一种小功率六自由度工业机器人控制系统硬件设计

吴文俊，夏蕾，陈晓斌，方锋，张计悦

（浙江琦星电子有限公司，浙江台州317600）

一种小功率六自由度工业机器人控制系统硬件设计

吴文俊，夏蕾，陈晓斌，方锋，张计悦

（浙江琦星电子有限公司，浙江台州317600）

随着工业4.0概念的推进发展，工业机器人在现代化生产中扮演着非常重要的角色，工业机器人控制系统设计也进入到快速发展期。介绍了一种负载5 kg，工作范围为80 cm的小功率六自由度工业机器人硬件设计方案，并且实现了机器人的初步运行。

六自由度；工业机器人；控制系统；硬件设计

现代化制造发展趋势已经逐步走向智能化。随着工厂智能化的发展，越来越多的工业机器人应用到生产过程中，实现装配、喷涂、焊接等多种生产操作。机器人学的研究与应用也随之快速发展，目前的工业机器人硬件设计方案多数都基于运动控制卡和通用伺服驱动器这些已有的工业控制模块进行组装搭建。这类方案的优势是设计模块化，设计周期快，硬件联合调试简单方便。但因采用的是通用控制模块，设计方案的成本比较高，知识产权自主化程度不高[3-4]。另外，这种设计方案比较适合大功率工业机器人的设计开发，针对中小型工业机器人，此种开发模式会受到机器人机械本体机械空间的限制而难以实现。本文所介绍的是一种针对负载5 kg，工作范围80 cm的小功率六自由度工业机器人硬件设计方案，采用集约化设计，减少系统硬件成本，为产品的降成本目标打下设计基础。

1 运动控制系统基本框架结构

1.1 运动控制系统结构

与所有的工业自动化设备类似，能完成一系列设定动作的工业机器人控制系统主要分为人机交互、核心控制算法、伺服电机驱动，具体的硬件实现方案框图如图1所示。

从电气角度来看，工业机器人控制系统由4部分组成：触摸显示屏、显示与算法主板、系统控制主板、执行器板。这4部分板件各司其职、相互配合完成整个运动控制行为。

1.2 运动控制系统硬件的具体实现

1.2.1 触摸显示屏组件

触摸显示屏组件分为液晶显示器和触控板。当前液晶显示器都采用LVDS接口，为了实现显示信号的长距离传输，需要1块LVDS转VGA转接板，将工业控制板传输过来的VGA信号转换成LVDS信号给液晶显示屏。为了实现触控方式，需要1块触控按键驱动板，将触控板的电压变换信号转换成RS232串口信号，传输给工业控制板。

图1 工业机器人控制系统框图

1.2.2 显示与算法主板

其功能为完成屏幕显示与机器人运动算法。考虑到制版与设计成本，显示与算法主板选用工业控制板，本方案选用威盛公司的MiniITX PC工业控制板，并采用运行LINUX操作系统的X86内核的PC机。整个板子的硬件结构符合INTEL的经典组成。在工业控制板上，依托于LINUX操作系统，可以进行屏幕显示编程和机器人运动算法编程。

1.2.3 系统控制主板

其主要完成机器人系统的整体控制协调，包括控制系统上电顺序、各个组件协调，信号转换以及安全保障。本方案是自主设计，主要由信号转接组件、电源控制组件、安全接口以及模拟和数字I/O几个功能部分构成。

1.2.3.1 信号转接组件

本方案的关节驱动器通信选择RS485通信，由于工业控制板上没有此类接口，不能实现对关节驱动器的直接控制，所以，需要信号转接组件接收到的从工业控制板的以太网信号，然后转换成RS485信号传输给关节驱动器。同时，将接收到的关节驱动器板上RS485信号转换成以太网信号传输给工业控制板。

1.2.3.2 电源控制组件

整个机器人的供电由开关电源完成，其中48 V电供给关节驱动器使用、12 V电供给其他控制单元。在按下电源按钮前，整个系统只有此组件带电。当按下电源按钮后，电源控制组件根据控制逻辑逐渐给工业控制板和关节驱动器上电，同时，也控制模拟和数字I/O的供电电压。

1.2.3.3 安全接口

由紧急停止接口和防护停止接口2部分组成。紧急停止输入包括机器人紧急停机输入和外部紧急停机输入。机器人急停配置出厂进行默认设置，外部紧急急停可接外部按钮或其他机械。防护接口用于以安全方式暂停机器人的运动。防护接口可用于安全光幕、门开关、安全型PLC等。防护停止后可以自动恢复工作，也可以通过按钮进行控制，具体取决于防护配置

1.2.3.4 模拟和数字I/O

系统控制主板配有8个数字输入端、2个模拟输入、8个数字输出端和2个模拟输出端。数字输入和输出采用的是PNP管控。数字输出端可直接用于驱动设备（气动继电器）运行，也可用于与其他PLC系统通信。模拟输出端既可设置为电流模式，也可设置为电压模式。

1.2.4 执行器板

执行器板由6个关节驱动器和1个工具板组成。

1.2.4.1 关节驱动器

用于驱动6个自由度关节电机，关节驱动器从RS485接口获得位置/速度/加速度/力矩等命令[6]，借助于谐波减速器驱动关节旋转到指定位置。同时，通过读取绝对值编码的数据获得当前关节的实际位置，并把绝对编码器数值/关节加速度/关节电流/关节状态传输给母板，最终传递给逻辑及空间几何软件包，实现这个机器人的大闭环控制。

1.2.4.2 工具板

处于最后一个机器人关节末端，所有关节运动的最终目的是完成指定的工作。为了完成指定的工作任务，比如搬运/喷涂/装配等工作，需要借助于各种工具。工具板提供不同电压供电，输出端提供数字输出和模拟输出，并完成工具信息与系统控制主板的信息交互。

2 控制系统硬件之间的数据交换

此硬件设计方案总体比较庞大、复杂。为了很好地支撑硬件运行，各个模块硬件之间的数据通信协议要进行很好的安排和处理。在整个工业机器人的控制结构中，工业控制板上的控制软件包处于服务器的角色。当硬件上电后，控制软件包和显示软件包正常运行后，当显示软件包以客户端的形式向控制软件包申请端口后，控制软件包以某个频率向显示软件包发出当前机器人的状态信息，显示软件包收到该信息后，刷新自己的显示内容。当显示软件包希望控制软件包完成具体工作后，随机地向控制软件包发送以太网帧。控制软件包接收到命令后，执行相关动作，并以消息的形式随机通知显示软件包工作的进展状态。

系统控制主板依赖于板子上的外部晶振，使自己处于“节拍器”的角色。每隔一定周期，系统控制主板向工业控制版的控制软件包发出一个包含机器人状态的以太网信息帧，当工控板的控制软件包接收到这个以太网信息帧时，马上向系统控制主板发出一个包含驱动器命令的以太网信息帧。同时，每隔一定周期，系统控制主板借助于RS485总线向6个关节驱动器+1个工具板发出相对应的命令帧，并依次接受各个执行器的状态信息，由于传输距离相对较长，采用CRC方法校验。当所有关节驱动器的状态数据包都接收完毕后，系统控制主板把所有信息汇总，发送给工业控制板的控制软件包。

3 结论

本文介绍了针对小功率六自由度机器人进行的硬件结构总体方案设计，以及具体的实现方法，同时介绍了各个硬件之间数据相互访问形式。在实际机器人的运行中，此硬件方案很好地保障了系统的整体运行。

［1］王田苗，陶永.我国工业机器人技术现状与产业化发展战略［J］.机械工程学报，2014，50（09）.

［2］孙迪生，王炎.机器人控制技术［M］.北京：机械工业出版社，1998.

［3］李腾飞，张子博.六自由度机械臂系统的设计与实现［J］.机械工程与自动化，2016（12）.

［4］李伟.六自由度关节式机器人控制系统开发［D］.上海：华东理工大学，2014.

［5］李正军.计算机控制系统［M］.北京：机械工业出版社，2015.

［6］阮毅，陈伯时.电力拖动自动控制系统：运动控制系统［M］北京：机械工业出版社，2010.

〔编辑：张思楠〕

TP242

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2017.14.139

2095－6835（2017）14－0139－02

吴文俊（1973—），男，河南人，国际注册能源审计师，硕士，从事的主要工作、研究方向为管理与研究、电机控制与工业机器人。