張艷蕾 朱高峰

1 簡介
　　
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益增長的復(fù)雜性是現(xiàn)在制造業(yè)的一個重要特點，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)機器人的發(fā)展提供了一個好的機遇，當然，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)鍵時期，如果能適時的把工業(yè)機器人應(yīng)用到各企業(yè)生產(chǎn)線的改造中，無疑將有著巨大的空間和前景。
　　
本工業(yè)機器人是一種精密型裝配機器人，采用四軸伺服電機驅(qū)動控制，實現(xiàn)四軸空間聯(lián)動，配置不同工具包可實現(xiàn)搬運、碼垛、裝配等工作，具有速度快、精度高、柔性好等特點，采用交流伺機服電機驅(qū)動，由操作機（機械本體）、控制器、伺服驅(qū)動系統(tǒng)和傳感裝置構(gòu)成：
　　
（1）操作機：通過有限元分析、模態(tài)分析及仿真設(shè)計等現(xiàn)代設(shè)計方法的運用，機器人操作機已實現(xiàn)了優(yōu)化設(shè)計。
　　
（2）控制器：由開始應(yīng)用香港固高科技有限公司的GT系列運動控制器到自主開發(fā)基于ARM9的控制器，并且實現(xiàn)了軟件伺服和全數(shù)字控制。
　　
（3）伺服驅(qū)動系統(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器人系統(tǒng)中應(yīng)用，這樣就能實現(xiàn)自動化生產(chǎn)線上物體的自動定位以及精密裝配作業(yè)等，大大提高了機器人的作業(yè)性能和對環(huán)境的適應(yīng)性。
　　
（5）網(wǎng)絡(luò)通信：機器人控制器已實現(xiàn)了與Canbus、Profibus總線及一些網(wǎng)絡(luò)的連接，使機器人由過去的獨立應(yīng)用向網(wǎng)絡(luò)化應(yīng)用邁進了一大步，也使機器人由過去的專用設(shè)備向標準化設(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，有利于實時控制和管理，所以本系統(tǒng)采用了串行通信方式，“串行通信”時，數(shù)據(jù)在一根數(shù)據(jù)線上～位一位地進行傳輸，每一位數(shù)據(jù)都占用某一固定的時間段，但由于計算機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”，負責串行數(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、通信距離長的優(yōu)勢是顯而易見的。
　　
信息傳輸在一個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，上位機與機器人間的協(xié)議按照如下三個級別來組織的。
　　
（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、最終實現(xiàn)與機器人控制算機的連接。硬件平臺如圖1。

（2）數(shù)據(jù)鏈路層：該層是一種低級的通信協(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)機器人控制器與上位計算機之間的信息交換由字符串組成，該字符串包括實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完整的信息。發(fā)送一個機器人的控制指令，需要經(jīng)過以下六個階段：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)。機器人控制器接受到一個信息后，信息必須由其控制器負責譯碼，并作出相應(yīng)的動作，能夠響應(yīng)上位計算機信息指令的軟件就稱為應(yīng)用級協(xié)議。在本系統(tǒng)中，主要由上位機發(fā)送L0ADV、SAVEV、JwAIT、START四類指令，實現(xiàn)微機啟動機器人并進行實時監(jiān)控。

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



這里采用了串行的控制算法處理方式，機器人的控制算法是由串行機來處理。用上、下位機二級分布式結(jié)構(gòu)，上位機負責整個系統(tǒng)管理以及運動學(xué)計算、軌跡規(guī)劃等。下位機由多CPU組成，每個CPU控制一個關(guān)節(jié)運動，這些CPU和主控機聯(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具體問題而采用的功能分布式結(jié)構(gòu)，即每個處理器承擔固定任務(wù)，控制器計算機控制系統(tǒng)中的位置控制部分，采用數(shù)字式位置控制。硬件平臺本一開始采用固高公司生產(chǎn)的GT系列運動控制器，可以同步控制四個運動軸，實現(xiàn)多軸協(xié)調(diào)運動。其核心由ADSP2I8l數(shù)字信號處理器和FPGA組成，可以實現(xiàn)高性能的控制計算。研究過程中，有以下幾個局限性：
　　
（1）開放性差：局限于“專用計算機、專用機器人語言、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，不便于對系統(tǒng)進行擴展和改進；

（2）軟件獨立性差：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）容錯性差：由于并行計算中的數(shù)據(jù)相關(guān)性、通訊及同步等內(nèi)在特點，控制器的容錯性能變差，其中一個處理器出故障可能導(dǎo)致整個系統(tǒng)的癱瘓；
　　
（4）擴展性差：目前，機器人控制器的研究著重于從關(guān)節(jié)這一級較常見的，比如對空宅導(dǎo)彈導(dǎo)引火來說，鎖定和預(yù)偏是兩個經(jīng)常要用到的功能，而它們卻對伺服系統(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)增加一套測速機元什，則問題就可以解決，但這樣做會使系統(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)的是相對彈體的鎖定，搜索和雷達黼動信號，但導(dǎo)彈住掛機狀態(tài)彈體擺動角速度不是太大，且擺動持續(xù)的時間也不會很長，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，以科于更好地實現(xiàn)光軸對El標的穩(wěn)定跟蹤。

4 仿真驗證
　　
以隨動系統(tǒng)復(fù)現(xiàn)相對慣性空間穩(wěn)定的輸入為例，為進一步比較兩種方案，我們利用ADAMs軟件和MATLAB軟件一起進行了位標器運動學(xué)、動『J學(xué)和控制系統(tǒng)聯(lián)合仿真。仿真條件假設(shè)目標在空間靜止，在中環(huán)通道，分別利用陀螺速度反饋和測速機速度反饋，在彈體擺動情況下，進行目標指示信息的隨動，對指向誤差（即光軸與視線的夾角）的大小進行記錄，仿真結(jié)果如圖3所示。


其中實線為采用陀螺信號時的誤差，虛線為采用測速機信號時的誤差。結(jié)果表明，采用陀螺信號作為反饋信號可以有效地減小彈體擺動情況系統(tǒng)的隨動誤差，此結(jié)果與前面理論分析結(jié)果也基本一致。

5 結(jié)語
　　
本文詳細分析了動基座隨動系統(tǒng)不同輸入信號的類型，得出對相對基座穩(wěn)定的輸入采用測速機反饋、對相對慣性空間穩(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)引頭為例進行了ADAMs和MATLAB聯(lián)合數(shù)字仿真，仿真結(jié)果驗證了分析的正確性。

參考文獻:
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