談工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)硬件架構(gòu)設(shè)計(jì)

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摘要：《中國(guó)制造2025》明確提出工業(yè)機(jī)器人作為未來(lái)5年重點(diǎn)發(fā)展方向，旨在建設(shè)一批擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的、高性能的國(guó)產(chǎn)機(jī)器人品牌。但是由于我國(guó)機(jī)器人研究和應(yīng)用起步時(shí)間較晚，導(dǎo)致工業(yè)機(jī)器人控制器市場(chǎng)基本被進(jìn)口產(chǎn)品壟斷。因此，本文提出了一種模塊化的工業(yè)機(jī)器人控制器硬件架構(gòu)，具有可擴(kuò)展、低成本、穩(wěn)定性高等優(yōu)點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：機(jī)器人；模塊化；控制器

引言

在制造業(yè)中，使用機(jī)器人替換人力勞動(dòng)，可以在節(jié)約成本的同時(shí)有效提高生產(chǎn)效率和質(zhì)量，隨著智能制造的逐步推廣，必然極大推動(dòng)工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展，同時(shí)，也對(duì)工業(yè)機(jī)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(yè)機(jī)器人控制器。工業(yè)機(jī)器人是一種典型的自動(dòng)化、數(shù)字化、智能化的機(jī)電設(shè)備，它主要由機(jī)械本體、控制系統(tǒng)、伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和傳感器系統(tǒng)構(gòu)成。其中，控制系統(tǒng)核心，是機(jī)器人的大腦，對(duì)機(jī)器人功能強(qiáng)弱和性能高低起決定性作用。文獻(xiàn)[2]提出了一種基于I.MX6的工業(yè)機(jī)器人示教系統(tǒng)硬件平臺(tái)，功耗低，外設(shè)豐富，但是，該平臺(tái)基于安卓系統(tǒng)導(dǎo)致其實(shí)時(shí)性較低，無(wú)法滿足工業(yè)生產(chǎn)的要求。文獻(xiàn)[3]提出了一種基于PLC和觸摸屏的機(jī)器人控制器，該方法性能穩(wěn)定，但是PLC不適合大量數(shù)據(jù)運(yùn)算使用，導(dǎo)致其只能應(yīng)用在結(jié)構(gòu)非常簡(jiǎn)單的機(jī)器人中，缺乏通用性。本文首先根據(jù)工業(yè)機(jī)器人的功能需求，將工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)分為人機(jī)交互系統(tǒng)和運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，然后分別設(shè)計(jì)與之對(duì)應(yīng)的硬件架構(gòu)。運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)采用ARM系列CPU作為主控芯片，計(jì)算效率高，穩(wěn)定性強(qiáng)。人機(jī)交互系統(tǒng)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(kuò)展。

1硬件架構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)硬件框架設(shè)計(jì)

本文采用32位低功耗、基于ARMCorex-M7內(nèi)核的STM32F767作為運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的主控CPU，該CPU工作主頻可達(dá)160MHZ，采用精簡(jiǎn)指令集，支持32位雙精度硬件FPU（FloatPointUnit），在需要進(jìn)行大量浮點(diǎn)運(yùn)算的系統(tǒng)中，計(jì)算速度是同系列不支持FPU芯片的數(shù)十倍。相比其它必須按照IEEE-745標(biāo)準(zhǔn)來(lái)完成浮點(diǎn)運(yùn)算的CPU，支持FPU單元浮點(diǎn)運(yùn)算的CPU只需要幾條指令便可以完成，計(jì)算速度非常快，大大提高了計(jì)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(jì)算效率。運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)硬件框圖如圖1所示，虛線表示電源供電連接、實(shí)線表示信號(hào)通訊連接。從圖中可以看出，運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)硬件主要包含了電源模塊、CPU模塊、輸入輸出模塊、晶振復(fù)位模塊、JTAG模塊和大量的外設(shè)模塊。預(yù)留多種外設(shè)模塊，方便后期功能的擴(kuò)展，例如增加模擬量輸入輸出單元、視覺識(shí)別單元等。伺服控制是運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的核心功能之一，將計(jì)算的插補(bǔ)結(jié)果發(fā)送到伺服系統(tǒng)中，控制電機(jī)的運(yùn)動(dòng)從而達(dá)到控制機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的效果。傳統(tǒng)采用方向脈沖的方式，需要大量的外設(shè)IO和接線，顯然已經(jīng)不能滿足機(jī)器人控制的需求。本文采用CANopen協(xié)議作為伺服控制協(xié)議，CANopen是一種架構(gòu)在控制局域網(wǎng)路（ControllerAreaNetwork,CAN）上的高層通訊協(xié)定，是工業(yè)控制常用到的一種現(xiàn)場(chǎng)總線[4]，廣泛用于汽車、航空航天、機(jī)器人等領(lǐng)域。如圖2所示，只需要兩根通訊線就可以連接所有的設(shè)備，與傳統(tǒng)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(shí)控制多達(dá)72個(gè)伺服驅(qū)動(dòng)電機(jī)單元。與MODBUS總線相比，CAN總線數(shù)據(jù)鏈路層可靠，物理層穩(wěn)定，兼容性高，支持冗余設(shè)備[5]。

1.2人機(jī)交互系統(tǒng)硬件框架設(shè)計(jì)

人機(jī)交互系統(tǒng)采用基于AM3358的一款開發(fā)套件BeagleBlack，該套件的處理器內(nèi)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(chǔ)模塊和Flash模塊外，還預(yù)留了多種外設(shè)接口，例如HDMI、USBHost、ADC、JTAG、LCD屏接口、以太網(wǎng)接口、SD卡接口等。此外，還集成NEONSIMD協(xié)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(jī)交互系統(tǒng)使用。鑒于人機(jī)交互系統(tǒng)需要很多較為復(fù)雜的功能，例如文件系統(tǒng)、U盤讀寫、網(wǎng)絡(luò)通信、LCD顯示、多任務(wù)管理等等，若裸機(jī)進(jìn)行開發(fā)，底層驅(qū)動(dòng)開發(fā)需要花費(fèi)大量時(shí)間和人力，但是若底層采用可靠性強(qiáng)的操作系統(tǒng)，則只需要開發(fā)應(yīng)用程序，系統(tǒng)的移植和常用驅(qū)動(dòng)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(fā)工作量、縮短了開發(fā)周期。工業(yè)機(jī)器人廣泛用于制造業(yè)，因此，工業(yè)機(jī)器人的人機(jī)交互系統(tǒng)通常需要一定的實(shí)時(shí)性，因此本次研究采用開源的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)RTLinux（AReal-TimeLinux亦稱作實(shí)時(shí)Linux），它是眾多開發(fā)人員針對(duì)實(shí)時(shí)系統(tǒng)的特點(diǎn)[6]，在硬件和內(nèi)核之間增加了一個(gè)虛擬層，修改Linux內(nèi)核得到的一個(gè)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，目前該系統(tǒng)已經(jīng)被廣泛用于工業(yè)設(shè)備中[7]，實(shí)踐證明，該系統(tǒng)能夠完成既包括實(shí)時(shí)部分又包括非實(shí)時(shí)部分的復(fù)雜任務(wù)[8]。

2總結(jié)

本文設(shè)計(jì)的硬件架構(gòu)性能高，方便擴(kuò)展多種外設(shè)，可以滿足工業(yè)上對(duì)實(shí)時(shí)性和通用性的要求，同時(shí)，CPU支持DSP功能，可以滿足工業(yè)機(jī)器人控制中大量的矩陣計(jì)算要求，同時(shí)采用模塊化設(shè)計(jì)，預(yù)留豐富接口，方便擴(kuò)展。經(jīng)過(guò)測(cè)試得出，該工業(yè)機(jī)器人架構(gòu)穩(wěn)定、可靠，性能強(qiáng)，經(jīng)濟(jì)效益高。

參考文獻(xiàn)

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作者：吳樂平 顧晟吉 巢勤奮 單位：南京旭上數(shù)控技術(shù)有限公司