工业机器人控制系统探究范文

摘要：

六轴工业机器人系统要求具有高实时性和高精度，本文研究了一种基于RTX的工业机器人系统。本文对工业机器人的结构做了准确介绍，重点分析了基于RTX的控制系统构架，并探究了其软硬件结构，在利用Windows界面功能和RTX实时处理能力，实现了开放、可扩展的六轴工业机器人系统。实践表明，这种工业机器人的点位和轨迹精度均满足生产需要，值得推广。

关键词：

工业机器人；控制系统；实时性；探究

随着机器人技术的发展，在现代工业生产中，机器人发挥着越来越重要的作用，改变了传统的生产和生活方式。引起了世界各国的广泛关注。工业机器人由机器人控制系统和机器人本体两部分组成，一般工业计算机使用Windows操作系统，但是却无法满足工业机器人实时性控制要求。国内的运动控制器主要采用三种方案。本文研究了一种基于RTX（RealTimeExtend）的工业机器人控制系统，在实时性、精度方面均有优势，可满足应用需要。

一、工业机器人本体介绍

我国自主研发的六轴工业机器人本体的驱动装置，采用的是交流伺服电机和减速器两种构件。六轴工业机器人的本体，主要包括回转机体、腕部、大臂和小臂等几部分。其中，全部关节都是转动关节。机器人的前三个关节，能够将末端工具送至任何空间位置，后三个关节能够满足不同工具姿态的要求。从结构上面来看，第1关节为数值方向旋转，属于六轴工业机器人腰部关节，底部底座位置安装着电机；第2关节相当于人体的肩关节，其轴线为水平方向，并且大臂缠绕此轴线之上；第3关节就是机器人的小臂和手腕，而第4关节为带动手腕旋转，第5关节做俯仰旋转运用，第6关节做旋转运用。Windows系统属于多任务操作系统，可同时并行多项任务，系统核心层的任务调度器可调度用户线程。同时，Windows系统实现了一个由优先驱动的抢占式调度系统，通过配额的调整，根据时间进行调度。根据调度机制，在运行过程中，用户的程序如果超过了实时性的要求，即超过15ms，则可能需要等待更长时间才能得以处理。Windows系统中的硬件采用的是两片级联的8259芯片，但是由于PCI分配中断资源属于常规中断，且由于BIOS运行属于实时模式，因此只有在保护模式下其才能够正常使用。这也就是说，目前系统中的中断实现还存在局限性，需要加以进一步开发和研究，完善系统中断实现，以更好适应机器人控制系统发展，满足其要求。基于此，本文探究了一种基于RTX系统的六轴工业机器人控制系统。

二、基于RTX工业机器人控制系统结构介绍

（一）RTX系统事实上，RTX是Windows系统内核体系的拓展和眼神，为系统提供实时解决方案，有效拓展了抽象层HAL，建立了一种独立内核驱动模式。RTX系统可将既有系统的线程间切换时间消耗，也只有短短的数微妙。系统结构图如图1所示。经过拓展的实时HAL，其RTX使用的是中断管理模式，而与Windows线程相比，RTX可实现实时线程严格调度管理，并且RTX线程也比其他系统的调度权要优越。同时，通过扩展的HAL，RTX还拥有自身的中断管理机制，可直接访问I/O硬件端口。因此，RTX的上述机制，可该系统始终保持优先权，而不被系统线程堵塞。RTX线程与Windows线程间，可实现共享内存数据，并由实时信号负责两部分的同步通信。RTX定时器精度，由运行环境来决定和设置，可达到0.2ms精度。

（二）系统硬件结构分析六轴工业机器人系统结构包括三部分，即机器人手臂、电气控制箱和工业计算机。如图2所示。机器人手臂主要负责机器人操作，其可直接带动末端，控制和实现计算机的各种动作和操作。机器人手臂为全关节式，通过旋转运动可实现任何动作和姿态。而电气控制箱则是内里安装有伺服电动驱动器的部分，用于驱动机器人手臂关节，实现手臂关节的启停与运动。同时，这部分还包括各种保护电路、辅助电路和I/O电路等。在基于RTX机器人控制器与人机操作界面中，工业计算机可进行正常运行，控制和处理机器人的信息，控制机器人手臂运动。基于RTX六轴机器人硬件系统，主要包括PCI板卡、工控机、编码器卡、伺服电机，以及D/A转化卡、伺服电机驱动器等。

（三）系统软件结构分析六轴工业机器人系统软件结构包括人机操作界面、目标轨迹声场和下位机等部分，分为上位机和下位机两个模块。其中，下位机是系统的控制器，上位机是人机操作平台。由于上位机是机器人系统的操作平台，其主要功能包括显示机器人运行、显示机器人各关节编码器反馈信息、显示机器人状态监控信号，以及与RTX机器人控制器通讯。而下位机由于为机器人操作系统控制器，其主要功能包括：一是通过编码器卡来实时接收电机位置反馈数据，二是通过共享内存来接收上位机发出的实时目标指令；三是经过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。

三、六轴工业机器人控制系统实践

基于RTX系统的六轴工业机器人系统，通过软件结构与硬件结构，探究出了一种基于RTX的六轴工业机器人系统。这种工业机器人本体的重量为20kg，其额定负载1kg，其一轴和二轴采用的电机均为400W，而三轴采用的是200W伺服电机，第四轴、第五轴和第六轴选用50W伺服电机。基于RTX机器人控制器的控制周期为1ms，其运动规划控制主要由S型曲线实现。机器人运动轨迹精度测量，则使用FARO激光跟踪仪，是将激光跟踪仪固定于机器人末端，其发射与接收器实时快速跟随靶球移动，用以测量基于RTX系统工业机器人运动轨迹的精度。机器人点运动和轨迹运动精度见表1。

四、结论

本文探究了一种基于RTX六轴工业机器人系统架构，同时利用了Windows资源与RTX的实时处理能力，探究出了一种开放型的、可扩展的工业机器人系统，从而为六轴工业机器人控制算法与功能扩展提供了基础。同时，基于RTX系统结构的研制成功，也表明我国具有了自主研发的机器人，其测试和实践结果表明，基于RTX体系结构的六轴工业机器人的运动控制效果良好。机器人控制系统给定的输入信号为正弦信号，根据仿真所得的结果，表明系统显示出了良好的动态特性。而通过建立机电仿真模型，在分析进给驱动系统整体动态特性的同时，还能够分析机械传动机构动力学特征，以及设计伺服控制算法、优化调整控制参数等，为提升工业自动化整体性能发挥更大的作用。

五、结语

随着工业的发展，特别是机器人制造技术的发展，更加智能的机器人控制系统已经被制作出来。传统基于Windows系统的工业机器人，虽然也适应工业发展需求，但是其精度和实时性控制方面，却不适应未来发展趋势。文章根据工业发展需要，探究了一种基于RTX系统的六轴工业机器人，介绍了其控制系统中的硬件和软件部分，并探讨了其实际运行的效果，结果表明适应生产需要，值得推广。

参考文献

[1]苏炳恩.基于EtherCAT总线的六轴工业机器人控制系统研究与开发[D].华南理工大学，2013.

[2]毕鲁雁，刘立生.基于RTX的六轴工业机器人系统设计[J].机床与液压，2013（15）：134-136+163.

[3]廖新辉.手机自动化生产线六轴机器人单元工作原理及常见故障分析[J].机电工程技术，2015（06）：52-55.

作者：汤嘉荣 单位：广州数控设备有限公司 广州市广数职业培训学院