结构也己经标准化了，如臂仲缩轴、臂升降轴、臂俯仰轴、臂摆动轴;手腕旋转轴、摆动轴、固定台身、机座、移动轴等。

（2）研究新型机器人结构

    随着工业机器人作业精度的提高和作业环境的复杂化，应开发新型微动机构保证动作精度;开发多关节、多自由度的手臂和手指，研制新型的行走机构等以

适应复杂的作业的需要。

（3）朝着智能化方向发展

    在多品种，小批量生产的柔性制造自动化技术中，特别是机器人自动装配技术中，要求工业机器人对外部环境和对象物体有自适应能力，即具有一定的“智

能”，机器人的智能化是指机器人具有感觉、知觉等，即有很强的检测功能和判断功能。为此，必须开发类似人类感觉器官的传感器(如触觉传感器、视觉传感器、测距传感器等)，发展多传感器的信息融合技术。通过各种传感器得到关于工作对象和外部环境的信息，以及信息库中存储的数据、经验、规划的资料，以完成模式识别，用“专家系统”等智能系统进行问题求解，动作规划。

（4）研究机器人协作控制

    先进制造技术的发展对协作机器人学的研究与发展起着积极的促进作用。随着先进制造技术的发展，工业机器人己从当初的柔性上、下料装置正在成为高度柔性、高效率和可重组的装配、制造和加工系统中的生产设备。在这样的生产线上，机器人是作为一个群体工作的，不论每个机器人在生产线上起什么作用，它总是作为系统中的一员而存在。因此，要从组成敏捷制造生产系统的观点出发，来研究工业机器人的进一步发展。而面向先进制造环境的机器人柔性装配系统和机器人加工系统中，不仅有多机器人的集成，还有机器人与生产线、周边设备、生产管理系统以及人的集成。因此，以系统的观点来发展新的机器人控制系统，有大量的理论与实践的工作要做。

五、结束语

    工业机器人的诞生和机器人学的建立，无疑是20世纪人类科学技术的重大成就。要缩短我国工业机器人应用及研究与国外的差距，必须利用自己的优势走

产业化的发展道路。同时，在现代制造技术快速发展的今天，还必须在研究和开发上跟踪机器人技术的发展趋势。工业机器人产业和技术的发展必将大大加速

我国制造业的崛起。

六、参考文献

[1],吴瑞详.机器人技术与应用.北京:北京航空航天大学出版社,1994

[2],朱世强,王宣银.机器人技术及其应用.杭州:浙江大学出版社,2000

[3],徐元宣.工业机器人.北京:中国轻工业出版社,1999