《國產(chǎn)靈動機器人控制器》簡介

1、靈動機器人控制器開發(fā)者姓名華磊系統(tǒng)功能串聯(lián)六軸機器人控制開發(fā)日期2011.102013.9QQ0Ema il介紹視頻/_6目錄第一章緒論錯誤！未定義書簽1.1簡介錯誤！未定義書簽1.2開發(fā)歷史回顧錯誤！未定義書簽1.3機器人測試視頻查看網(wǎng)址 錯誤！未定義書簽1.4靈動機器人控制器主要參數(shù) 錯誤！未定義書簽第二章靈動機器人控制器錯誤！未定義書簽2.1控制器概述錯誤！未定義書簽2.2多軸聯(lián)動控制器的控制擴展卡硬件錯誤！未定義書簽2.3多軸聯(lián)動控制器的用戶軟件 錯誤！未定義書簽錯誤！未定義書簽 錯誤！未定義書簽 錯誤！未定義書簽 2.4多軸聯(lián)動控制器的驅(qū)動程序錯誤！未定義書簽2.5多軸聯(lián)動控制器的F

2、PGA程序錯誤！未定義書簽第三章控制系統(tǒng)測試錯誤！未定義書簽3.1響應(yīng)實時性和計算耗時分析 錯誤！未定義書簽3.2直線運動 MOVL測試錯誤！未定義書簽第四章 六軸機器人機械本體 錯誤！未定義書簽4.1 0.2KG 簡易六軸機器人機械本體 錯誤！未定義書簽4.2 6KG六軸機器人機械本體 .錯誤！未定義書簽4.3 6KG機器人機械本體強度和剛度的有限元分析錯誤！未定義書簽錯誤！未定義書簽錯誤！未定義書簽錯誤！未定義書簽錯誤！未定義書簽錯誤！未定義書簽4.4 6KG機器人機械測量 錯誤！未定義書簽第三章 控制系統(tǒng)測試3.1 響應(yīng)實時性和計算耗時分析1) 開關(guān)量與 FPGA 內(nèi)存的讀寫交換時間。設(shè)

3、計 FPGA 的時鐘頻率 40MHz ，存儲周期為 200 個時鐘信號，即 5us 可以完成 FPGA 內(nèi)存與外界信息的交換。 FPGA 最大可以發(fā)生電機脈沖的頻率小于 10MHz ，足 以滿足工業(yè)應(yīng)用。2) 驅(qū)動程序中斷響應(yīng)的時間。 將控制卡的中斷級別設(shè)置到設(shè)備最高級別。根據(jù)文獻(xiàn) 1推斷：中斷產(chǎn)生到中斷響應(yīng) 的延遲一般為幾十條指令的時間。估算中斷響應(yīng)延遲時間小于1us。文獻(xiàn)中的實驗也證實了上述推斷的正確性。1 ) 驅(qū)動程序定時器精度。采用 DPC 定時器，定時器的響應(yīng)例程運行與 DISPATCH_LEVEL 的 IRQL 級別3， 不會被任何普通程序打斷，但是可能會被設(shè)備中斷例程搶占。 DP

4、C 例程隊列一般 存放實時性要求不高中斷響應(yīng)例程。 DPC 定時器的時鐘源實際上認(rèn)識系統(tǒng)時鐘中 斷推動，系統(tǒng)時鐘中斷間隔一般為1015ms，所以DPC定時精度約為1015ms 左右。2) 驅(qū)動程序?qū)?FPGA 內(nèi)存讀入到用戶程序數(shù)組的時間。主要取決于 PCI 接口的速度，接口速度約為 133MB/s ，設(shè)計 FPGA 內(nèi)存大小為 4Kbyte ，則 FPGA 內(nèi)存更新一次數(shù)據(jù)的時間是 30us。3) 用戶程序?qū)斎胄畔⒌姆磻?yīng)時間。 采用定時查詢法查詢輸入信息，反應(yīng)時間約為定時器的精度，定時器的精度與線程 調(diào)度周期有關(guān)。線程調(diào)度程序運行在 DISPATCH_LEVEL 級別，線程調(diào)度周期約 36

5、ms5，用戶程序?qū)斎胄畔⒌姆磻?yīng)時間約為 36ms或更長。7)CPU 對電機軌跡的計算能力。 用當(dāng)前工業(yè)應(yīng)用最復(fù)雜的六軸機器人的運動學(xué)逆解來做測試， 即已知末端點的位姿 矩陣，求六個關(guān)節(jié)角度。在 CPU G530 2.4GHz 上做測試， 36秒完成了 1000000 次 求解，平均36us每次求解。如果按軌跡插補間距0.1mm,計算，本系統(tǒng)可以達(dá)到的最快 末端移動速度是 2777mm/s 的速度。系統(tǒng)的其它耗時與之相比較幾乎可以忽略。3.2 信號可靠性和重復(fù)定位精度用戶程序中，有兩個關(guān)鍵變量： int m_MotorPulsRegisterMaked12 ，float m_DHJ_Angle

6、Maked12int m_MotorPulsRegisterMaked12;/DH 關(guān)節(jié)角對應(yīng)的耦合補償角度的電機脈沖離 散化量。用戶軟件計算生成，當(dāng)前已經(jīng)計算到的角度?？梢猿^圈float m_DHJ_AngleMaked12 ;/DH 關(guān)節(jié)角.可以超過圈。根據(jù) m_MotorPulsRegisterMaked6 計算。它們記錄了理論電機的角度，所有脈沖的產(chǎn)生，用戶軟件都會實時更新上面2個變量。FPGA內(nèi)部有12個電機角度寄存器“ reg 31:0J1AngleCounter” 根據(jù)PCI傳遞過來 的脈沖區(qū)數(shù)據(jù)，自動發(fā)送脈沖給伺服電機驅(qū)動器，并更新12個電機角度寄存器。每個伺服驅(qū)動器內(nèi)部有指

7、令脈沖寄存器，通過監(jiān)控軟件可以查看。電機角度信息傳遞流程是：用戶程序到FPGA到驅(qū)動器。信息傳遞的可靠性相當(dāng)重 要。通過試驗分析， 脈沖信息在傳遞的過程中， 是否產(chǎn)生錯誤。 可能產(chǎn)生錯誤的地方有：1）用戶程序到FPGA時，PCI傳遞錯誤。2）FPGA到驅(qū)動器時，信號干擾產(chǎn)生錯誤。PCI數(shù)據(jù)傳遞的數(shù)據(jù)錯誤處理PCI總線用數(shù)據(jù)校驗機制，當(dāng)PCI總線上的 讀或?qū)懓l(fā)生數(shù)據(jù)錯誤時， 主設(shè)備最終捕獲數(shù)據(jù)錯誤信息， 并由主設(shè)備決定此刻如何處理。 主設(shè)備可以忽略，也可以產(chǎn)生中斷，在中斷例程中決定采用什么解決方法。當(dāng)控制卡上 的PCI 9 0 5 4 工作于DMA模式時，控制卡屬于主設(shè)備模式。當(dāng)驅(qū)動程序?qū)PG

8、 A發(fā)起讀寫操作時，控制卡屬于從設(shè)備模式，且僅能進(jìn)行4字節(jié)讀寫，不能進(jìn)行突發(fā)傳 送,傳輸速率達(dá)到寫4Mbyte/s，讀1 Mbyte/s。如果此時發(fā)生數(shù)據(jù)錯誤， 數(shù)據(jù)錯誤由PCI橋芯片捕獲，并交由PCI橋芯片驅(qū)動程序處理。FPGA到驅(qū)動器，脈沖信號采用的是雙絞屏蔽線，24V高速光耦傳送，最高傳輸速率達(dá)到2 5 0 KPPS。如果采用差分信號，速率可以達(dá)到4MPPS。六軸機器人寫字試驗。給機器人示教4 2個點，由這些點連成直線，于是形成了 “IVU”筆跡。筆跡移 動速度8mm/s。重復(fù)執(zhí)行該機器人程序30次，對機器人的模擬軌跡進(jìn)行截圖如下： 圖 4- 模擬軌跡截圖a）動畫軌跡重復(fù)精度分析。該動畫

9、是根據(jù)FPGA返回的電機角度仿真的機器人 位置和軌跡，如果2次運動軌跡有1個脈沖指令偏差，則會有0 .4mm左右的偏差。從 截圖中，看不到軌跡偏移，而是很好的重合在一起，初步判定：脈沖數(shù)據(jù)從用戶程序到 FPGA時，沒有產(chǎn)生數(shù)據(jù)錯誤。b）起始點FPGA寄存器比較分析。 重復(fù)執(zhí)行該機器人程序30次后，機器人回 到起始點P0。觀察前后FPGA內(nèi)電機角度寄存器的變化量。如果變化量為0,則說 明軌跡計算是正確的，并且PCI數(shù)據(jù)傳輸沒有錯誤。實際觀察到6個脈沖單位的變化 量，可能是由末尾脈沖未執(zhí)行或者計算精度舍入引起的？c）實際筆跡重復(fù)精度分析。圖4-筆跡截圖上圖是機器人重復(fù)書寫“IVU”6次后的照片，目

10、測得出6次重復(fù)的軌跡偏差小于1mm。初步判斷：該系統(tǒng)有較理想的重復(fù)定位精度。d）FPGA電機角度寄存器和驅(qū)動器脈沖寄存器一致性分析。先將FPGA電機角度寄存器和驅(qū)動器脈沖寄存器同時清零，然后循環(huán)運行上面的機器人程序1小時，回答起始點。對照FPGA電機角度寄存器和驅(qū)動器脈沖寄存器的偏差。對比了第一軸、 第二軸、第四軸相關(guān)數(shù)據(jù)，偏差均為0。結(jié)論：脈沖數(shù)據(jù)從FPGA傳遞到驅(qū)動器的過 程，沒有發(fā)生錯誤。e）機械原點復(fù)位精度分析。該機器人采用的伺服電機Z相信號作為機械原點。開 機后多次進(jìn)行原點復(fù)位操作，觀察FPGA電機角度寄存器，觀測結(jié)果：多次復(fù)位的寄 存器偏差為0，但是和開機復(fù)位的偏差為09脈沖單位。

11、3.3直線運動MOVL測試用戶程序采用幾何法對機器人進(jìn)行運動學(xué)逆解，測試表明36us可以求解一個點,走直線時按照0.1mm的插補間距進(jìn)行計算。對6個松下伺服驅(qū)動器設(shè)定參數(shù)如下表：表4-1松下伺服驅(qū)動器參數(shù)設(shè)置松下伺服驅(qū)動器參數(shù)設(shè)置J1（Pr0.03機器剛性設(shè)定）9J2（Pr0.03機器剛性設(shè)定）9J3（Pr0.03機器剛性設(shè)定）12J4（Pr0.03機器剛性設(shè)定）9J5（Pr0.03機器剛性設(shè)定）9 1J6（Pr0.03機器剛性設(shè)定）9J1J6 Pr2.22位置指令平滑濾波器ms10J1J6 Pr2.23 位置指令FIR濾波器 ms20J1J6 Pr0.08電機每轉(zhuǎn)指令脈沖數(shù)| 270軌跡幾何

12、精度測試。測試過程如下：機械手端夾持一只紅色水筆，讓機器人從P1點直線運動到P2點，速度設(shè)定10mm/s,距離900mm。其中通過松下PANATERM伺服監(jiān)控軟件，抓取機器人行走直線時的伺服驅(qū)動器返回的相關(guān)波形曲線。水筆所畫出來的直線效果如圖5。第一軸驅(qū)動器的波形曲線如圖 6。圖5 10mm/s走直線圖6第一軸驅(qū)動器的波形曲線測試結(jié)果:1）從圖5得出，水筆軌跡精度1mm。2）從圖6得出，控制器指令脈沖序列和理論脈沖序列有著極高的一致性。3） 從圖6得出，電機驅(qū)動器的指令位置最大偏差3指令單位，等效到機械位移約0.1mm我們還已知該機械本體的機械精度約為1mm。機器人的軌跡幾何精度主要影響因素有

13、：控制器指令脈沖精度、電機驅(qū)動器響應(yīng)性能和機械精度。由此得出結(jié)論：該機器 人軌跡幾何精度主要由機械精度決定；控制器指令脈沖有著極高的準(zhǔn)確性；電機驅(qū)動器 有著較高的響應(yīng)性能。圖4- 10mm/s速度，J1波形曲線圖4- 10mm/s速度，J4波形曲線圖4- 500mm/s速度，J1波形曲線圖4- 500mm/s速度，J4波形曲線第四章六軸機器人機械本體4.1 0.2KG簡易六軸機器人機械本體本款機器人由筆者設(shè)計8天完成。加工了 1個月，1天完成機械結(jié)構(gòu)裝配。設(shè)計理 念是追求成本最小化，主要用于驗證機器人控制器的功能。六個驅(qū)動電機均采用低成本 兩相步進(jìn)電機，其驅(qū)動器最大細(xì)分是 25600PULS/

14、轉(zhuǎn)。六個關(guān)節(jié)上采用直接驅(qū)動，省略 減速器等中間傳動機構(gòu)。六個關(guān)節(jié)采用配重平衡原理以平衡自重。關(guān)節(jié)采用背靠背角接 觸軸承。本機器人總共有 35個機械加工零件，花費3500元。電氣部分主要是6個步 進(jìn)電機驅(qū)動器和6個原點復(fù)位光電開關(guān)。基本設(shè)計參數(shù)如下：1）本款機器人的額定負(fù)載0.2KG。2）工作半徑800mm。3) 最大工作線速度 300mm/s 。4) 重復(fù)定位精度 0.1mm 。圖 2-3 簡易六軸機器人機械本體圖2-4簡易六軸機器人機械本體圖2-4簡易六軸機器人標(biāo)準(zhǔn)件表圖2-5簡易六軸機器人機械加工件表 圖2-6簡易六軸機器人實物功能測試視頻請查看鏈接：/view/v9kW-H0t-Qk/?

15、resourceld=6_01_08_01 /view/h28LirOk0qY/?resourceld=6 01_08 01/view/KuBtOx6Rs7g/?resourceld=6_01_08_01 /view/RTRDC Nn vKvY/?resourceld=6_01_08_014.2 6KG六軸機器人機械本體0.2KG六軸簡易機器人開發(fā)成功后，與廣州遠(yuǎn)能物流自動化科技有限公司達(dá)成了合 作協(xié)議，共同開發(fā)一款6KG六軸機器人。于是筆者在參考多方資料后，花了1個月時間獨立設(shè)計完成本款6KG六軸機器人機械本體，設(shè)計軟件采用INVENTOR，零件的強度和剛度也采用上述軟件分析。圖2-7機械本

16、體機器人功能：1）物料搬運2）弧焊（待測試）機器人技術(shù)參數(shù)：1）載重6KG。2）重復(fù)定位精度0.2。3）最長工作半徑1650mm。4）各軸速度和范圍，見圖。圖2-8各軸速度和范圍本機械本體的設(shè)計思路上，也是力求盡可能的國產(chǎn)化，除選用松下伺服電機外，其 它零部件均是國產(chǎn)。六個減速器采用北京傳動技術(shù)研究所和北京皓軒的諧波減速器，軸 承選用哈爾濱軸承和博盈軸承。4.3 6KG機器人機械本體強度和剛度的有限元分析在零件材料選擇上，不重要的輕載零件采用鋁合金材料。重要承載復(fù)雜結(jié)構(gòu)件選用 Q235材料，以方便進(jìn)行焊接。比較鋁合金和碳鋼材料會發(fā)現(xiàn)，鋁合金的密度是碳鋼的 1/3,鋁合金的彈性模量是碳鋼1/3,

17、所以如果設(shè)計同一個結(jié)構(gòu)件，在相同剛度指標(biāo)的前 提下，選用碳鋼或者鋁合金材料進(jìn)行設(shè)計，最終兩者的重量是非常接近的。在零件尺寸的設(shè)計原則上：先根據(jù)結(jié)構(gòu)需要確定大致尺寸，然后進(jìn)行強度剛度的校 核，最后根據(jù)校核結(jié)果進(jìn)行微調(diào)相關(guān)尺寸，循環(huán)前面兩步達(dá)到最優(yōu)設(shè)計。本零件選用 45號鋼，調(diào)質(zhì)處理。安裝齒輪處承受 5N 的徑向力，有限元分析結(jié)果如 圖所示，強度和剛度均滿足要求。圖 2-9 分析結(jié)果本零件選用鋁合金， 焊接加工而成。 伸出的臂膀承受 60N 的力，有限元分析結(jié)果如 圖所示，強度和剛度均滿足要求。圖 2-10 分析結(jié)果本零件選用Q235,焊接加工而成。端點承受300N的力，有限元分析結(jié)果如圖所示，

18、強度和剛度均滿足要求。圖 2-11 分析結(jié)果本零件選用Q235,焊接加工而成。端點承受1000N的力，有限元分析結(jié)果如圖所 示，強度和剛度均滿足要求。圖 2-12分析結(jié)果本零件選用Q235,焊接加工而成。本零件分析了 2種受力狀態(tài)的強度和剛度情況。情況 1：水平方向承受 1000N.M 的扭矩。情況 2：垂直方向承受 1000N.M 的扭矩。之所 以分兩種情況分析，是由于機器人的不同工作狀態(tài)導(dǎo)致的不同受力，且忽略了次要受力 和影響因素。有限元分析結(jié)果如圖所示，強度和剛度均滿足要求。圖 2-13情況一位移分析結(jié)果圖 2-14 情況一等效應(yīng)力分析結(jié)果圖 2-15 情況二位移分析結(jié)果4.4 6KG

19、機器人機械測量 各個軸的扭轉(zhuǎn)剛度，對于閉環(huán)控制系統(tǒng)來說，是一個重要參數(shù)，關(guān)系到系統(tǒng)的響應(yīng) 特性。目前市面上的伺服驅(qū)動器，其采用的控制策略基本上都是高級 PID 控制。在一定 的響應(yīng)剛度參數(shù)的前提下，機械的扭轉(zhuǎn)剛度越低，則定位時大臂來回震蕩幅值越大。在 伺服參數(shù)里面調(diào)低響應(yīng)剛度參數(shù)，定位時大臂來回震蕩幅值變小，但是響應(yīng)速度變慢。 這是由于編碼器反應(yīng)的是轉(zhuǎn)子的位置，而轉(zhuǎn)子和大臂是彈性關(guān)系。關(guān)節(jié)的扭轉(zhuǎn)剛度主要 由減速器的扭轉(zhuǎn)剛度決定。減速器廠家給出的剛度如圖所示。圖 2-16 加工好的零部件圖 2-17 加工好的零部件圖 2-18 裝配完成后圖 2-19減速器廠家給出的減速器剛度表4）第一軸扭轉(zhuǎn)剛度

20、測量。測量方法：在離 J1 軸垂直距離 810mm 處通過拉力計施加一定拉力，同時記錄下此 時此點百分表的讀數(shù)。測量結(jié)果記錄如下表。表2-1 J1扭轉(zhuǎn)剛度測試數(shù)據(jù)剛度測試離軸距 離(MM)拉力(N)百分表變動(mm)扭轉(zhuǎn)角度(RAD扭矩(N.M)剛度(N.M/RAD)810500.056.17284E-0540.58101000.270.00033333381149113.64318101500.50.000617284121.5142630.4688102000.650.000802469162218700.11088102500.850.001049382202.5164025.1415將

21、其繪制成圖表如下圖:圖2-20扭轉(zhuǎn)剛度曲線圖實際測量結(jié)果和廠家給出的數(shù)據(jù)基本一致，關(guān)節(jié)扭轉(zhuǎn)剛度基本由減速器剛度決定。5) 第一軸回程間隙測量。測量方法：百分表打點，順時針扳動大臂，然后釋放大臂，大臂自動回到點A,逆時針扳動大臂，然后釋放大臂，大臂回到點B,AB間百分表變動量記錄下來。表2-2 J1回程間隙回程間隙測量數(shù)據(jù)離軸距離770mm百分表變動0.5mm回程間隙2.2弧分廠家給出的減速器精度指標(biāo)是6弧分?？梢妼嶋H回程間隙是所給精度指標(biāo)的一半左 右。6) 第一軸重復(fù)定位精度測量。測量方法：利用控制程序，使J1關(guān)節(jié)從A點至B點往復(fù)運動，用百分表測量 B點 的數(shù)據(jù)。測量結(jié)果記錄如下表。表2-3J1重復(fù)定位精度離軸距離770mm伺服的剛度參數(shù)為6時。震動幅度大部分為重復(fù)定位精度0.02 0.20mm0.2偶爾出現(xiàn)0.5mm變化的異常。伺服的剛度參數(shù)為12時。震動幅度-0.5重復(fù)定位精度0.03mm+0.54)第一軸動摩擦力矩測量。測量方法：離J1軸垂直距離820mm的地方，用拉力計施加拉力，使 J1關(guān)節(jié)緩慢 的勻速移動，讀取拉力計的讀數(shù)。表2-4 J1動摩擦力矩測量距離 測量拉力 動摩擦力矩表2-5I測量距離F測量拉力 重力矩 輸出額定扭矩表2-6I測量距離 F測量拉力 重力矩 輸出額定扭矩表2-7I測量距離 F測量拉力 摩擦力矩 輸出額定扭矩表2-7I測量距離 F測量拉力