基于DSP的六軸工業(yè)機(jī)器人控制器的設(shè)計(jì)

肖凱夫

摘要：控制器屬于工業(yè)機(jī)器人的大腦，其設(shè)計(jì)的質(zhì)量對(duì)工業(yè)機(jī)器人的性能、精度產(chǎn)生直接的影響。六軸工業(yè)機(jī)器人為工業(yè)機(jī)器人類型中的一種，運(yùn)動(dòng)控制的復(fù)雜性比較高，從我國(guó)現(xiàn)有的運(yùn)動(dòng)控制器來(lái)看，尚無(wú)法有效的滿足其控制需求。基于此，本文在DSP基礎(chǔ)上，分析了設(shè)計(jì)六軸工業(yè)機(jī)器人控制器的方法，旨在實(shí)現(xiàn)有效的控制六軸工業(yè)機(jī)器人運(yùn)行，發(fā)揮其應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：DSP；六軸工業(yè)機(jī)器人；控制器；設(shè)計(jì)

前言：制造領(lǐng)域中應(yīng)用工業(yè)機(jī)器人之后，明顯的提升了生產(chǎn)效率，并增強(qiáng)了行業(yè)的信息化與工業(yè)化程度，實(shí)現(xiàn)制造行業(yè)的繁榮發(fā)展。隨著工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用領(lǐng)域的不斷拓寬，關(guān)于工業(yè)機(jī)器人及其控制器的研究逐漸增多，并形成了較好的研究成果。六軸工業(yè)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)時(shí)，要對(duì)六軸聯(lián)動(dòng)做出科學(xué)的控制，由于現(xiàn)有控制器無(wú)法滿足其實(shí)時(shí)性與精度的要求，還需要在相應(yīng)技術(shù)基礎(chǔ)上有針對(duì)性的研究，由此可見(jiàn)，本文研究的開(kāi)展具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

一、控制器設(shè)計(jì)需求分析

工業(yè)機(jī)器人性能實(shí)現(xiàn)時(shí)，控制器具有核心性的作用，通過(guò)其中的硬件及軟件平臺(tái)，為工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制提供良好的支持。站在用戶的角度上，控制器與黑箱子較為相似，用戶使用時(shí)，只需將運(yùn)動(dòng)軌跡的起始、目標(biāo)位置，路徑約束條件輸入到上位機(jī)中，之后，控制器可以根據(jù)自身的功能自動(dòng)完成運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃工作，并對(duì)末端執(zhí)行器做出控制，使其運(yùn)動(dòng)軌跡與預(yù)先設(shè)置相同。基于上述分析，設(shè)計(jì)六軸工業(yè)機(jī)器人的控制器時(shí)，需求主要體現(xiàn)在以下三個(gè)方面：

第一，一個(gè)關(guān)節(jié)對(duì)應(yīng)一個(gè)伺服系統(tǒng)，各個(gè)關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)時(shí)，硬件架構(gòu)要使其運(yùn)動(dòng)具備協(xié)調(diào)性，對(duì)每個(gè)伺服系統(tǒng)都能良好的兼容；第二，規(guī)劃運(yùn)動(dòng)軌跡時(shí)，需求的算法比較復(fù)雜，如計(jì)算插值點(diǎn)、正解及逆解運(yùn)動(dòng)學(xué)等，坐標(biāo)變換、矩陣逆運(yùn)算的量非常大，硬件架構(gòu)要對(duì)此給予良好的支撐；第三，控制6個(gè)伺服系統(tǒng)時(shí)，需求的I/O口比較多，同時(shí)，用戶具備二次開(kāi)發(fā)需求，因此，硬件架構(gòu)中，帶有的I/O數(shù)量要足夠多，并能夠與預(yù)留，以滿足客戶的需求。

二、控制器硬件設(shè)計(jì)

（一）電源設(shè)計(jì)

電路板中，重要組成部分即為電源，關(guān)系著電路板功能能否穩(wěn)定的實(shí)現(xiàn)。設(shè)計(jì)電源時(shí)，要以電路板類型為依據(jù)，本文中需設(shè)計(jì)的電源用于控制器中，也就是需要設(shè)計(jì)DSP電源。通常，DSP電源電路應(yīng)設(shè)計(jì)三種，第一種為DSP芯片內(nèi)核電源，以1.9V作為供電電壓；第二種為I/O口電源，電壓3.3V，電平轉(zhuǎn)換無(wú)需進(jìn)行；第三種為模擬電路電源，屬于ADC模塊專用電源，電壓3.3V。因供電電源的數(shù)量比較多，需要著重的考慮加電次序問(wèn)題，對(duì)于DSP，上電、掉電次序及復(fù)位問(wèn)題均需要進(jìn)行妥善的設(shè)計(jì)。理想狀態(tài)下，DSP芯片中，內(nèi)核電源及I/O口電源的上電應(yīng)同時(shí)進(jìn)行，但由于實(shí)際實(shí)現(xiàn)難度非常大，因此，先進(jìn)行上電的為I/O口電源和模擬電路電源，之后再進(jìn)行內(nèi)核電源的上電。基于此種上電順序，設(shè)計(jì)時(shí)選用的芯片型號(hào)為L(zhǎng)T1963A-33。

（二）模塊通信設(shè)計(jì)

控制器控制六軸工業(yè)機(jī)器人時(shí)，PC機(jī)需要與DSP之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，以有效的調(diào)動(dòng)各個(gè)關(guān)節(jié)，保證機(jī)器人正常運(yùn)行。一般，控制卡人機(jī)交互界面的實(shí)現(xiàn)位置為上位機(jī)，而對(duì)于控制卡自身，運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃算法需要實(shí)時(shí)執(zhí)行，因此，上位機(jī)與控制卡通信時(shí)，要交換的數(shù)據(jù)量是非常大的，為保證通信正常進(jìn)行，要求就有非常高的傳輸速率及實(shí)時(shí)性。設(shè)計(jì)之初，本文已經(jīng)將直線插值點(diǎn)、圓弧插值點(diǎn)寫(xiě)入到DSP中，PC機(jī)僅需將軌跡運(yùn)動(dòng)命令發(fā)送給DSP即可，由此，上位機(jī)程序復(fù)雜程度可以有效降低，也簡(jiǎn)化了二者之間的通信。

（三）伺服模塊設(shè)計(jì)

以松下A5伺服系統(tǒng)作為本文設(shè)計(jì)時(shí)所采用的伺服模塊。首先，設(shè)計(jì)光耦模塊，主要功能為輸出，輸入控制伺服驅(qū)動(dòng)器的信號(hào)，如輸入伺服ON、輸出伺服準(zhǔn)備等，部分控制器中的該模塊用于控制伺服驅(qū)動(dòng)器、反應(yīng)伺服的工作狀態(tài)等，由于伺服驅(qū)動(dòng)器處于比較惡劣的工作環(huán)境中，干擾較大，設(shè)計(jì)時(shí)還需要進(jìn)行抗干擾設(shè)計(jì)，光耦傳遞電信號(hào)時(shí)，媒介為光，能夠良好的隔離輸入輸出的電信號(hào)，廣泛的應(yīng)用于工業(yè)中，本文中光耦隔離控制輸入輸出心電時(shí)，采用TLP521-4。其次，設(shè)計(jì)差分信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊，伺服驅(qū)動(dòng)器輸出時(shí)，相共包含3個(gè)，分別為A相、B相、Z相，各相輸出時(shí)，均為一組差分信號(hào)，差分信號(hào)具有非常強(qiáng)的抗干擾能力，可高度免疫外部電磁干擾，而且也不需要依賴“地”，提升傳輸可靠性，設(shè)計(jì)該模塊時(shí)，采用的芯片為MC3486。最后，設(shè)計(jì)模擬量輸出模塊，速度模式為伺服驅(qū)動(dòng)器工作時(shí)選擇的模式，為能對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速做出控制，需要進(jìn)行模擬量的接收，實(shí)現(xiàn)此功能時(shí)，采用數(shù)模轉(zhuǎn)換電路法，如果采用專用D/A芯片，會(huì)大幅度的增加控制器的設(shè)計(jì)成本，而且占用的I/O接口也比較多，本文設(shè)計(jì)過(guò)程中，D/A轉(zhuǎn)換構(gòu)成應(yīng)用PWM方式，即脈沖寬度調(diào)制方式。

三、控制器軟件設(shè)計(jì)

（一）總體設(shè)計(jì)

在控制器中，包含上位機(jī)、下位機(jī)兩部分，下位機(jī)控制器為本文研究的重點(diǎn)，因此，運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的上位機(jī)功能沒(méi)有完全開(kāi)發(fā)。控制系統(tǒng)較為成熟時(shí)，人機(jī)交互界面、規(guī)劃運(yùn)動(dòng)軌跡等功能均需要在上位機(jī)實(shí)現(xiàn)，而實(shí)現(xiàn)插補(bǔ)算法、數(shù)據(jù)通信、伺服控制等為主要由下位機(jī)完成，如果正逆解運(yùn)動(dòng)學(xué)并未在上位機(jī)中進(jìn)行，也可由下位機(jī)進(jìn)行。具體說(shuō)來(lái)，控制算法、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)通信、伺服控制、I/O控制、伺服中斷為控制器設(shè)計(jì)時(shí)總體的軟件架構(gòu)，這些軟件模塊中，部分運(yùn)行在DSP上，部分運(yùn)行在其他芯片上，共同實(shí)現(xiàn)控制器的各項(xiàng)功能。

（二）控制算法設(shè)計(jì)

本文所設(shè)計(jì)的控制器屬于初級(jí)階段產(chǎn)品，直線插值點(diǎn)、圓弧插值點(diǎn)均已經(jīng)事先設(shè)計(jì)到了DSP內(nèi)部，這些屬于六軸工業(yè)機(jī)器人各個(gè)關(guān)節(jié)的理想位置，而關(guān)節(jié)軸實(shí)際位置的得到需要進(jìn)行增量式編碼解碼，之后，DSP接收實(shí)際位置信息，并比較理想位置信息，將誤差計(jì)算出來(lái)，對(duì)關(guān)節(jié)給進(jìn)速度做出相應(yīng)的調(diào)整，并輸出相關(guān)信息，以能控制伺服系統(tǒng)，使末端執(zhí)行器的方向運(yùn)動(dòng)誤差降至最小。

（二）數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)計(jì)

DSP為能便利的開(kāi)展程序調(diào)節(jié)工作，在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊中外擴(kuò)了一個(gè)SRAM芯片，型號(hào)為IS61LVL416，該芯片具有比較大的存儲(chǔ)容量，DSP調(diào)試時(shí)，會(huì)直接受到ARSM芯片的影響。測(cè)試SRAM芯片性能時(shí)，需要經(jīng)歷一系列的程序，由其整體流程可知，地址從0開(kāi)始，依次的將0-0xFFFF數(shù)據(jù)寫(xiě)入，直至地址為0xFFFF，期間，驗(yàn)證工作也順次的開(kāi)展，測(cè)試完成后，要想了解錯(cuò)誤信息情況，對(duì)變量error數(shù)值查看即可，最后對(duì)芯片性能作出判定。

（三）增量式編碼器設(shè)計(jì)

伺服控制系統(tǒng)中廣泛的應(yīng)用增量式光電編碼器，原因?yàn)槠渚哂休^高的精度、較快的響應(yīng)速度及較為穩(wěn)定的性能。此種編碼器輸出時(shí)，數(shù)字量無(wú)法直接輸出，A相、B相與z相的脈沖信號(hào)為能夠輸出的，再經(jīng)處理后，使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角及速度信息獲得。在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)向基礎(chǔ)上，增量式編碼器可將一系列的脈沖信號(hào)輸出，轉(zhuǎn)角越多時(shí)，輸出的脈沖信號(hào)數(shù)量越多，因此，轉(zhuǎn)速越快，脈沖頻率越高。關(guān)節(jié)軸實(shí)際位置信息需要經(jīng)過(guò)增量式編碼器解碼得到，還需要針對(duì)編碼器設(shè)計(jì)相應(yīng)的解碼器。

（四）雙端口RAM通信模塊設(shè)計(jì)

所謂雙端口RAM，是指將數(shù)據(jù)線等加在SRAM芯片上，而且兩端的均為獨(dú)立的總線，對(duì)于內(nèi)部存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，由兩個(gè)端口共享，訪問(wèn)存儲(chǔ)空間的時(shí)間并不受到限制。基于此，將兩個(gè)單獨(dú)的CPU設(shè)計(jì)在端口的兩端，對(duì)存儲(chǔ)空間做出訪問(wèn)時(shí)，兩個(gè)CPU屬于同時(shí)異步訪問(wèn)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)聽(tīng)信。共享過(guò)程中，為防止數(shù)據(jù)沖突的存在，需要將仲裁機(jī)制加入其中，通過(guò)仲裁機(jī)制相關(guān)功能的發(fā)揮，保證控制器正常運(yùn)行。雙端口RAM構(gòu)建過(guò)程中，使用存儲(chǔ)單元塊，型號(hào)為M9K，使其與DSP之間順利通信，并提升端口的運(yùn)行效率。

（五）限位急停模塊設(shè)計(jì)

正負(fù)極限位置設(shè)計(jì)到控制器中后，能夠有效的保證六軸工業(yè)機(jī)器人作業(yè)的安全性。實(shí)際工作過(guò)程中，關(guān)節(jié)軸的運(yùn)動(dòng)如果處于極限位置，會(huì)立即的停止運(yùn)行與其所對(duì)應(yīng)的電機(jī)，同時(shí)，電機(jī)不會(huì)接收到任何前進(jìn)信號(hào)，且能夠正常的接收反向運(yùn)動(dòng)信號(hào)，以此來(lái)保證運(yùn)行安全。

結(jié)論：基于上述方法設(shè)計(jì)控制器后，能夠有效的滿足六軸工業(yè)機(jī)器人運(yùn)功控制時(shí)的基本需求，但由于本文研究能力有限，加之科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，還需要持續(xù)的進(jìn)行更為深入的研究。