一種實用的機器人控制器力/位混合控制技術(shù)

　　針對機器人主動柔順控制在工程中如何實現(xiàn)的問題，開發(fā)了一種開放式機器人控制器。此控制器采用“PC+PMAC”的控制結(jié)構(gòu)，利用伺服驅(qū)動器的兩種不同的控制模式，提出了一種實用的力／位混合控制方案，給出了相應(yīng)的硬件和軟件的具體實現(xiàn)。實驗表明，文章提出的力／位混合控制方法具有良好的穩(wěn)定性和力控制精度。

　　1，引言

　　隨著機器人在各個領(lǐng)域應(yīng)用的日益廣泛，許多場合要求機器人具有力控制的能力。例如，機器人的精密裝配、修刮或工件表面磨削、拋光和擦洗等。在操作過程中要求保持其末端執(zhí)行器與環(huán)境接觸。完成這些作業(yè)任務(wù)，必須具備從自由空問到約束空問的對力的柔順控制能力。

　　柔順控制分為主動柔順控制和被動柔順性控制。被動柔順控制由于其專業(yè)性強，成功率低等不足使應(yīng)用范圍受到限制。為了克服其不足，需要對機器人采用主動柔順控制，即力控制。本系統(tǒng)采用基于PC總線的開放式機器人控制器，具體以PC+DSP運動控制卡的結(jié)構(gòu)來構(gòu)造特種機器人開放式的硬件平臺，以滿足機器人在完成接觸性作業(yè)時力控制的需要。

　　2，力／位混合控制特種機器人的工作原理

　　針對特殊接觸性作業(yè)，本系統(tǒng)中的機器人是平面三自由度操作手，整個操作手有一個移動副，兩個轉(zhuǎn)動副。適用于在回轉(zhuǎn)殼體內(nèi)或外壁表面卜完成某些接觸性作業(yè)，如在殼體內(nèi)完成清理污垢或打磨表面等。其中，整個操作手由三個伺服電機驅(qū)動，回轉(zhuǎn)殼體由一個伺服電機驅(qū)動，共四個伺服電機。

　　3，開放式機器人控制器的構(gòu)成

　　3．1 開放式機器人控制器的實現(xiàn)模式

　　控制系統(tǒng)以：I：業(yè)控制計算機（IPC）為上位機，以插接在IPC主板ISA擴展槽內(nèi)的DSP控制卡為系統(tǒng)的控制核心。此種IPC+PMAC雙CPU的控制模式具有實現(xiàn)方便、功能強大、可靠性高等特點，是一種開放式的控制系統(tǒng)。整個控制器采用了模塊化的體系結(jié)構(gòu)，工業(yè)PC機處理非實時的部分，實時的運動控制由DSP運動控制卡來承擔(dān)。

　　控制系統(tǒng)采用的DSP運動控制器為Delta Tan公司的I型PMAC八軸運動控制卡。PMAC從硬件和軟件上都體現(xiàn)了優(yōu)秀的開放性能和強大的運動控制能力。PMAC卡較一般運動控制器有很強的處理能力、軌跡特性和輸入帶寬，并且有較強的靈活性，能適用于多總線結(jié)構(gòu)（PC、STD、VME）。

　　其具體的功能包括：多軸插補計算、用戶輔助PLC編程以及模擬量數(shù)據(jù)采集處理。本系統(tǒng)中PMAC控制卡的硬件核心為Mo．tomla的DSP56003數(shù)字信號處理芯片，伺服周期單軸為55Vs，可接收來自測速發(fā)電機、光電編碼盤、光柵、旋轉(zhuǎn)變壓器的多種反饋信號，能與多種伺服電機兼容。PMAC控制卡的優(yōu)良特性為實現(xiàn)專用機器人力控制提供了良好的硬件平臺。

　　圖1機器人操作手工作原理圖

　　1．大臂2．小臂3．執(zhí)行機構(gòu)（可繞X軸旋轉(zhuǎn)）4．不規(guī)則的內(nèi)壁表面5．回轉(zhuǎn)殼體

　　本系統(tǒng)應(yīng)用的I型PMAC，有j1一J8不同功能的外部接口，可控制1～8軸。本系統(tǒng)中用到了四個接口，J3（多路撥碼開關(guān)I／0）一與ACC一34AA（PMAC的附件）連接；J5（通用數(shù)字輸入和輸出）一控制光耦和中間繼電器；J7（模擬輸出5—8軸）一控制執(zhí)行機構(gòu)和驅(qū)動回轉(zhuǎn)殼體；J8（模擬輸出1—4軸）一控制大臂和小臂電機。

　　3．2 膠片粘貼機器人的硬件平臺

　　本系統(tǒng)采用工控機IPC、PMAC I型8軸運動控制卡、雙端口RAM（DPRAM）、I／O擴展板ACC一34AA、松下、安川伺服電機及驅(qū)動器共四套，用于它們之間控制的接口連接板一塊。其控制系統(tǒng)構(gòu)成圖2所示，本系統(tǒng)自行開發(fā)的接口連接板如圖3所示。

　　在控制系統(tǒng)中，用到了PMAC的兩個附件：

　?、貲PRAM（Dual port RAM）：雙端口RAM

　　②ACC一34AA：多路I／O驅(qū)動板

　　其中，DPRAM作為PMAC的附件，是IPC和PMAC之間的通訊橋梁。DPRAM為主機和PMAC之間可以共享高速內(nèi)存區(qū)，通過DPRAM，1PC與PMAC之問可以方便地進(jìn)行無握手?jǐn)?shù)據(jù)交換。DPRAM在主機（IPC）和PMAC之間有地址映射，用這個地址映射匹配兩邊的內(nèi)存地II：、DPRAM對數(shù)據(jù)實時性的保證，提高了控制系統(tǒng)的靈敏性，使操作手實施主動柔順控制時力誤差減少，力控制精度大大增加。DPRAM與IPC、PMAC的關(guān)系見圖4。

　　圖3接線連接板外形圖

　　圖4 DPRAM連接簡圖

　　ACC一34AA也是PMAC的附件之一，可以提供64個光隔離的分立I／（）點，以32位字分組，有32個輸入點和32個輸出點。輸入點可以接收外部輸入控制信號，以便卜位控制器（PMAC）作出決策。比如，在本系統(tǒng)中接受控制面板l：的輸入控制信號。

　　圖5 ACC一34AA基本功能圖

　　輸出點可以接繼電元件，最終控制外圍設(shè)備的起停。ACC一34AA的基本功能如圖5所示。

　　PMAC運行后臼PIc程序，通過M變量對ACC一34AA輸入端和輸出端進(jìn)行只讀和只寫。

　　4 開放式特種機器人的力／位混合控制

　　4．1力控制的必要性

　　為使機器人在約束環(huán)境中具有靈活性，同時避免與環(huán)境接觸時產(chǎn)生過大的接觸力或力矩，這就要求機器人終端具備同時控制其終端位置和力的能力。本系統(tǒng)中，機器人操作手要在工作空間狹小的回轉(zhuǎn)殼體內(nèi)完成預(yù)定的接觸性作業(yè)，此項作業(yè)要求執(zhí)行機構(gòu)要在殼體內(nèi)壁上定位精確，同時能夠在不規(guī)則的回轉(zhuǎn)殼體內(nèi)壁表面上不同區(qū)域始終保持接觸，且接觸力的大小恒定或按規(guī)定輸出。因此，本文在位置伺服系統(tǒng)的基礎(chǔ)上考慮力控制，以使操作手獲得對未知環(huán)境的柔順性。

　　4．2 基于PMAC力／位混合控制的硬件實現(xiàn)

　　為了實現(xiàn)機器人末端的力／位混合控制，需要PMAc的模擬輸出分別工作在伺服驅(qū)動器的速度和轉(zhuǎn)矩控制模式下，見圖6所示。

　　圖6伺服驅(qū)動器輸出模式

　　驅(qū)動器的速度模式和力矩模式都接受上位控制器（PMAC）的模擬信號。其中，速度模式的是以控制位置為主要控制指標(biāo)，而力矩模式是以控制轉(zhuǎn)矩為主要控制指標(biāo)，在力矩模式下可以在額定轉(zhuǎn)矩范匿內(nèi)實現(xiàn)恒轉(zhuǎn)矩輸出。

　　為了實現(xiàn)以上要求，操作手的接觸作業(yè)分三個步驟：首先操作手在速度模式下到達(dá)預(yù)定的位置并保持一定的姿態(tài)，在這種模式下利用電流環(huán)的位置控制更準(zhǔn)確；隨后，對伺服電機進(jìn)行模式轉(zhuǎn)換，小臂在力矩模式下豎直抬起，在執(zhí)行機構(gòu)接近殼體時，執(zhí)行機構(gòu)的電機處于自由狀態(tài)以保證能良好的依附于殼體內(nèi)壁；最后，在末端機構(gòu)與殼體內(nèi)壁接觸時，殼體轉(zhuǎn)動，依靠反饋信息調(diào)節(jié)小臂伺服電機的轉(zhuǎn)矩使執(zhí)行器能夠始終與殼體保持接觸并控制一定的接觸力，從而使機器人能夠在非結(jié)構(gòu)表面下進(jìn)行有效的力控制，完成接觸性作業(yè)。

　　本系統(tǒng)中PMAC運動控制器共控制四軸聯(lián)動，但由于操作手中大臂、小臂、執(zhí)行機構(gòu)要分別工作于兩種不同模式下，所以實際占用PMAC的軸通道數(shù)為7個。在這兩種模式下，驅(qū)動器側(cè)接受控制器指令的輸入引腳不同，以松下驅(qū)動器為例，速度模式下用14、15引腳，而在力矩模式下用16、17引腳。本系統(tǒng)中PMAC與驅(qū)動器模式轉(zhuǎn)換的雙通道連接見圖7。

　　圖7雙軸通道伺服輸出連接圖

　　圖7所示兩個軸通道DACl一DAC2（PMAC的43、44）模擬輸出分別接到伺服驅(qū)動器的速度和轉(zhuǎn)矩指令引腳（驅(qū)動器側(cè)的14、16）。軸通道1（DACl）的輔助連接是指與其有關(guān)的反饋、驅(qū)動器使能和報錯、限位等連接。，如，CHAl一CHCl是通道1的編碼盤反饋信號，+LIMI和一LIMl是在反方向和正方向的限位信號，AENAI／D1RI是放大器使能信號，決定伺服驅(qū)動器的使能，其它類似引腳不在詳述。、PMAC的J8有60個引腳，有四個軸輸出{通道，每個軸輸出通道都有一套類似的輔助連接，每個軸輸出通道根據(jù)其相應(yīng)的輔助連接而凋節(jié)模擬輸出，完成伺服功能。在驅(qū)動器一側(cè)，要實現(xiàn)兩種模式，需要軸輸出通道的模擬指令信號在14和16之間切換，如果用一個軸輸出通道，需要在PMAC和驅(qū)動器之間自己搭建電路在外部來完成此切換，這樣做實時性不好，可靠性也不高。，因此本系統(tǒng)采用PMAC的兩個軸通道來實現(xiàn)塒驅(qū)動器兩種模式的伺服輸出，這樣做可以不必搭建外部電路，而11保證實時性的要求。具體做法是通過PMAC的J5 1來改變C—MODE的狀態(tài)。如果單獨控制兩個軸通道時，需要兩套輔助連接以保證軸通道的伺服輸出，但實際上一個驅(qū)動器及外部開關(guān)只能提供一套軸通道輔助連接，這需要PMAC在其內(nèi)部完成輸出的切換，通過設(shè)置I變量中的IX0217 J，這種切換保證在只有一套軸輔助連接的前提下，PMAC對兩個軸通道伺服輸出。

　　4．3 基于PMAC力／位控制的軟件實現(xiàn)

　　整個控制軟件包括實時控制軟件與上位機的系統(tǒng)管理軟件兩部分。實時控制軟件包括伺服驅(qū)動、PLC監(jiān)控、數(shù)據(jù)采集等；系統(tǒng)管理軟件包括初始化、參數(shù)輸入、雙CPU通訊、殼體作業(yè)規(guī)劃等。為了在PMA（：中實現(xiàn)操作手的力／位混合控制，控制軟件在Windows平臺L用VC++6．0編寫系統(tǒng)應(yīng)用程序，同時調(diào)用PMAC中PCOMM32PRO動態(tài)連接庫中的函數(shù)完成對PMAC的實時操作。、

　　在PMAC的初始化程序中作以下設(shè)置和定義：

　　其中，Pl為殼體入口處位置的橫坐標(biāo)，P2為殼體作業(yè)位置的橫坐標(biāo)，P3為殼體作業(yè)位置的縱坐標(biāo)，P】00為力矩設(shè)置值。／102為電機指令輸出地址，1169為小臂電機DAC輸出限制，c為標(biāo)定小臂角度極限。M162為寄存器中存儲小臂電機（電機1）實際位置值。M168為輸出力矩對DAC的標(biāo)定值。

　　控制流程如圖8所示。

　　5 結(jié)論

　　本文針對要完成接觸性作業(yè)的特種機器人，研究了一個實用的開放式的機器人控制器。應(yīng)用IPC和PMAC雙CPU的開放式結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了兩個級別的開放度，獲得了較好的人機交互能力，并在基礎(chǔ)上，對機器人進(jìn)行有效的力／位混合控制，給出了具體控制的硬件和軟件實現(xiàn)，此系統(tǒng)能夠使機器人在非結(jié)構(gòu)表面上完成接觸性操作。該系統(tǒng)在用于非規(guī)則殼體內(nèi)壁表面的貼片作業(yè)中已取得了良好的控制效果。