談工業機器人控制系統硬件架構設計

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摘要：《中國制造2025》明確提出工業機器人作為未來5年重點發展方向，旨在建設一批擁有自主知識產權的、高性能的國產機器人品牌。但是由于我國機器人研究和應用起步時間較晚，導致工業機器人控制器市場基本被進口產品壟斷。因此，本文提出了一種模塊化的工業機器人控制器硬件架構，具有可擴展、低成本、穩定性高等優點。

關鍵詞：機器人；模塊化；控制器

引言

在制造業中，使用機器人替換人力勞動，可以在節約成本的同時有效提高生產效率和質量，隨著智能制造的逐步推廣，必然極大推動工業機器人的發展，同時，也對工業機器人提出了更高的要求[1]。就必然需要一款高性能、模塊化、低成本的工業機器人控制器。工業機器人是一種典型的自動化、數字化、智能化的機電設備，它主要由機械本體、控制系統、伺服驅動系統和傳感器系統構成。其中，控制系統核心，是機器人的大腦，對機器人功能強弱和性能高低起決定性作用。文獻[2]提出了一種基于I.MX6的工業機器人示教系統硬件平臺，功耗低，外設豐富，但是，該平臺基于安卓系統導致其實時性較低，無法滿足工業生產的要求。文獻[3]提出了一種基于PLC和觸摸屏的機器人控制器，該方法性能穩定，但是PLC不適合大量數據運算使用，導致其只能應用在結構非常簡單的機器人中，缺乏通用性。本文首先根據工業機器人的功能需求，將工業機器人控制系統分為人機交互系統和運動控制系統，然后分別設計與之對應的硬件架構。運動控制系統采用ARM系列CPU作為主控芯片，計算效率高，穩定性強。人機交互系統采用基于AM3358的套件，該套件接口豐富，支持多種顯示屏連接方式，方便擴展。

1硬件架構設計

1.1運動控制系統硬件框架設計

本文采用32位低功耗、基于ARMCorex-M7內核的STM32F767作為運動控制系統的主控CPU，該CPU工作主頻可達160MHZ，采用精簡指令集，支持32位雙精度硬件FPU（FloatPointUnit），在需要進行大量浮點運算的系統中，計算速度是同系列不支持FPU芯片的數十倍。相比其它必須按照IEEE-745標準來完成浮點運算的CPU，支持FPU單元浮點運算的CPU只需要幾條指令便可以完成，計算速度非常快，大大提高了計算能力。該CPU還增加了DSP指令集，例如單周期乘法指令（ACC），使用DSP指令集可以大幅度提高計算效率。運動控制系統硬件框圖如圖1所示，虛線表示電源供電連接、實線表示信號通訊連接。從圖中可以看出，運動控制系統硬件主要包含了電源模塊、CPU模塊、輸入輸出模塊、晶振復位模塊、JTAG模塊和大量的外設模塊。預留多種外設模塊，方便后期功能的擴展，例如增加模擬量輸入輸出單元、視覺識別單元等。伺服控制是運動控制系統的核心功能之一，將計算的插補結果發送到伺服系統中，控制電機的運動從而達到控制機器人運動的效果。傳統采用方向脈沖的方式，需要大量的外設IO和接線，顯然已經不能滿足機器人控制的需求。本文采用CANopen協議作為伺服控制協議，CANopen是一種架構在控制局域網路（ControllerAreaNetwork,CAN）上的高層通訊協定，是工業控制常用到的一種現場總線[4]，廣泛用于汽車、航空航天、機器人等領域。如圖2所示，只需要兩根通訊線就可以連接所有的設備，與傳統的脈沖方向控制相比，CAN總線式控制占用資源少、可靠性高、傳輸速度快，可以同時控制多達72個伺服驅動電機單元。與MODBUS總線相比，CAN總線數據鏈路層可靠，物理層穩定，兼容性高，支持冗余設備[5]。

1.2人機交互系統硬件框架設計

人機交互系統采用基于AM3358的一款開發套件BeagleBlack，該套件的處理器內核為Cortex-A8，硬件框圖如圖3所示，除了必備的CPU模塊、JTAG模塊、DDR存儲模塊和Flash模塊外，還預留了多種外設接口，例如HDMI、USBHost、ADC、JTAG、LCD屏接口、以太網接口、SD卡接口等。此外，還集成NEONSIMD協處理器，可以用于3D圖形加速、支持顯示游戲效果。非常適合作為人機交互系統使用。鑒于人機交互系統需要很多較為復雜的功能，例如文件系統、U盤讀寫、網絡通信、LCD顯示、多任務管理等等，若裸機進行開發，底層驅動開發需要花費大量時間和人力，但是若底層采用可靠性強的操作系統，則只需要開發應用程序，系統的移植和常用驅動一般芯片廠商都有提供模板，可以直接使用。極大地減少了開發工作量、縮短了開發周期。工業機器人廣泛用于制造業，因此，工業機器人的人機交互系統通常需要一定的實時性，因此本次研究采用開源的實時操作系統RTLinux（AReal-TimeLinux亦稱作實時Linux），它是眾多開發人員針對實時系統的特點[6]，在硬件和內核之間增加了一個虛擬層，修改Linux內核得到的一個實時操作系統，目前該系統已經被廣泛用于工業設備中[7]，實踐證明，該系統能夠完成既包括實時部分又包括非實時部分的復雜任務[8]。

2總結

本文設計的硬件架構性能高，方便擴展多種外設，可以滿足工業上對實時性和通用性的要求，同時，CPU支持DSP功能，可以滿足工業機器人控制中大量的矩陣計算要求，同時采用模塊化設計，預留豐富接口，方便擴展。經過測試得出，該工業機器人架構穩定、可靠，性能強，經濟效益高。

參考文獻

[1]周濟.智能制造—“中國制造2025”的主攻方向[J].中國機械工程,2015,17:001.

[2]雷凡.基于I.MX6的工業機器人示教器硬件平臺設計與驅動開發[D].華中科技大學,2017.

[3]胡洪鈞.基于PLC和觸摸屏的SCARA機器人控制系統設計[J].制造業自動化,2019(5):98-101.

[4]張莉.基于CAN總線的通信系統設計研究[J].自動化與儀器儀表,2018(4):91-94.

[5]聶磊.基于CAN總線的機器人嵌入式控制系統設計[D].哈爾濱工程大學,2015.

[6]熊四昌,周赟濤.基于嵌入式的移動圖像監控系統設計[J].計算機測量與控制,2018,026(004):82-84.

[7]劉麗霞,楊宇.LINUX兵書(程序員藏經閣)[M].電子工業出版社,2014.

[8]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(9):1-13.

作者：吳樂平 顧晟吉 巢勤奮 單位：南京旭上數控技術有限公司