基于PMAC的開放式工業(yè)機器人運動控制數(shù)據(jù)實時采集研究*

王進(jìn)華（1.華南理工大學(xué) 計算機科學(xué)與工程學(xué)院，廣東 廣州 510006；2.羅定職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電子信息系，廣東 云浮 527200）

基于PMAC的開放式工業(yè)機器人運動控制數(shù)據(jù)實時采集研究*

王進(jìn)華1，2
（1.華南理工大學(xué) 計算機科學(xué)與工程學(xué)院，廣東 廣州 510006；2.羅定職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電子信息系，廣東 云浮 527200）

實時數(shù)據(jù)采集與通信子系統(tǒng)是工業(yè)機器人運動控制系統(tǒng)的基本環(huán)節(jié)，PMAC卡作為底層控制器在工業(yè)機器人運動控制中廣泛應(yīng)用。根據(jù)數(shù)據(jù)采集源、與上位機通信模式，對基于PMAC的數(shù)據(jù)采集方法進(jìn)行分析，確定在線指令方式進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，定制了基于網(wǎng)口的開放通信模塊。在實現(xiàn)過程中采用了軟件模塊化、多線程、定時器、雙緩存等技術(shù)實現(xiàn)指令編碼、數(shù)據(jù)采集與解碼。測試結(jié)果證明了通信與采集子系統(tǒng)的穩(wěn)定性和實時性。

PMAC；開放控制；數(shù)據(jù)采集；實時性；機器人

0 引言

在工業(yè)控制領(lǐng)域，實時數(shù)據(jù)采集是一個基本而且重要的環(huán)節(jié)，如何提高數(shù)據(jù)采集的實時性一直是工控技術(shù)人員所關(guān)心的問題［1］。多軸運動控制卡（Programmable Multi-Axis Controller，PMAC）集執(zhí)行程序（運動程序和PLC程序）、數(shù)據(jù)采集、伺服環(huán)更新、資源管理等多個模塊一起協(xié)同工作，在工業(yè)機器人的運動控制中得到廣泛應(yīng)用［2］。

1 基于PMAC的數(shù)據(jù)采集分析

PMAC通過對機器人關(guān)節(jié)的4路數(shù)字信號解碼得到該關(guān)節(jié)的位置、速度、加速度等數(shù)據(jù)源，上位機采集這些數(shù)據(jù)進(jìn)行運動學(xué)和動力學(xué)運算得到機器人實時的位置和運動信息。數(shù)據(jù)采集涉及數(shù)據(jù)采集源、通信模式、采集方法、數(shù)據(jù)解碼、人機交互［3］等。

數(shù)據(jù)采集源指被采集的數(shù)據(jù)在卡上存儲的對象，主要有PMAC緩沖區(qū)、寄存器、雙端口RAM。

PMAC主卡與上位機之間的通信模式有104總線接口、USB2.0以太網(wǎng)口、RS232串口等。

結(jié)合通信模式和數(shù)據(jù)采集源，基于PMAC數(shù)據(jù)采集有雙端口 RAM、Gather功能寄存器、PLC程序M變量、在線指令等采集方法。基于雙端口的數(shù)據(jù)采集從雙端口RAM中采集數(shù)據(jù)，不需要經(jīng)過通信口發(fā)送命令和等待響應(yīng)時間，實時性較好。基于Gather功能的數(shù)據(jù)采集從緩沖區(qū)采集數(shù)據(jù)，需要使用PMAC的通信驅(qū)動和Gather類函數(shù)，適合于大量信息進(jìn)行數(shù)據(jù)采集［4］。基于PLC程序和在線指令的數(shù)據(jù)采集從I/O及運動寄存器獲取數(shù)據(jù)，需要使用PMAC的通信驅(qū)動和軟件定時器。基于在線指令的數(shù)據(jù)采集可以實時單點采集，也可以循環(huán)采集，而且可以基于以太網(wǎng)口定義開放式通信接口，獨立于PMAC驅(qū)動程序。

2 基于多線程技術(shù)和在線指令的實時數(shù)據(jù)采集

2.1 多線程技術(shù)

多線程編程技術(shù)應(yīng)用于機器人控制，可在收發(fā)數(shù)據(jù)的同時進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理、狀態(tài)切換、屏幕刷新等任務(wù)，提高程序的實時性和軟件的整體性能［5］。本控制系統(tǒng)采用多線程技術(shù)實現(xiàn)，提高了數(shù)據(jù)采集的實時性，系統(tǒng)程序結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)程序結(jié)構(gòu)圖

2.2 數(shù)據(jù)采集的編碼實現(xiàn)

本文基于在線指令進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，自定義通信接口。

2.2.1 開放式通訊接口

目前所見的基于PMAC的機器人開放式運動控制器都利用了Delta Tau公司提供的PComm32PRO通信驅(qū)動程序，限制了控制器的開放性。為了支持嵌入式實時操作系統(tǒng)的應(yīng)用開發(fā)，采用C++設(shè)計了PMAC開放式網(wǎng)口通信服務(wù)，供上層服務(wù)通過socket調(diào)用，數(shù)據(jù)規(guī)范如下：

2.2.2 數(shù)據(jù)采集的編碼實現(xiàn)

PMAC指令以及回傳的運動參數(shù)都是字符串，需要進(jìn)行指令編碼和數(shù)據(jù)譯碼。

在嵌入式應(yīng)用環(huán)境中進(jìn)行數(shù)據(jù)循環(huán)采集需要預(yù)防產(chǎn)生內(nèi)存泄露的情況發(fā)生，優(yōu)化內(nèi)存資源。

2.3 控制系統(tǒng)平臺構(gòu)建與軌跡跟隨測試

2.3.1 控制系統(tǒng)平臺構(gòu)建

MOTOMAN、SEIKO等均把基于PC的機器人控制器作為發(fā)展方向［6］，主要形式有：

·工控機+接口卡。接口卡不帶處理器，將各關(guān)節(jié)運動數(shù)據(jù)送入工控機，經(jīng)伺服程序計算得到伺服電機的控制量［7］，這種方式構(gòu)建的系統(tǒng)具有很高的靈活性和擴展性，但開發(fā)難度比較大。

·工控機+運動控制卡。以DSP為核心的運動控制卡可以集多軸實時伺服運動控制于一卡，并有函數(shù)庫供用戶在工控機上構(gòu)建所需的控制系統(tǒng)，工控機主要完成系統(tǒng)管理、狀態(tài)監(jiān)控、運動規(guī)劃等上層任務(wù)［8］。

本文采用工控機+多軸運動控制卡（PMAC）作為機器人控制器，硬件原型如圖2所示。

圖2 開放式工業(yè)機器人控制平臺原型

為了滿足機器人控制實時性要求，工控機需要運行實時操作系統(tǒng)，如Windows CE等，或采用通用Windows操作系統(tǒng)+實時擴展環(huán)境RTX，可以利用Windows操作系統(tǒng)完備的軟件開發(fā)環(huán)境和豐富的軟件資源［6］。本控制器硬件采用研祥EC3-1711CLDNA工控機，其CPU是Genuine Intel（R）processor600MHz，內(nèi)存為480MB，存取速率為599MHz，硬盤為80GB，操作系統(tǒng)采用Windows XP+RTX。

2.3.2 系統(tǒng)測試

為驗證控制平臺和數(shù)據(jù)采集的有效性，采用兩關(guān)節(jié)模擬工業(yè)機器人和靜態(tài)PID進(jìn)行測試。軌跡跟隨測試的軟件流程和測試結(jié)果如圖3和圖4所示，關(guān)節(jié)實時跟隨位置如表1和2所示。

圖3 軌跡跟隨軟件流程

圖4 圓弧軌跡跟隨效果

表1 1號關(guān)節(jié)數(shù)據(jù)采集與分析

3 結(jié)論

本文從數(shù)據(jù)采集源、通信模式、采集方法等對基于PMAC的開放式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行對比分析，完成通信接口、指令編碼數(shù)據(jù)解碼等的模塊化設(shè)計和封裝，采用多線程技術(shù)優(yōu)化性能。硬件平臺的兩關(guān)節(jié)機器人軌跡跟隨測試的關(guān)節(jié)空間和笛卡爾運動空間的試驗數(shù)據(jù)驗證了控制系統(tǒng)及數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)的有效性。

［1］林延昌，魚洋，沈躍.基于PMAC控制卡的機器人控制軟件設(shè)計［J］.計算機測量與控制，2005，13（8）：854-857.

［2］張東衡，徐秀林，張佳鳴.人工心臟瓣膜體外檢測裝置軟件開發(fā)［J］.計算機測量與控制，2008，16（8）：1197-1198.

［3］王進(jìn)華，曾凌峰，張勤利.數(shù)字電視機頂盒人機交互組件的設(shè)計與實現(xiàn)［J］.微型機與應(yīng)用，2011，30（20）：96-98.

［4］鄭存紅，胡榮強，趙瑞峰，等.用VisualC++實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)采集［J］.計算機應(yīng)用研究，2002，19（4）：103-108.

［5］曾欣.多線程機器人控制軟件的設(shè)計［J］.科技廣場，2011 （11）：100-103.

［6］DELTA TAU Data Systems，Inc.PComm32PRO installation and troubleshooting procedures，Versions10.45（PRO Suite 2.0）and later［S］.

［7］張廣立，付瑩，楊汝清，等.基于 Windows NT的開放式機器人實時控制系統(tǒng) ［J］.上海交通大學(xué)學(xué)報，2003，37 （5）：724-728.

［8］馬瓊雄，吳向磊，李琳，等.基于IPC的開放式工業(yè)機器人控制系統(tǒng)研究［J］.機電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新，2008，21（1）：15-17.

Study of industrial robot′s real-time data gathering based on PMAC

Wang Jinhua1，2
（1.School of Computer Science＆ Engineering，South China University of Technology，Guangzhou 510006，China；2.Department of Electronic Information，Luoding Polytechnic，Yunfu 527200，China）

Real-time data acquisition and communication subsystem are basic aspects of the industrial robot motion control system，and the PMAC card as the underlying controller is widely used in industrial robot motion control.According to the data collecting sources and the different communication modes between host and PMAC，we selected the online command for data collecting，and customized open communication module based on Ethernet port.In the implementation process，we used software modularity，multi-threading，timers，and double-buffering technology to achieve instruction encoding，data acquisition and decoding. The test results proved the performance of stability and real-time for communication and acquisition subsystem.

PMAC；open control；data gathering；real time；robot

TP2

A

1674-7720（2015）20-0061-03

王進(jìn)華.基于PMAC的開放式工業(yè)機器人運動控制數(shù)據(jù)實時采集研究［J］.微型機與應(yīng)用，2015，34（20）：61-63，66.

2015-05-20）

王進(jìn)華（1977-），男，博士，主要研究方向：基于 SOA的開放式控制軟件。

廣東省高職教育教師教育委員會2013年度基金項目（2013G13） ；廣東省教育研究院2014 基金項目（GDJY-2014-B-b242）