基于RTX的工业机器人控制系统的设计与实现

2016-12-01郭晓丹广东省国防科技技师学院广州510515

山东工业技术 2016年11期

郭晓丹（广东省国防科技技师学院，广州　510515）

郭晓丹
（广东省国防科技技师学院，广州510515）

摘要：本文主要研究了基于RTX的六轴工业机器人控制系统，先是对六轴工业机器人本体进行了介绍，然后对工业机器人控制系统的结构设计进行了详细分析，在充分利用Windows界面功能和RTX 实时处理能力上，六轴工业机器人系统更加的开放和灵活，实现了高实时性和精度，能够满足现代化工业生产需要。

关键词：RTX系统；六轴工业机器人；控制系统

0　引言

近年来，机器人技术发展速度迅猛，已成为现代化工业生产的重要助力之一。目前，工业机器人主要由控制系统和本体组成，其中核心技术还是控制系统的设计与实现。我国现阶段关于工业机器人运动控制系统的设计主要采用的是一种基于RTX（Real Time Extend）的工业机器人控制系统，这种控制系统具有较高的精确性和实时性，能够满足现代化工业生产的需要。

1　工业机器人本体

我国工业机器人历经多年的研究和发展，在本体设计上不断推陈出新。笔者在此主要介绍一下关于我国自主研发的六轴工业机器人，其本体主要有回转机体、大小臂以及腕部等几个主要构件，并且六轴工业机器人的全部关节都采用转动关节，在驱动装置方面主要由交流伺服电机和减速器组成［1］。六轴工业机器人的转动关节设计方面具有很强的灵活性，前三个关节能够将末端工具送到需要的空间位置，后三个关节能够满足不同工具姿态的要求，从关节设计的结构上看，六轴工业机器人的腰部关节为第1关节，其底部安装有点击设备，可以实现数值方向旋转。六轴工业机器人的肩关节为第2关节，其主要通过轴线和大臂相连，轴线为水平方向。六轴工业机器人的小臂和手腕为第3关节，第4关节主要带动手腕旋转，第5关节能够实现俯仰旋转，第6关节能够做旋转运动。

2　基于RTX的工业机器人控制系统的设计

2.1Windows系统

Windows系统是目前工业生产自动化运用的主要系统，需要控制技术系统一般都是建立在Windows系统基础上的，实现了Windows系统功能的延伸。Windows系统能够实现多项操作，属于多任务操作系统，Windows系统的核心层的任务调度器能够对用户的线程进行调度，并且，Windows系统的调度系统具有优先抢占功能，能够及时进行配额调整，体实现了实时性。在生产运行过程中，用户的操作需要符合Windows系统本身所具有的调度机制，用户所设置的程序必须在规定的时限内，一旦超过了系统的实时性要求，就可能需要等到更长时间才会被处理。Windows系统采用的是两片级联芯片，这种两片级联芯片需要在保护模式下才能正常使用。由于存在CI分配中断资源情况，并且BIOS运行属于实时模式，所以，Windows系统在中断控制方面还存在一定的局限性，这也是今后系统研究和发展的主要方向之一。

2.2RTX系统

RTX系统是建立在RTX系统基础上的一种工业机器人控制系统。RTX系统能够为Windows系统的操作控制提供实时解决方案，对抽象层HAL进行拓展，建立起了独立的内核驱动模式［2］。同时，RTX系统在系统线程切换时间方面时间非常短，几乎可以忽略不计。RTX系统在经过拓展的实时HAL，使用终中断管理模式，能够实现对线程的严格调度管理。此外，RTX系统还具有自己的中断管理机制，能够直接访问硬件端口，始终保持优先权，避免被系统线程堵塞。这样RTX系统就能够实现与Windows系统线程之间的内存数据信息共享，可有实现由运行环境来决定定时器精度，一般可以达到0.2ms精度。

2.3基于RTX的工业机器人控制系统的硬件结构设计

六轴工业机器人控制系统的硬件结构主要包括手臂、电气控制箱和计算机三个部分。其中，六轴工业机器人的手臂主要具有操作功能，能够带动末端工作，对于操作严格控制，并实现计算机的各种动作要求。六轴工业机器人的手臂为全关节式，能够实现任何动作的旋转和移动，满足工具操作的各种姿态要求。六轴工业机器人的电气控制箱内主要安装的是伺服电动驱动器以及各种保护电路、辅助电路和I/O电路，伺服电动驱动器的主要功能就是驱动机器人的手臂关节，实现手臂关节的各种动作和启停。六轴工业机器人控制系统中的计算机主要是负责控制和处理机器人的信息，控制手臂运动，实现控制器与人机交互界面。此外，基于RTX系统的六轴机器人硬件还包括PCI板卡、D/A转化卡、编码器卡以及工控机等硬件。

2.4基于RTX的工业机器人控制系统的软件结构设计

六轴工业机器人控制系统的软件主要分为人上位机（机操作界面、目标轨迹声场）以及下位机两大部分，其中，上位机是六轴工业机器人的操作平台，下位机六轴工业机器人的控制器。上位机作为操作平台，主要负责机器人运行显示、各关节编码器信息反馈、机器人状态监控信息显示以及与RPX机器人控制通讯等功能。下位机作为六轴工业机器人控制系统的控制器，主要负责通过编码卡来接收收电机位置反馈数据以及通过内存共享来接收上位机发出的操作指令，此外，下位机还能够利用控制算法模块来反馈数据与目标指令，从而给出指令，在经由D/A转换，输出模拟信号控制伺服电机驱动器，最终形成闭环控制系统。

3　基于RTX的工业机器人控制系统的实现

基于RPX的六轴工业机器人控制系统在软件和硬件结构上设计比较科学合理，能够满足工业生产的要求。这种六轴工业机器人的本体重量一般为20kg，额定负载为1kg，控制周期为1ms，运动规划控制主要由S型曲线实现。基于RTX的六轴工业机器人控制系统使用的是FARO激光跟踪仪，通过发射与接收器实时跟随靶球移动的技术，能够实现对机器人运动轨迹的精度测量，确保了工业机器人运行的高精确性。经过实践证明，基于RTX的工业机器人控制系统运行控制效果良好，能够为工业自动化性能的提升发挥更大的作用。