張艷蕾 朱高峰

1 簡(jiǎn)介
　　
隨著信息技術(shù)、材料技術(shù)、新能源技術(shù)等新技術(shù)與制造技術(shù)的相互交叉、滲透、融合，現(xiàn)在的制造業(yè)與過去相比有了許多重大而深刻的變化。El益增長(zhǎng)的復(fù)雜性是現(xiàn)在制造業(yè)的一個(gè)重要特點(diǎn)，這不僅表現(xiàn)在制造系統(tǒng)中，還表現(xiàn)在所制造的產(chǎn)品，制造過程以及企業(yè)的結(jié)構(gòu)中。這種復(fù)雜性為工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展提供了一個(gè)好的機(jī)遇，當(dāng)然，也是一種挑戰(zhàn)!東莞理工學(xué)院處于東莞松山湖高新開發(fā)區(qū)，東莞作為一個(gè)現(xiàn)代制造業(yè)名城，正處于產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型的最關(guān)鍵時(shí)期，如果能適時(shí)的把工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用到各企業(yè)生產(chǎn)線的改造中，無(wú)疑將有著巨大的空間和前景。
　　
本工業(yè)機(jī)器人是一種精密型裝配機(jī)器人，采用四軸伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制，實(shí)現(xiàn)四軸空間聯(lián)動(dòng)，配置不同工具包可實(shí)現(xiàn)搬運(yùn)、碼垛、裝配等工作，具有速度快、精度高、柔性好等特點(diǎn)，采用交流伺機(jī)服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，由操作機(jī)（機(jī)械本體）、控制器、伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和傳感裝置構(gòu)成：
　　
（1）操作機(jī)：通過有限元分析、模態(tài)分析及仿真設(shè)計(jì)等現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法的運(yùn)用，機(jī)器人操作機(jī)已實(shí)現(xiàn)了優(yōu)化設(shè)計(jì)。
　　
（2）控制器：由開始應(yīng)用香港固高科技有限公司的GT系列運(yùn)動(dòng)控制器到自主開發(fā)基于ARM9的控制器，并且實(shí)現(xiàn)了軟件伺服和全數(shù)字控制。
　　
（3）伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)：采用富士伺服器。
　　
（4）傳感裝置：正在嘗試使用激光傳感器、視覺傳感器和力傳感器在機(jī)器人系統(tǒng)中應(yīng)用，這樣就能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)線上物體的自動(dòng)定位以及精密裝配作業(yè)等，大大提高了機(jī)器人的作業(yè)性能和對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性。
　　
（5）網(wǎng)絡(luò)通信：機(jī)器人控制器已實(shí)現(xiàn)了與Canbus、Profibus總線及一些網(wǎng)絡(luò)的連接，使機(jī)器人由過去的獨(dú)立應(yīng)用向網(wǎng)絡(luò)化應(yīng)用邁進(jìn)了一大步，也使機(jī)器人由過去的專用設(shè)備向標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)備發(fā)展。

2 數(shù)據(jù)通信方式
　　
由于串行通信所用的傳輸線少，傳輸?shù)木嚯x長(zhǎng)，有利于實(shí)時(shí)控制和管理，所以本系統(tǒng)采用了串行通信方式，“串行通信”時(shí)，數(shù)據(jù)在一根數(shù)據(jù)線上～位一位地進(jìn)行傳輸，每一位數(shù)據(jù)都占用某一固定的時(shí)間段，但由于計(jì)算機(jī)CPU與接口之間按并行方式傳輸，接口與外設(shè)之間按串行方式傳輸，因此在串行接口中必須有“接受移位寄存器”和“發(fā)送移位寄存器”，負(fù)責(zé)串行數(shù)據(jù)和并行數(shù)據(jù)間的轉(zhuǎn)換，能夠完成“串<——>并”轉(zhuǎn)換功能的電路稱為“通用異步收發(fā)器”。在傳輸?shù)乃俣壬希型ㄐ琶黠@低于并口通信，但是串行通信的成本低、通信距離長(zhǎng)的優(yōu)勢(shì)是顯而易見的。
　　
信息傳輸在一個(gè)方向上只占用一根通信線，這根線既作數(shù)據(jù)線又作聯(lián)絡(luò)線，上位機(jī)與機(jī)器人間的協(xié)議按照如下三個(gè)級(jí)別來組織的。
　　
（1）物理層：是指用來執(zhí)行這種通信的硬件，包括數(shù)據(jù)線和控制線本系統(tǒng)中采用RS232串口，機(jī)器人一端為9針D形接頭，另一端RJ-45接頭連到了終端服務(wù)器TerminalServer擴(kuò)展的串行接口上，然后通過終端服務(wù)器的網(wǎng)絡(luò)接口與FMS局域網(wǎng)相連、最終實(shí)現(xiàn)與機(jī)器人控制算機(jī)的連接。硬件平臺(tái)如圖1。

（2）數(shù)據(jù)鏈路層：該層是一種低級(jí)的通信協(xié)議，該協(xié)議利用發(fā)送與接受特殊的控制字符確保信息可靠的發(fā)送。工業(yè)機(jī)器人控制器與上位計(jì)算機(jī)之間的信息交換由字符串組成，該字符串包括實(shí)際要交換的信息以及附加的控制字符，附加字符是必須的，以便接受設(shè)備能夠決定是否已接受到一個(gè)完整的信息。發(fā)送一個(gè)機(jī)器人的控制指令，需要經(jīng)過以下六個(gè)階段：發(fā)送開相、打包發(fā)送、發(fā)送閉相、接受開相、接受解包和接受閉相。
　　
（3）應(yīng)用層：該層是一種高級(jí)的通信協(xié)議，該協(xié)議定義了每一種信息的內(nèi)容以及每一種信息的響應(yīng)。機(jī)器人控制器接受到一個(gè)信息后，信息必須由其控制器負(fù)責(zé)譯碼，并作出相應(yīng)的動(dòng)作，能夠響應(yīng)上位計(jì)算機(jī)信息指令的軟件就稱為應(yīng)用級(jí)協(xié)議。在本系統(tǒng)中，主要由上位機(jī)發(fā)送L0ADV、SAVEV、JwAIT、START四類指令，實(shí)現(xiàn)微機(jī)啟動(dòng)機(jī)器人并進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。

3 控制器
　　
如何有效地將其他領(lǐng)域（如圖像處理、聲音識(shí)別、最優(yōu)控制、人工智能等）的研究成果應(yīng)用到機(jī)器人控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)操作中，是一項(xiàng)富有挑戰(zhàn)性的研究工作．而具有開放式結(jié)構(gòu)的模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化機(jī)器人控制器的研究無(wú)疑對(duì)提高機(jī)器人性能和自主能力、推動(dòng)機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展具有重大意義．機(jī)器人控制器是根據(jù)指令以及傳感信息控制機(jī)器人完成一定的動(dòng)作或作業(yè)任務(wù)的裝置，它是機(jī)器人的心臟，決定了機(jī)器人性能的優(yōu)劣。



這里采用了串行的控制算法處理方式，機(jī)器人的控制算法是由串行機(jī)來處理。用上、下位機(jī)二級(jí)分布式結(jié)構(gòu)，上位機(jī)負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)管理以及運(yùn)動(dòng)學(xué)計(jì)算、軌跡規(guī)劃等。下位機(jī)由多CPU組成，每個(gè)CPU控制一個(gè)關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)，這些CPU和主控機(jī)聯(lián)系是通過總線形式的緊耦合。這種結(jié)構(gòu)的控制器工作速度和控制性能明顯提高，但這些多CPU系統(tǒng)共有的特征都是針對(duì)具體問題而采用的功能分布式結(jié)構(gòu)，即每個(gè)處理器承擔(dān)固定任務(wù)，控制器計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中的位置控制部分，采用數(shù)字式位置控制。硬件平臺(tái)本一開始采用固高公司生產(chǎn)的GT系列運(yùn)動(dòng)控制器，可以同步控制四個(gè)運(yùn)動(dòng)軸，實(shí)現(xiàn)多軸協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)。其核心由ADSP2I8l數(shù)字信號(hào)處理器和FPGA組成，可以實(shí)現(xiàn)高性能的控制計(jì)算。研究過程中，有以下幾個(gè)局限性：
　　
（1）開放性差：局限于“專用計(jì)算機(jī)、專用機(jī)器人語(yǔ)言、專用微處理器”的封閉式結(jié)構(gòu)。封閉的控制器結(jié)構(gòu)使其具有特定的功能、適應(yīng)于特定的環(huán)境，不便于對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行擴(kuò)展和改進(jìn)；

（2）軟件獨(dú)立性差：軟件結(jié)構(gòu)及其邏輯結(jié)構(gòu)依賴于處理器硬件，難以在不同的系統(tǒng)間移植；
　　
（3）容錯(cuò)性差：由于并行計(jì)算中的數(shù)據(jù)相關(guān)性、通訊及同步等內(nèi)在特點(diǎn)，控制器的容錯(cuò)性能變差，其中一個(gè)處理器出故障可能導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)的癱瘓；
　　
（4）擴(kuò)展性差：目前，機(jī)器人控制器的研究著重于從關(guān)節(jié)這一級(jí)較常見的，比如對(duì)空宅導(dǎo)彈導(dǎo)引火來說，鎖定和預(yù)偏是兩個(gè)經(jīng)常要用到的功能，而它們卻對(duì)伺服系統(tǒng)的形式和速率傳感器的選擇提出丁不同的要求。

首先，如果在導(dǎo)引頭內(nèi)增加一套測(cè)速機(jī)元什，則問題就可以解決，但這樣做會(huì)使系統(tǒng)復(fù)雜程度提高，利于產(chǎn)品研制的工程化和小型化；再者，通過計(jì)算分析發(fā)現(xiàn)，在導(dǎo)彈的掛帆飛行狀態(tài)，導(dǎo)引光軸雖然要求復(fù)現(xiàn)的是相對(duì)彈體的鎖定，搜索和雷達(dá)黼動(dòng)信號(hào)，但導(dǎo)彈住掛機(jī)狀態(tài)彈體擺動(dòng)角速度不是太大，且擺動(dòng)持續(xù)的時(shí)間也不會(huì)很長(zhǎng)，如果導(dǎo)引頭的鎖定品質(zhì)能滿足要求，則利用速率陀螺來進(jìn)行反饋的弊端就可被大大減弱。所以經(jīng)過綜合考慮，決定仍僅采用速率陀螺作為內(nèi)回路速度傳感器件，以科于更好地實(shí)現(xiàn)光軸對(duì)El標(biāo)的穩(wěn)定跟蹤。

4 仿真驗(yàn)證
　　
以隨動(dòng)系統(tǒng)復(fù)現(xiàn)相對(duì)慣性空間穩(wěn)定的輸入為例，為進(jìn)一步比較兩種方案，我們利用ADAMs軟件和MATLAB軟件一起進(jìn)行了位標(biāo)器運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)『J學(xué)和控制系統(tǒng)聯(lián)合仿真。仿真條件假設(shè)目標(biāo)在空間靜止，在中環(huán)通道，分別利用陀螺速度反饋和測(cè)速機(jī)速度反饋，在彈體擺動(dòng)情況下，進(jìn)行目標(biāo)指示信息的隨動(dòng)，對(duì)指向誤差（即光軸與視線的夾角）的大小進(jìn)行記錄，仿真結(jié)果如圖3所示。


其中實(shí)線為采用陀螺信號(hào)時(shí)的誤差，虛線為采用測(cè)速機(jī)信號(hào)時(shí)的誤差。結(jié)果表明，采用陀螺信號(hào)作為反饋信號(hào)可以有效地減小彈體擺動(dòng)情況系統(tǒng)的隨動(dòng)誤差，此結(jié)果與前面理論分析結(jié)果也基本一致。

5 結(jié)語(yǔ)
　　
本文詳細(xì)分析了動(dòng)基座隨動(dòng)系統(tǒng)不同輸入信號(hào)的類型，得出對(duì)相對(duì)基座穩(wěn)定的輸入采用測(cè)速機(jī)反饋、對(duì)相對(duì)慣性空間穩(wěn)定的輸入采用速率陀螺反饋的傳感器選用原則，并以空空導(dǎo)彈導(dǎo)引頭為例進(jìn)行了ADAMs和MATLAB聯(lián)合數(shù)字仿真，仿真結(jié)果驗(yàn)證了分析的正確性。

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