《國產(chǎn)靈動(dòng)機(jī)器人控制器(下)》介紹 2013 09 25

1、靈動(dòng)機(jī)器人控制器開發(fā)者姓名華磊系統(tǒng)功能串聯(lián)六軸機(jī)器人控制開發(fā)日期2011.102013.9QQ253874750Email253874750介紹視頻II目錄第一章 緒論31.1簡介31.2開發(fā)歷史回顧31.3機(jī)器人測試視頻查看網(wǎng)址31.4靈動(dòng)機(jī)器人控制器主要參數(shù)4第二章 靈動(dòng)機(jī)器人控制器62.1控制器概述62.2 多軸聯(lián)動(dòng)控制器的控制擴(kuò)展卡硬件82.3 多軸聯(lián)動(dòng)控制器的用戶軟件172.3.1用戶軟件的功能和使用方法172.3.2動(dòng)畫仿真的實(shí)現(xiàn)272.3.3機(jī)器人指令的翻譯和運(yùn)行282.4 多軸聯(lián)動(dòng)控制器的驅(qū)動(dòng)程序282.5 多軸聯(lián)動(dòng)控制器的FPGA程序31第三章 控制系統(tǒng)測試323.1響應(yīng)實(shí)時(shí)

2、性和計(jì)算耗時(shí)分析323.2 直線運(yùn)動(dòng)MOVL測試33第四章 六軸機(jī)器人機(jī)械本體374.1 0.2KG簡易六軸機(jī)器人機(jī)械本體374.2 6KG六軸機(jī)器人機(jī)械本體404.3 6KG機(jī)器人機(jī)械本體強(qiáng)度和剛度的有限元分析424.3.1齒輪軸有限元分析424.3.2小臂殼體有限元分析424.3.3小臂連接軸有限元分析434.3.4大臂有限元分析444.3.5大臂有限元分析444.4 6KG機(jī)器人機(jī)械測量46第一章 緒論第三章 控制系統(tǒng)測試3.1響應(yīng)實(shí)時(shí)性和計(jì)算耗時(shí)分析1）開關(guān)量與FPGA內(nèi)存的讀寫交換時(shí)間。設(shè)計(jì)FPGA的時(shí)鐘頻率40MHz，存儲(chǔ)周期為200個(gè)時(shí)鐘信號(hào)，即5us可以完成FPGA內(nèi)存與外界信

3、息的交換。FPGA最大可以發(fā)生電機(jī)脈沖的頻率小于10MHz，足以滿足工業(yè)應(yīng)用。2）驅(qū)動(dòng)程序中斷響應(yīng)的時(shí)間。將控制卡的中斷級(jí)別設(shè)置到設(shè)備最高級(jí)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(shí)間。估算中斷響應(yīng)延遲時(shí)間小于1us。文獻(xiàn)2中的實(shí)驗(yàn)也證實(shí)了上述推斷的正確性。1） 驅(qū)動(dòng)程序定時(shí)器精度。采用DPC定時(shí)器，定時(shí)器的響應(yīng)例程運(yùn)行與DISPATCH_LEVEL的IRQL級(jí)別3，不會(huì)被任何普通程序打斷，但是可能會(huì)被設(shè)備中斷例程搶占。DPC例程隊(duì)列一般存放實(shí)時(shí)性要求不高中斷響應(yīng)例程。DPC定時(shí)器的時(shí)鐘源實(shí)際上認(rèn)識(shí)系統(tǒng)時(shí)鐘中斷推動(dòng)，系統(tǒng)時(shí)鐘中斷間隔一般為1015ms4，所以DPC定時(shí)精度

4、約為1015ms左右。2） 驅(qū)動(dòng)程序?qū)PGA內(nèi)存讀入到用戶程序數(shù)組的時(shí)間。主要取決于PCI接口的速度，接口速度約為133MB/s，設(shè)計(jì)FPGA內(nèi)存大小為4Kbyte，則FPGA內(nèi)存更新一次數(shù)據(jù)的時(shí)間是30us。3） 用戶程序?qū)斎胄畔⒌姆磻?yīng)時(shí)間。采用定時(shí)查詢法查詢輸入信息，反應(yīng)時(shí)間約為定時(shí)器的精度，定時(shí)器的精度與線程調(diào)度周期有關(guān)。線程調(diào)度程序運(yùn)行在DISPATCH_LEVEL級(jí)別，線程調(diào)度周期約36ms5，用戶程序?qū)斎胄畔⒌姆磻?yīng)時(shí)間約為36ms或更長。7）CPU對(duì)電機(jī)軌跡的計(jì)算能力。用當(dāng)前工業(yè)應(yīng)用最復(fù)雜的六軸機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解來做測試，即已知末端點(diǎn)的位姿矩陣，求六個(gè)關(guān)節(jié)角度。在CPU G5

5、30 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(bǔ)間距0.1mm,計(jì)算，本系統(tǒng)可以達(dá)到的最快末端移動(dòng)速度是2777mm/s的速度。系統(tǒng)的其它耗時(shí)與之相比較幾乎可以忽略。3.2 信號(hào)可靠性和重復(fù)定位精度用戶程序中，有兩個(gè)關(guān)鍵變量：int m_MotorPulsRegisterMaked12，float m_DHJ_AngleMaked12int m_MotorPulsRegisterMaked12;/DH關(guān)節(jié)角對(duì)應(yīng)的耦合補(bǔ)償角度的電機(jī)脈沖離散化量。用戶軟件計(jì)算生成，當(dāng)前已經(jīng)計(jì)算到的角度?？梢猿^圈float m_DHJ_AngleMaked12;/

6、DH關(guān)節(jié)角.可以超過圈。根據(jù)m_MotorPulsRegisterMaked6計(jì)算。它們記錄了理論電機(jī)的角度，所有脈沖的產(chǎn)生，用戶軟件都會(huì)實(shí)時(shí)更新上面2個(gè)變量。FPGA內(nèi)部有12個(gè)電機(jī)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(dòng)發(fā)送脈沖給伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，并更新12個(gè)電機(jī)角度寄存器。每個(gè)伺服驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部有指令脈沖寄存器，通過監(jiān)控軟件可以查看。電機(jī)角度信息傳遞流程是：用戶程序到FPGA到驅(qū)動(dòng)器。信息傳遞的可靠性相當(dāng)重要。通過試驗(yàn)分析，脈沖信息在傳遞的過程中，是否產(chǎn)生錯(cuò)誤?？赡墚a(chǎn)生錯(cuò)誤的地方有：） 用戶程序到FPGA時(shí)，傳遞錯(cuò)誤。） FPGA到驅(qū)動(dòng)器

7、時(shí)，信號(hào)干擾產(chǎn)生錯(cuò)誤。數(shù)據(jù)傳遞的數(shù)據(jù)錯(cuò)誤處理。總線用數(shù)據(jù)校驗(yàn)機(jī)制，當(dāng)總線上的讀或?qū)懓l(fā)生數(shù)據(jù)錯(cuò)誤時(shí)，主設(shè)備最終捕獲數(shù)據(jù)錯(cuò)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)控制卡上的工作于模式時(shí)，控制卡屬于主設(shè)備模式。當(dāng)驅(qū)動(dòng)程序?qū)Πl(fā)起讀寫操作時(shí)，控制卡屬于從設(shè)備模式，且僅能進(jìn)行字節(jié)讀寫，不能進(jìn)行突發(fā)傳送，傳輸速率達(dá)到寫，讀。如果此時(shí)發(fā)生數(shù)據(jù)錯(cuò)誤，數(shù)據(jù)錯(cuò)誤由橋芯片捕獲，并交由橋芯片驅(qū)動(dòng)程序處理。FPGA到驅(qū)動(dòng)器，脈沖信號(hào)采用的是雙絞屏蔽線，V高速光耦傳送，最高傳輸速率達(dá)到。如果采用差分信號(hào)，速率可以達(dá)到。六軸機(jī)器人寫字試驗(yàn)。給機(jī)器人示教個(gè)點(diǎn)，由這

8、些點(diǎn)連成直線，于是形成了“”筆跡。筆跡移動(dòng)速度。重復(fù)執(zhí)行該機(jī)器人程序次，對(duì)機(jī)器人的模擬軌跡進(jìn)行截圖如下：圖4- 模擬軌跡截圖）動(dòng)畫軌跡重復(fù)精度分析。該動(dòng)畫是根據(jù)返回的電機(jī)角度仿真的機(jī)器人位置和軌跡，如果次運(yùn)動(dòng)軌跡有個(gè)脈沖指令偏差，則會(huì)有.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(shí)，沒有產(chǎn)生數(shù)據(jù)錯(cuò)誤。）起始點(diǎn)寄存器比較分析。重復(fù)執(zhí)行該機(jī)器人程序次后，機(jī)器人回到起始點(diǎn)。觀察前后內(nèi)電機(jī)角度寄存器的變化量。如果變化量為，則說明軌跡計(jì)算是正確的，并且數(shù)據(jù)傳輸沒有錯(cuò)誤。實(shí)際觀察到個(gè)脈沖單位的變化量，可能是由末尾脈沖未執(zhí)行或者計(jì)算精度舍入引起的？）實(shí)

9、際筆跡重復(fù)精度分析。 圖4- 筆跡截圖上圖是機(jī)器人重復(fù)書寫“”次后的照片，目測得出次重復(fù)的軌跡偏差小于。初步判斷：該系統(tǒng)有較理想的重復(fù)定位精度。）電機(jī)角度寄存器和驅(qū)動(dòng)器脈沖寄存器一致性分析。先將電機(jī)角度寄存器和驅(qū)動(dòng)器脈沖寄存器同時(shí)清零，然后循環(huán)運(yùn)行上面的機(jī)器人程序小時(shí)，回答起始點(diǎn)。對(duì)照電機(jī)角度寄存器和驅(qū)動(dòng)器脈沖寄存器的偏差。對(duì)比了第一軸、第二軸、第四軸相關(guān)數(shù)據(jù)，偏差均為。結(jié)論：脈沖數(shù)據(jù)從傳遞到驅(qū)動(dòng)器的過程，沒有發(fā)生錯(cuò)誤。）機(jī)械原點(diǎn)復(fù)位精度分析。該機(jī)器人采用的伺服電機(jī)Z相信號(hào)作為機(jī)械原點(diǎn)。開機(jī)后多次進(jìn)行原點(diǎn)復(fù)位操作，觀察電機(jī)角度寄存器，觀測結(jié)果：多次復(fù)位的寄存器偏差為，但是和開機(jī)復(fù)位的偏差為脈沖

10、單位。3.3 直線運(yùn)動(dòng)MOVL測試用戶程序采用幾何法對(duì)機(jī)器人進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解，測試表明36us可以求解一個(gè)點(diǎn)，走直線時(shí)按照0.1mm的插補(bǔ)間距進(jìn)行計(jì)算。對(duì)6個(gè)松下伺服驅(qū)動(dòng)器設(shè)定參數(shù)如下表：表4-1 松下伺服驅(qū)動(dòng)器參數(shù)設(shè)置松下伺服驅(qū)動(dòng)器參數(shù)設(shè)置J1(Pr0.03機(jī)器剛性設(shè)定)9J2(Pr0.03機(jī)器剛性設(shè)定)9J3(Pr0.03機(jī)器剛性設(shè)定)12J4(Pr0.03機(jī)器剛性設(shè)定)9J5(Pr0.03機(jī)器剛性設(shè)定)9J6(Pr0.03機(jī)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(jī)每轉(zhuǎn)指令脈沖數(shù)270軌跡幾

11、何精度測試。測試過程如下：機(jī)械手端夾持一只紅色水筆，讓機(jī)器人從P1點(diǎn)直線運(yùn)動(dòng)到P2點(diǎn)，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(jī)器人行走直線時(shí)的伺服驅(qū)動(dòng)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(dòng)器的波形曲線如圖6。圖5 10mm/s走直線圖6 第一軸驅(qū)動(dòng)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(jī)驅(qū)動(dòng)器的指令位置最大偏差3指令單位，等效到機(jī)械位移約0.1mm我們還已知該機(jī)械本體的機(jī)械精度約為1mm。機(jī)器人的軌跡幾何精度主要影響因素有

12、：控制器指令脈沖精度、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器響應(yīng)性能和機(jī)械精度。由此得出結(jié)論：該機(jī)器人軌跡幾何精度主要由機(jī)械精度決定；控制器指令脈沖有著極高的準(zhǔn)確性；電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(jī)器人機(jī)械本體4.1 0.2KG簡易六軸機(jī)器人機(jī)械本體本款機(jī)器人由筆者設(shè)計(jì)8天完成。加工了1個(gè)月，1天完成機(jī)械結(jié)構(gòu)裝配。設(shè)計(jì)理念是追求成本最小化，主要用于驗(yàn)證機(jī)器人控制器的功能。六個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)均采用低成本兩相步進(jìn)電機(jī)，其驅(qū)動(dòng)器最大細(xì)分是25600PULS/轉(zhuǎn)。六個(gè)關(guān)

13、節(jié)上采用直接驅(qū)動(dòng)，省略減速器等中間傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。六個(gè)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(jī)器人總共有35個(gè)機(jī)械加工零件，花費(fèi)3500元。電氣部分主要是6個(gè)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器和6個(gè)原點(diǎn)復(fù)位光電開關(guān)?；驹O(shè)計(jì)參數(shù)如下：1） 本款機(jī)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(jī)器人機(jī)械本體26圖2-4 簡易六軸機(jī)器人機(jī)械本體圖2-4 簡易六軸機(jī)器人標(biāo)準(zhǔn)件表圖2-5 簡易六軸機(jī)器人機(jī)械加工件表圖2-6 簡易六軸機(jī)器人實(shí)物功能測試視頻請(qǐng)查看鏈接：4.2 6KG六軸機(jī)器人機(jī)械本體0.2KG六軸簡易機(jī)

14、器人開發(fā)成功后，與廣州遠(yuǎn)能物流自動(dòng)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(jī)器人。于是筆者在參考多方資料后，花了1個(gè)月時(shí)間獨(dú)立設(shè)計(jì)完成本款6KG六軸機(jī)器人機(jī)械本體，設(shè)計(jì)軟件采用INVENTOR，零件的強(qiáng)度和剛度也采用上述軟件分析。圖2-7機(jī)械本體機(jī)器人功能：1）物料搬運(yùn)2）弧焊（待測試）機(jī)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(jī)械本體的設(shè)計(jì)思路上，也是力求盡可能的國產(chǎn)化，除選用松下伺服電機(jī)外，其它零部件均是國產(chǎn)。六個(gè)減速器采用北京傳動(dòng)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

15、和博盈軸承。4.3 6KG機(jī)器人機(jī)械本體強(qiáng)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(huì)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，所以如果設(shè)計(jì)同一個(gè)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(jì)，最終兩者的重量是非常接近的。在零件尺寸的設(shè)計(jì)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(qiáng)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(jì)。4.3.1齒輪軸有限元分析 本零件選用45號(hào)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

16、所示，強(qiáng)度和剛度均滿足要求。圖2-9分析結(jié)果4.3.2小臂殼體有限元分析 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(qiáng)度和剛度均滿足要求。圖2-10分析結(jié)果4.3.3小臂連接軸有限元分析 本零件選用Q235，焊接加工而成。端點(diǎn)承受300N的力，有限元分析結(jié)果如圖所示，強(qiáng)度和剛度均滿足要求。圖2-11分析結(jié)果4.3.4大臂有限元分析 本零件選用Q235，焊接加工而成。端點(diǎn)承受1000N的力，有限元分析結(jié)果如圖所示，強(qiáng)度和剛度均滿足要求。圖2-12分析結(jié)果4.3.5大臂有限元分析 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(qiáng)度和剛度情況。情

17、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(jī)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(qiáng)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機(jī)器人機(jī)械測量各個(gè)軸的扭轉(zhuǎn)剛度，對(duì)于閉環(huán)控制系統(tǒng)來說，是一個(gè)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(dòng)器，其采用的控制策略基本上都是高級(jí)PID控制。在一定的響應(yīng)剛度參數(shù)的前提下，機(jī)械的扭轉(zhuǎn)剛度越低，則定位時(shí)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(shí)大

18、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)剛度測量。測量方法：在離J1軸垂直距離810mm處通過拉力計(jì)施加一定拉力，同時(shí)記錄下此時(shí)此點(diǎn)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(dòng)(mm)扭轉(zhuǎn)角度（RAD）扭矩（N.M)剛度(N.M/RAD)810500.056.17284E-0540.5

19、8101000.270.00033333381149113.64318101500.50.000617284121.5142630.4688102000.650.000802469162218700.11088102500.850.001049382202.5164025.1415將其繪制成圖表如下圖：圖2-20扭轉(zhuǎn)剛度曲線圖實(shí)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(diǎn)，順時(shí)針扳動(dòng)大臂，然后釋放大臂，大臂自動(dòng)回到點(diǎn)A,逆時(shí)針扳動(dòng)大臂，然后釋放大臂，大臂回到點(diǎn)B,AB間百分表變動(dòng)量記錄下來。表2-2 J1回程間隙回程間隙測

20、量數(shù)據(jù)離軸距離770mm百分表變動(dòng)0.5mm回程間隙2.232302822弧分廠家給出的減速器精度指標(biāo)是6弧分?？梢妼?shí)際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(diǎn)至B點(diǎn)往復(fù)運(yùn)動(dòng)，用百分表測量B點(diǎn)的數(shù)據(jù)。測量結(jié)果記錄如下表。表2-3 J1重復(fù)定位精度離軸距離770mm重復(fù)定位精度0.020.20mm伺服的剛度參數(shù)為6時(shí)。震動(dòng)幅度大部分為0.2偶爾出現(xiàn)0.5mm變化的異常。重復(fù)定位精度0.03mm伺服的剛度參數(shù)為12時(shí)。震動(dòng)幅度-0.5+0.54）第一軸動(dòng)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(jì)施加拉力，使J1關(guān)節(jié)緩慢的勻速移動(dòng)，讀取拉力計(jì)的讀數(shù)。表2-4 J1動(dòng)摩擦力矩測量距離820mm測量拉力25KG動(dòng)摩擦力矩200.9N.M表2-5 J2重力矩l測量距離1340mmF測量拉力40KG重力矩525.28N.M輸出額定扭矩573N.M表2-6 J3重力矩l測量距離617m