輕工包裝機器人專用運動控制系統設計

鄭為湊, 蔡楷倜, 于振中, 劉偉, 惠晶

(江南大學輕工過程先進控制教育部重點實驗室,江蘇無錫214122)

輕工包裝機器人專用運動控制系統設計

鄭為湊, 蔡楷倜, 于振中*, 劉偉, 惠晶

(江南大學輕工過程先進控制教育部重點實驗室,江蘇無錫214122)

分析輕工包裝機器人運動控制系統的特點,提出一種低成本、高性能的專用運動控制系統,并進行了軟硬件分析與設計。系統采用Cortex-M4內核的STM32F407為主CPU,運動控制芯片PCL6045BL為從CPU的主從CPU結構,將Cortex-M4在人機界面,通信接口與運動控制規劃上的優勢與PCL6045BL高控制精度的優點相結合。軟件上通過移植μC/OS-II與μC/GUI實現實時系統運行與人機交互,編寫相應的應用程序實現對機器人的控制,最后通過插補實驗對機器人控制系統進行驗證。

運動控制系統;機器人;實時操作系統

工業機器人作為高端裝備制造產業的重要組成部分,在近幾年取得了長足的進步,并廣泛應用于工業生產中[1-2]。隨著機器人的發展,機器人的大腦——機器人控制系統的研究越來越受重視。國內目前也涌現了一大批優秀企業自主研發的開放式多軸控制系統(如成都卡諾普公司開發的CRP-S系列,深圳邁科訊的IMC系列等)。目前,國內市場上的機器人控制器,大多采用嵌入式技術,并結合工業PC以提高系統穩定性,并提供系統的解決方案[3-4];國外的機器人運動控制器發展很快,智能水平很高[5-7],并且正在進行許多開創性的探索[7-8]。輕工包裝機器人作為自動化流水線上的核心設備能實現大部分產品的存儲、搬運、裝卸、包裝等動作[9],在自動化流水線上的應用越來越廣泛。目前,市場上并沒有針對這類機器人的專用運動控制系統,使用現有的國內外機器人通用控制器控制輕工包裝機器人普遍存在開放性能差,用戶需自己規劃機器人控制策略與控制算法,二次開發難度較大,無法自用裁剪與添加相應的功能,開發周期長,且造價昂貴等問題。

針對上述存在的問題,文中提出一種低成本、低功耗、高性能的運動控制系統設計方案。

1 系統研究重難點分析

為保證所研究的運動控制系統與包裝流水線上的機器人控制無縫對接,首先研究輕工包裝機器人工藝需求,保證開發的運動控制系統能夠滿足流水線需求;其次,針對常用的幾種輕工包裝機器人(如直角坐標機器人,DELTA機器人與SCARA機器人等),對其進行運動學建模,分析其運動學與動力學方程。在此基礎上,編寫相應的API函數實現機器人運動控制,并將這些庫函數集成至控制器中,為機器人控制器的規劃與系統搭建奠定基礎。機器人控制系統是一個實時系統,需要移植實時嵌入式控制系統。確定嵌入式運動控制器的設計方案,并對嵌入式運動控制的硬件進行設計;將設計好的運動控制系統與機器人本體聯機調試,綜合分析并進一步優化。輕工包裝機器人專用運動控制系統研究流程圖如圖1所示。

圖1 輕工包裝機器人運動控制系統研究流程Fig.1 Flow chart of the light packaging robot m otion control system

2 系統總體設計

機器人控制系統由機器人運動控制器、上位機、伺服系統與I/O輸入輸出等部件構成。其中:上位機與運動控制器通過通信實現系統參數的初始化,系統數據采集與處理,監控與報警,任務調度與管理等;運動控制器根據所接收到的參數與控制命令,實現對外部輸入輸出信號的控制與采集,同時對伺服系統進行控制,實現機器人的動作。控制系統框圖如圖2所示。

圖2 控制系統框架Fig.2 Block diagram of the control system

機器人運動控制器作為機器人控制系統的核心,是文中研究的主要對象。控制系統主要由硬件部分與軟件部分組成,控制器軟硬件構成如圖3所示。

圖3 控制器軟硬件構成Fig.3 Com ponent of the controller hardware and software

軟件部分由嵌入式控制系統,設備驅動程序與應用程序組成。因為機器人控制系統是一個實時系統,所以運動控制器控制系統采用實時控制系統μC/OS-II。該系統可以高效地執行實時應用程序,為應用程序的設計和擴展奠定基礎。硬件部分采用主從CPU結構。由意法公司針對工業機器人市場新推出的的STM32F407芯片構成主控平臺, PCL6045BL運動控制芯片作為從CPU,二者通過總線連接實現,完成信號的采集和通信,以及機器人的運動控制。

2.1 系統硬件設計

運動控制器的硬件部分主要以STM32F407ZGT作為主CPU,PCL6045BL運動控制芯片作為從CPU。由STM32F407構成的主控平臺如圖4所示。

STM32F407是高性能的32位處理器,基于ARM Cortex-M4內核,結合了DSP技術,具有高效的數字信號控制與易于使用等特點[10]。STM32F407系列采用多重AHB總線與多通道DMA控制器,支持以太網與相機接口,具有良好的可拓展性,同時具有高性能處理低功耗等優點,能夠很好地滿足系統控制要求。

PCL6045BL運動控制芯片是專門為步進和伺服控制設計的DSP運動處理器[11]。PCL6045BL為核心的從CPU主要作為運動控制部分,其硬件框圖如圖5所示。

圖5 從CPU硬件框架Fig.5 Block diagram of the slave CPU hardware

圖5中硬件設計合理采用隔離電路與反饋信號,使系統具有較強的抗干擾能力,能適應較復雜的工業現場環境。利用PCL6045BL運動控制芯片可以處理包括勻速和變速脈沖輸出、加減速規劃、直線或圓弧插補、原點及限位開關管理、編碼器信號處理等運動控制工作,大幅度簡化了系統軟硬件結合和開發工作,同時可以提高系統的效率。

主從CPU通過地址總線與數據總線實現控制,能夠實現快速雙向信息交互,具有控制靈活、效率高、實時性好等特點。STM32F407通過控制地址總線決定PCL6045BL控制的軸與讀寫端口,通過數據總線實現控制參數的傳輸,將主CPU中編寫的運動學庫函數發出的控制指令傳遞給伺服控制系統,實現輕工包裝機器人與外設的靈活控制。STM32F407與PCL6045主從結構的連接如圖6所示。

圖6 STM 32F407與PCL6045BL連接框架Fig.6 Connected diagram of STM 32F407 andPCL6045BL

2.2 系統軟件設計

系統軟件部分主要由嵌入式操作系統、設備驅動程序和應用程序3部分組成。嵌入式操作系統采用μC/OS-Ⅱ實時嵌入式操作系統,同時在控制器中移植μC/GUI,提供有效的圖形用戶接口;設備驅動程序是實時操作系統內核和硬件之間的接口,是連接底層硬件和內核的紐帶;應用程序主要為用戶應用程序和機器人運動學與動力學相關的API函數。

2.2.1 嵌入式系統的Bootloader Bootloader是嵌入式系統軟件開發的第一個環節。它把操作系統和硬件開發平臺緊密結合在一起。通過Bootloader初始化硬件設備,建立內存空間的映射圖,將系統的軟硬件環境帶到一個合適的狀態,以便為最終操作系統內核準備好環境。

2.2.2 μC/OS-Ⅱ的移植 μC/OS-Ⅱ是一個可以基于ROM運行的、可裁減的、搶占式、實時多任務內核,具有高度可移植性,執行效率高、占用空間小、實時性能優良和可擴展性強等特點[12]。系統移植,就是使一個實時內核能在其他的微處理器或微控制器上運行。文中使用μC/OS-Ⅱv2.91版本,該版本較低版本增加了許多功能,且修復了很多已知bug,具有更好的穩定性。將μC/OS-Ⅱ移植到微控制器STM32F407上,需要完成的工作是修改4個和處理器相關的文件os_cpu_c.c,os_cpu_a.asm, os_cpu.c,os_dbg.c。μC/OS-Ⅱ文件系統結構如圖7所示。

圖7 μC/OS-Ⅱ文件系統結構Fig.7 File system structure of theμC/OS-Ⅱ

2.2.3 μC/GUI的移植與設備驅動程序設計

μC/GUI由Micrium公司開發的開源的嵌入式用戶圖形界面軟件,在μC/OS-Ⅱ添加圖形化用戶界面,既可發揮嵌入式的實時性,又能實現良好的人機界面[13]。μC/GUI提供了操作系統的接口與輸入輸出設備的接口。

驅動程序是實時操作系統內核和硬件之間的接口,是連接底層硬件和內核的紐帶。當外圍設備改變時,只需要更換相應的驅動程序,不必修改操作系統的內核以及運行在操作系統中的軟件。

2.3 系統應用程序設計

μC/OS-Ⅱ是嵌入式實時操作系統,需要將應用程序劃分為多個任務,每個任務負責完成一部分工作,多個任務協調完成系統功能。合理的任務劃分可充分體現操作系統任務調度算法的效率,從而提高系統的實時性。采用μC/OS-Ⅱ提供的信號量、郵箱、消息隊列進行通信,實現對任務的統一調度和管理。文中根據運動控制器的需求,給出任務劃分與各任務間相互關系,具體結果如圖8所示。

應用程序包括總體的控制模塊、人機界面的設計、示教程序、運動控制、狀態監測與通信模塊等。STM32F407通過操作系統可便于實現各任務間的調度,運動控制通過編寫運動控制API函數,實現輕工包裝機器人的運動學解算。通過運動控制函數向PCL6045BL發送控制指令。PCL6045BL根據接收的指令,完成控制算法與路徑規劃,發送相應的脈沖和指令使伺服系統完成相應的動作,從而實現對機器人動作的控制;同時PCL6045BL反饋光電編碼器信號與相關的開關量信號,實現系統的閉環控制。

圖8 程序總體任務規劃Fig.8 Planning scheme

3 實驗分析

在搭建好控制系統的基礎上,對控制器進行調試,驗證文中設計方案的可行性。用戶在開發應用程序中不需要關心底層的設計,只需要根據控制需求編寫人機界面與調用函數,并配置相應的設置,機器人的運動控制功能主要取決于集成的運動函數庫。為使系統能夠較好地控制機器人,需要編寫大量的運動控制API函數。考慮到在工業機器人中,插補運算的廣泛應用,文中通過編寫人機界面實現兩軸的直線插補控制,從而對運動控制器進行驗證。

直線插補API的函數模型:

//直線插補的參數結構

實驗組、參照組產婦自然分娩率以及新生兒窒息率結果見表1。經統計學軟件計算,結果差異有統計學意義P<0.05。

typedef struct

{long P[2];//2軸上的脈沖

unsigned V;//速度

long DP;//減速脈沖

}LineData;

void PulseOutMode(unsigned axis,short mode)//設置脈沖輸出模式

void SetV(unsigned axis,unsigned wdata)//設置速度參數V

void Sets(void)//啟動S曲線加/減速

void Clear(void)//停止S曲線加/減速

void SetA(unsigned axis,unsigned wdata)

//設置加速度參數A

void SetD(unsigned axis,unsigned wdata)

//設置減速度參數D

void SetSV(unsigned axis,unsigned wdata)//設置初始速度參數SV

void LineXY(LineData*pLD)//2軸直線插補

在編寫的插補運動庫函數的基礎上,用戶只需通過上位機進行坐標與參數輸入,即可實現兩軸直線插補軌跡控制。上位機程序采用μCGUI Builder編寫,上位機插補軌跡實驗界面如圖9所示。

圖9 插補實驗界面Fig.9 Interpolation experimental interface

圖9中,設置起點為(0,0),終點為(2 000, 3 000),初始速度為0 m/s,運行速度為1 m/s,加減速時間為300 ms。通過示波器可以觀察到如圖10所示的控制器所發出的脈沖。

圖10 直線插補脈沖輸出Fig.10 Linear interpolation pulse output

由圖10可以看出,系統以y軸作為主軸,x軸為從軸,控制器按照以y=1.5x的直線軌跡發送脈沖,與設置的起點到終點構成直線的斜率一致。兩軸插補脈沖輸出實驗圖如圖11所示。

圖11 兩軸脈沖輸出實驗Fig.11 Two-axis pulse output test

從插補實驗可以得到,通過設置的參數,主CPU可利用接收到的數據進行任務分析,向從CPU發出運動控制命令,從CPU根據所得到的命令輸出相應的脈沖。在控制器開發中,需編寫大量的運動控制算法,這樣用戶通過人機界面設置參數與調用程序,就可以高效地控制輕工包裝機器人。在兩軸直角坐標機器人控制中,該控制器運行穩定,有效精度為1 mm,且重復精度較高,有效最高脈沖速度可以達50 kHz。實驗證明,所設計控制器可以實現高精度、高速、多軸的脈沖輸出,以及控制普通的輸入輸出,能夠高效滿足輕工包裝機械手的控制需求。

4 結 語

文中采用針對工業自動化推出的Cortex-M4處理器STM32F407與運動控制芯片PCL6045BL設計主從CPU結構的運動控制器,結合輕工包裝流水線機器人在工業現場中的工藝要求,編寫相應的運動控制函數,用戶通過編寫人機界面,即可便于的實現機器人的運動控制和相應的輔助動作。通過編寫最具廣泛用途的機器人插補運動控制API函數,驗證控制器設計的合理性。另外,運動控制器的可靠性需要大量的時間與實驗去驗證。今后可致力于研究其他常見輕工包裝機器人的運動學與控制,將相應的函數添加至控制器,增加控制器的應用范圍,同時對控制器的軟硬件可靠性進行進一步優化與改進。

[1]蔣剛,龔迪琛,蔡勇.工業機器人[M].成都:西南交通大學出版社,2011.

[2]Executive Summary.Executive Summary WR 2013[EB/OL].(2013-08-12)[2014-09-20].http://www.worldrobotics.org/uploads/media/

[3]張玫.機器人技術[M].北京:機械工業出版社,2011.

[4]謝廣明,范瑞峰,何宸光,等.機器人控制與應用[M].哈爾濱:哈爾濱工程大學出版社,2013.

[5]Aryania A,Daniel B,Thomessen T,et al.New trends in industrial robot controller user interfaces[C]//2012 IEEE 3rd International Conference on Cognitive Infocommunications.Kosice,Slovakia:IEEE,2012:365-369.

[6]Soga S,Kobayashi I.A study on the efficiency of learning a robot controller in various environments[J].Adapative Dynamic Programming and Reinforcement Learning,2013(4):164-169.

[7]Parker C A C,Croft E A.Design and personalization of a cooperative carrying robot controller[C]//2012 IEEE International Conference on Robotics and Automation.Saint Paul,MN:IEEE,2012:3916-3921

[8]Ganesh G,Albu-Sch?ffer A,Haruno M,et al.Biomimetic motor behavior for simultaneous adaptation of force,impedance and trajectory in interaction tasks[C]//Proceedings of IEEE International Conference on Robotics and Automation.Anchorage, Alaska:IEEE,2010:2705-2711.

[9]劉進長,王偉,區和堅.市場“井噴”帶來的機遇與挑戰—我國工業機器人發展的思考與建議[J].機器人技術和應用, 2014(1):14-18.

LIU Jinchang,WANGWei,OU Hejian.Market“blowout“opportunities and challenges-thoughts and suggestions of development of industrial robots[J].Robotics and Applications,2014(1):14-18.(in Chinese)

[10]廖義奎.ARM Cortex-M4嵌入式實戰開發精解—基于STM32F4[M].北京:北京航空航天大學出版社,2013.

[11]葉佩青,張輝.PCL6045B運動控制與數控應用[M].北京:清華大學出版社,2007.

[12]邵貝貝.嵌入式實時操作系統μC/OS-Ⅱ[M].北京:北京航空航天大學出版社,2003.

[13]王蘭英.基于STM32嵌入式系統的μCGUI移植與實現[J].四川理工學院學報:自然科學版,2012,25(1):56-58.

WANG Lanying.Porting and implementation ofμcGUIbased on STM32 embedded system[J].Journal of Sichuan University of Science and Engineering:Natural Science Editton,2012,25(1):56-58.(in Chinese)

(責任編輯:邢寶妹)

Desigh of the Light Packaging Robot Dedicated M otion Control System

ZHENGWeicou, CAIKaiti, YU Zhenzhong*, LIUWei, HUIJing
(Key Laboratory of Advanced Process Control for Light Industry,Ministry of Education,Jiangnan University,Wuxi214122,China)

With the use of the light packaging robots in the pipeline,the development of the dedicated motion control system has the important significance.In this paper,a dedicated motion control system with low cost and good performance is proposed after the analysis of the features of light packaging robotmotion control systems,and the hardware and software are analyzed and designed.The system uses the core STM32F407 of Cortex-M4 as the master CPU,and themotion control chip PCL6045BL as slave CPU,to combine the Cortex-M4 which has the advantages in the man-machine interface,communication interface and motion control programs strengths and the PCL6045BLcontrol which has the high precision.The real-time system operation and human-computer interation can be achieved by transplanting theμC/OS-II andμC/GUI,the robot control can be achieved by writting appropriate programs.The performance of themotion control system can be verified by experiments.

motion control systems,robot,RTOS

*通信作者:于振中(1980—),男,安徽宿州人,副教授,碩士生導師。主要從事機電一體化技術、電力電子技術等研究。Email:yzzrobot@126.com

TP 273.5

A

1671-7147(2015)03-0289-06

2014-12-02;

2015-02-28。

江蘇省自然科學基金項目(BK20130159)。

鄭為湊(1990—),男,福建古田人,電氣工程專業碩士研究生。