工業機器人控制系統探究范文

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摘要：

六軸工業機器人系統要求具有高實時性和高精度，本文研究了一種基于RTX的工業機器人系統。本文對工業機器人的結構做了準確介紹，重點分析了基于RTX的控制系統構架，并探究了其軟硬件結構，在利用Windows界面功能和RTX實時處理能力，實現了開放、可擴展的六軸工業機器人系統。實踐表明，這種工業機器人的點位和軌跡精度均滿足生產需要，值得推廣。

關鍵詞：

工業機器人；控制系統；實時性；探究

隨著機器人技術的發展，在現代工業生產中，機器人發揮著越來越重要的作用，改變了傳統的生產和生活方式。引起了世界各國的廣泛關注。工業機器人由機器人控制系統和機器人本體兩部分組成，一般工業計算機使用Windows操作系統，但是卻無法滿足工業機器人實時性控制要求。國內的運動控制器主要采用三種方案。本文研究了一種基于RTX（RealTimeExtend）的工業機器人控制系統，在實時性、精度方面均有優勢，可滿足應用需要。

一、工業機器人本體介紹

我國自主研發的六軸工業機器人本體的驅動裝置，采用的是交流伺服電機和減速器兩種構件。六軸工業機器人的本體，主要包括回轉機體、腕部、大臂和小臂等幾部分。其中，全部關節都是轉動關節。機器人的前三個關節，能夠將末端工具送至任何空間位置，后三個關節能夠滿足不同工具姿態的要求。從結構上面來看，第1關節為數值方向旋轉，屬于六軸工業機器人腰部關節，底部底座位置安裝著電機；第2關節相當于人體的肩關節，其軸線為水平方向，并且大臂纏繞此軸線之上；第3關節就是機器人的小臂和手腕，而第4關節為帶動手腕旋轉，第5關節做俯仰旋轉運用，第6關節做旋轉運用。Windows系統屬于多任務操作系統，可同時并行多項任務，系統核心層的任務調度器可調度用戶線程。同時，Windows系統實現了一個由優先驅動的搶占式調度系統，通過配額的調整，根據時間進行調度。根據調度機制，在運行過程中，用戶的程序如果超過了實時性的要求，即超過15ms，則可能需要等待更長時間才能得以處理。Windows系統中的硬件采用的是兩片級聯的8259芯片，但是由于PCI分配中斷資源屬于常規中斷，且由于BIOS運行屬于實時模式，因此只有在保護模式下其才能夠正常使用。這也就是說，目前系統中的中斷實現還存在局限性，需要加以進一步開發和研究，完善系統中斷實現，以更好適應機器人控制系統發展，滿足其要求。基于此，本文探究了一種基于RTX系統的六軸工業機器人控制系統。

二、基于RTX工業機器人控制系統結構介紹

（一）RTX系統事實上，RTX是Windows系統內核體系的拓展和眼神，為系統提供實時解決方案，有效拓展了抽象層HAL，建立了一種獨立內核驅動模式。RTX系統可將既有系統的線程間切換時間消耗，也只有短短的數微妙。系統結構圖如圖1所示。經過拓展的實時HAL，其RTX使用的是中斷管理模式，而與Windows線程相比，RTX可實現實時線程嚴格調度管理，并且RTX線程也比其他系統的調度權要優越。同時，通過擴展的HAL，RTX還擁有自身的中斷管理機制，可直接訪問I/O硬件端口。因此，RTX的上述機制，可該系統始終保持優先權，而不被系統線程堵塞。RTX線程與Windows線程間，可實現共享內存數據，并由實時信號負責兩部分的同步通信。RTX定時器精度，由運行環境來決定和設置，可達到0.2ms精度。

（二）系統硬件結構分析六軸工業機器人系統結構包括三部分，即機器人手臂、電氣控制箱和工業計算機。如圖2所示。機器人手臂主要負責機器人操作，其可直接帶動末端，控制和實現計算機的各種動作和操作。機器人手臂為全關節式，通過旋轉運動可實現任何動作和姿態。而電氣控制箱則是內里安裝有伺服電動驅動器的部分，用于驅動機器人手臂關節，實現手臂關節的啟停與運動。同時，這部分還包括各種保護電路、輔助電路和I/O電路等。在基于RTX機器人控制器與人機操作界面中，工業計算機可進行正常運行，控制和處理機器人的信息，控制機器人手臂運動。基于RTX六軸機器人硬件系統，主要包括PCI板卡、工控機、編碼器卡、伺服電機，以及D/A轉化卡、伺服電機驅動器等。

（三）系統軟件結構分析六軸工業機器人系統軟件結構包括人機操作界面、目標軌跡聲場和下位機等部分，分為上位機和下位機兩個模塊。其中，下位機是系統的控制器，上位機是人機操作平臺。由于上位機是機器人系統的操作平臺，其主要功能包括顯示機器人運行、顯示機器人各關節編碼器反饋信息、顯示機器人狀態監控信號，以及與RTX機器人控制器通訊。而下位機由于為機器人操作系統控制器，其主要功能包括：一是通過編碼器卡來實時接收電機位置反饋數據，二是通過共享內存來接收上位機發出的實時目標指令；三是經過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。

三、六軸工業機器人控制系統實踐

基于RTX系統的六軸工業機器人系統，通過軟件結構與硬件結構，探究出了一種基于RTX的六軸工業機器人系統。這種工業機器人本體的重量為20kg，其額定負載1kg，其一軸和二軸采用的電機均為400W，而三軸采用的是200W伺服電機，第四軸、第五軸和第六軸選用50W伺服電機。基于RTX機器人控制器的控制周期為1ms，其運動規劃控制主要由S型曲線實現。機器人運動軌跡精度測量，則使用FARO激光跟蹤儀，是將激光跟蹤儀固定于機器人末端，其發射與接收器實時快速跟隨靶球移動，用以測量基于RTX系統工業機器人運動軌跡的精度。機器人點運動和軌跡運動精度見表1。

四、結論

本文探究了一種基于RTX六軸工業機器人系統架構，同時利用了Windows資源與RTX的實時處理能力，探究出了一種開放型的、可擴展的工業機器人系統，從而為六軸工業機器人控制算法與功能擴展提供了基礎。同時，基于RTX系統結構的研制成功，也表明我國具有了自主研發的機器人，其測試和實踐結果表明，基于RTX體系結構的六軸工業機器人的運動控制效果良好。機器人控制系統給定的輸入信號為正弦信號，根據仿真所得的結果，表明系統顯示出了良好的動態特性。而通過建立機電仿真模型，在分析進給驅動系統整體動態特性的同時，還能夠分析機械傳動機構動力學特征，以及設計伺服控制算法、優化調整控制參數等，為提升工業自動化整體性能發揮更大的作用。

五、結語

隨著工業的發展，特別是機器人制造技術的發展，更加智能的機器人控制系統已經被制作出來。傳統基于Windows系統的工業機器人，雖然也適應工業發展需求，但是其精度和實時性控制方面，卻不適應未來發展趨勢。文章根據工業發展需要，探究了一種基于RTX系統的六軸工業機器人，介紹了其控制系統中的硬件和軟件部分，并探討了其實際運行的效果，結果表明適應生產需要，值得推廣。

參考文獻

[1]蘇炳恩.基于EtherCAT總線的六軸工業機器人控制系統研究與開發[D].華南理工大學，2013.

[2]畢魯雁，劉立生.基于RTX的六軸工業機器人系統設計[J].機床與液壓，2013（15）：134-136+163.

[3]廖新輝.手機自動化生產線六軸機器人單元工作原理及常見故障分析[J].機電工程技術，2015（06）：52-55.

作者：湯嘉榮 單位：廣州數控設備有限公司 廣州市廣數職業培訓學院