基于RTX的工業機器人控制系統的設計與實現

2016-12-01 00:19:21郭曉丹廣東省國防科技技師學院廣州510515

山東工業技術 2016年11期

郭曉丹（廣東省國防科技技師學院，廣州　510515）

郭曉丹
（廣東省國防科技技師學院，廣州510515）

摘要：本文主要研究了基于RTX的六軸工業機器人控制系統，先是對六軸工業機器人本體進行了介紹，然后對工業機器人控制系統的結構設計進行了詳細分析，在充分利用Windows界面功能和RTX 實時處理能力上，六軸工業機器人系統更加的開放和靈活，實現了高實時性和精度，能夠滿足現代化工業生產需要。

關鍵詞：RTX系統；六軸工業機器人；控制系統

0　引言

近年來，機器人技術發展速度迅猛，已成為現代化工業生產的重要助力之一。目前，工業機器人主要由控制系統和本體組成，其中核心技術還是控制系統的設計與實現。我國現階段關于工業機器人運動控制系統的設計主要采用的是一種基于RTX（Real Time Extend）的工業機器人控制系統，這種控制系統具有較高的精確性和實時性，能夠滿足現代化工業生產的需要。

1　工業機器人本體

我國工業機器人歷經多年的研究和發展，在本體設計上不斷推陳出新。筆者在此主要介紹一下關于我國自主研發的六軸工業機器人，其本體主要有回轉機體、大小臂以及腕部等幾個主要構件，并且六軸工業機器人的全部關節都采用轉動關節，在驅動裝置方面主要由交流伺服電機和減速器組成［1］。六軸工業機器人的轉動關節設計方面具有很強的靈活性，前三個關節能夠將末端工具送到需要的空間位置，后三個關節能夠滿足不同工具姿態的要求，從關節設計的結構上看，六軸工業機器人的腰部關節為第1關節，其底部安裝有點擊設備，可以實現數值方向旋轉。六軸工業機器人的肩關節為第2關節，其主要通過軸線和大臂相連，軸線為水平方向。六軸工業機器人的小臂和手腕為第3關節，第4關節主要帶動手腕旋轉，第5關節能夠實現俯仰旋轉，第6關節能夠做旋轉運動。

2　基于RTX的工業機器人控制系統的設計

2.1Windows系統

Windows系統是目前工業生產自動化運用的主要系統，需要控制技術系統一般都是建立在Windows系統基礎上的，實現了Windows系統功能的延伸。Windows系統能夠實現多項操作，屬于多任務操作系統，Windows系統的核心層的任務調度器能夠對用戶的線程進行調度，并且，Windows系統的調度系統具有優先搶占功能，能夠及時進行配額調整，體實現了實時性。在生產運行過程中，用戶的操作需要符合Windows系統本身所具有的調度機制，用戶所設置的程序必須在規定的時限內，一旦超過了系統的實時性要求，就可能需要等到更長時間才會被處理。Windows系統采用的是兩片級聯芯片，這種兩片級聯芯片需要在保護模式下才能正常使用。由于存在CI分配中斷資源情況，并且BIOS運行屬于實時模式，所以，Windows系統在中斷控制方面還存在一定的局限性，這也是今后系統研究和發展的主要方向之一。

2.2RTX系統

RTX系統是建立在RTX系統基礎上的一種工業機器人控制系統。RTX系統能夠為Windows系統的操作控制提供實時解決方案，對抽象層HAL進行拓展，建立起了獨立的內核驅動模式［2］。同時，RTX系統在系統線程切換時間方面時間非常短，幾乎可以忽略不計。RTX系統在經過拓展的實時HAL，使用終中斷管理模式，能夠實現對線程的嚴格調度管理。此外，RTX系統還具有自己的中斷管理機制，能夠直接訪問硬件端口，始終保持優先權，避免被系統線程堵塞。這樣RTX系統就能夠實現與Windows系統線程之間的內存數據信息共享，可有實現由運行環境來決定定時器精度，一般可以達到0.2ms精度。

2.3基于RTX的工業機器人控制系統的硬件結構設計

六軸工業機器人控制系統的硬件結構主要包括手臂、電氣控制箱和計算機三個部分。其中，六軸工業機器人的手臂主要具有操作功能，能夠帶動末端工作，對于操作嚴格控制，并實現計算機的各種動作要求。六軸工業機器人的手臂為全關節式，能夠實現任何動作的旋轉和移動，滿足工具操作的各種姿態要求。六軸工業機器人的電氣控制箱內主要安裝的是伺服電動驅動器以及各種保護電路、輔助電路和I/O電路，伺服電動驅動器的主要功能就是驅動機器人的手臂關節，實現手臂關節的各種動作和啟停。六軸工業機器人控制系統中的計算機主要是負責控制和處理機器人的信息，控制手臂運動，實現控制器與人機交互界面。此外，基于RTX系統的六軸機器人硬件還包括PCI板卡、D/A轉化卡、編碼器卡以及工控機等硬件。

2.4基于RTX的工業機器人控制系統的軟件結構設計

六軸工業機器人控制系統的軟件主要分為人上位機（機操作界面、目標軌跡聲場）以及下位機兩大部分，其中，上位機是六軸工業機器人的操作平臺，下位機六軸工業機器人的控制器。上位機作為操作平臺，主要負責機器人運行顯示、各關節編碼器信息反饋、機器人狀態監控信息顯示以及與RPX機器人控制通訊等功能。下位機作為六軸工業機器人控制系統的控制器，主要負責通過編碼卡來接收收電機位置反饋數據以及通過內存共享來接收上位機發出的操作指令，此外，下位機還能夠利用控制算法模塊來反饋數據與目標指令，從而給出指令，在經由D/A轉換，輸出模擬信號控制伺服電機驅動器，最終形成閉環控制系統。

3　基于RTX的工業機器人控制系統的實現

基于RPX的六軸工業機器人控制系統在軟件和硬件結構上設計比較科學合理，能夠滿足工業生產的要求。這種六軸工業機器人的本體重量一般為20kg，額定負載為1kg，控制周期為1ms，運動規劃控制主要由S型曲線實現?；赗TX的六軸工業機器人控制系統使用的是FARO激光跟蹤儀，通過發射與接收器實時跟隨靶球移動的技術，能夠實現對機器人運動軌跡的精度測量，確保了工業機器人運行的高精確性。經過實踐證明，基于RTX的工業機器人控制系統運行控制效果良好，能夠為工業自動化性能的提升發揮更大的作用。