一種小功率六自由度工業機器人控制系統硬件設計

吳文俊，夏蕾，陳曉斌，方鋒，張計悅

（浙江琦星電子有限公司，浙江臺州317600）

一種小功率六自由度工業機器人控制系統硬件設計

吳文俊，夏蕾，陳曉斌，方鋒，張計悅

（浙江琦星電子有限公司，浙江臺州317600）

隨著工業4.0概念的推進發展，工業機器人在現代化生產中扮演著非常重要的角色，工業機器人控制系統設計也進入到快速發展期。介紹了一種負載5 kg，工作范圍為80 cm的小功率六自由度工業機器人硬件設計方案，并且實現了機器人的初步運行。

六自由度；工業機器人；控制系統；硬件設計

現代化制造發展趨勢已經逐步走向智能化。隨著工廠智能化的發展，越來越多的工業機器人應用到生產過程中，實現裝配、噴涂、焊接等多種生產操作。機器人學的研究與應用也隨之快速發展，目前的工業機器人硬件設計方案多數都基于運動控制卡和通用伺服驅動器這些已有的工業控制模塊進行組裝搭建。這類方案的優勢是設計模塊化，設計周期快，硬件聯合調試簡單方便。但因采用的是通用控制模塊，設計方案的成本比較高，知識產權自主化程度不高[3-4]。另外，這種設計方案比較適合大功率工業機器人的設計開發，針對中小型工業機器人，此種開發模式會受到機器人機械本體機械空間的限制而難以實現。本文所介紹的是一種針對負載5 kg，工作范圍80 cm的小功率六自由度工業機器人硬件設計方案，采用集約化設計，減少系統硬件成本，為產品的降成本目標打下設計基礎。

1 運動控制系統基本框架結構

1.1 運動控制系統結構

與所有的工業自動化設備類似，能完成一系列設定動作的工業機器人控制系統主要分為人機交互、核心控制算法、伺服電機驅動，具體的硬件實現方案框圖如圖1所示。

從電氣角度來看，工業機器人控制系統由4部分組成：觸摸顯示屏、顯示與算法主板、系統控制主板、執行器板。這4部分板件各司其職、相互配合完成整個運動控制行為。

1.2 運動控制系統硬件的具體實現

1.2.1 觸摸顯示屏組件

觸摸顯示屏組件分為液晶顯示器和觸控板。當前液晶顯示器都采用LVDS接口，為了實現顯示信號的長距離傳輸，需要1塊LVDS轉VGA轉接板，將工業控制板傳輸過來的VGA信號轉換成LVDS信號給液晶顯示屏。為了實現觸控方式，需要1塊觸控按鍵驅動板，將觸控板的電壓變換信號轉換成RS232串口信號，傳輸給工業控制板。

圖1 工業機器人控制系統框圖

1.2.2 顯示與算法主板

其功能為完成屏幕顯示與機器人運動算法。考慮到制版與設計成本，顯示與算法主板選用工業控制板，本方案選用威盛公司的MiniITX PC工業控制板，并采用運行LINUX操作系統的X86內核的PC機。整個板子的硬件結構符合INTEL的經典組成。在工業控制板上，依托于LINUX操作系統，可以進行屏幕顯示編程和機器人運動算法編程。

1.2.3 系統控制主板

其主要完成機器人系統的整體控制協調，包括控制系統上電順序、各個組件協調，信號轉換以及安全保障。本方案是自主設計，主要由信號轉接組件、電源控制組件、安全接口以及模擬和數字I/O幾個功能部分構成。

1.2.3.1 信號轉接組件

本方案的關節驅動器通信選擇RS485通信，由于工業控制板上沒有此類接口，不能實現對關節驅動器的直接控制，所以，需要信號轉接組件接收到的從工業控制板的以太網信號，然后轉換成RS485信號傳輸給關節驅動器。同時，將接收到的關節驅動器板上RS485信號轉換成以太網信號傳輸給工業控制板。

1.2.3.2 電源控制組件

整個機器人的供電由開關電源完成，其中48 V電供給關節驅動器使用、12 V電供給其他控制單元。在按下電源按鈕前，整個系統只有此組件帶電。當按下電源按鈕后，電源控制組件根據控制邏輯逐漸給工業控制板和關節驅動器上電，同時，也控制模擬和數字I/O的供電電壓。

1.2.3.3 安全接口

由緊急停止接口和防護停止接口2部分組成。緊急停止輸入包括機器人緊急停機輸入和外部緊急停機輸入。機器人急停配置出廠進行默認設置，外部緊急急停可接外部按鈕或其他機械。防護接口用于以安全方式暫停機器人的運動。防護接口可用于安全光幕、門開關、安全型PLC等。防護停止后可以自動恢復工作，也可以通過按鈕進行控制，具體取決于防護配置

1.2.3.4 模擬和數字I/O

系統控制主板配有8個數字輸入端、2個模擬輸入、8個數字輸出端和2個模擬輸出端。數字輸入和輸出采用的是PNP管控。數字輸出端可直接用于驅動設備（氣動繼電器）運行，也可用于與其他PLC系統通信。模擬輸出端既可設置為電流模式，也可設置為電壓模式。

1.2.4 執行器板

執行器板由6個關節驅動器和1個工具板組成。

1.2.4.1 關節驅動器

用于驅動6個自由度關節電機，關節驅動器從RS485接口獲得位置/速度/加速度/力矩等命令[6]，借助于諧波減速器驅動關節旋轉到指定位置。同時，通過讀取絕對值編碼的數據獲得當前關節的實際位置，并把絕對編碼器數值/關節加速度/關節電流/關節狀態傳輸給母板，最終傳遞給邏輯及空間幾何軟件包，實現這個機器人的大閉環控制。

1.2.4.2 工具板

處于最后一個機器人關節末端，所有關節運動的最終目的是完成指定的工作。為了完成指定的工作任務，比如搬運/噴涂/裝配等工作，需要借助于各種工具。工具板提供不同電壓供電，輸出端提供數字輸出和模擬輸出，并完成工具信息與系統控制主板的信息交互。

2 控制系統硬件之間的數據交換

此硬件設計方案總體比較龐大、復雜。為了很好地支撐硬件運行，各個模塊硬件之間的數據通信協議要進行很好的安排和處理。在整個工業機器人的控制結構中，工業控制板上的控制軟件包處于服務器的角色。當硬件上電后，控制軟件包和顯示軟件包正常運行后，當顯示軟件包以客戶端的形式向控制軟件包申請端口后，控制軟件包以某個頻率向顯示軟件包發出當前機器人的狀態信息，顯示軟件包收到該信息后，刷新自己的顯示內容。當顯示軟件包希望控制軟件包完成具體工作后，隨機地向控制軟件包發送以太網幀。控制軟件包接收到命令后，執行相關動作，并以消息的形式隨機通知顯示軟件包工作的進展狀態。

系統控制主板依賴于板子上的外部晶振，使自己處于“節拍器”的角色。每隔一定周期，系統控制主板向工業控制版的控制軟件包發出一個包含機器人狀態的以太網信息幀，當工控板的控制軟件包接收到這個以太網信息幀時，馬上向系統控制主板發出一個包含驅動器命令的以太網信息幀。同時，每隔一定周期，系統控制主板借助于RS485總線向6個關節驅動器+1個工具板發出相對應的命令幀，并依次接受各個執行器的狀態信息，由于傳輸距離相對較長，采用CRC方法校驗。當所有關節驅動器的狀態數據包都接收完畢后，系統控制主板把所有信息匯總，發送給工業控制板的控制軟件包。

3 結論

本文介紹了針對小功率六自由度機器人進行的硬件結構總體方案設計，以及具體的實現方法，同時介紹了各個硬件之間數據相互訪問形式。在實際機器人的運行中，此硬件方案很好地保障了系統的整體運行。

［1］王田苗，陶永.我國工業機器人技術現狀與產業化發展戰略［J］.機械工程學報，2014，50（09）.

［2］孫迪生，王炎.機器人控制技術［M］.北京：機械工業出版社，1998.

［3］李騰飛，張子博.六自由度機械臂系統的設計與實現［J］.機械工程與自動化，2016（12）.

［4］李偉.六自由度關節式機器人控制系統開發［D］.上海：華東理工大學，2014.

［5］李正軍.計算機控制系統［M］.北京：機械工業出版社，2015.

［6］阮毅，陳伯時.電力拖動自動控制系統：運動控制系統［M］北京：機械工業出版社，2010.

〔編輯：張思楠〕

TP242

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2017.14.139

2095－6835（2017）14－0139－02

吳文俊（1973—），男，河南人，國際注冊能源審計師，碩士，從事的主要工作、研究方向為管理與研究、電機控制與工業機器人。