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谈工业机器人控制系统硬件架构设计

时间:2020-09-27 08:57来源:未知 作者:admin 点击:
摘要:《中国制造2025》明确提出工业机器人作为未来5年重点发展方向,旨在建设一批拥有自主知识产权的、高性能的国产机器人品牌。但是由于我国机器人研究和应用起步时间较晚,导致工业机器人控制器市场基本被进口产品垄断。因此,本文提出了一种模块化的工业
  
摘要:《中国制造2025》明确提出工业机器人作为未来5年重点发展方向,旨在建设一批拥有自主知识产权的、高性能的国产机器人品牌。但是由于我国机器人研究和应用起步时间较晚,导致工业机器人控制器市场基本被进口产品垄断。因此,本文提出了一种模块化的工业机器人控制器硬件架构,具有可扩展、低成本、稳定性高等优点。
 
关键词:机器人;模块化;控制器
 
引言
 
在制造业中,使用机器人替换人力劳动,可以在节约成本的同时有效提高生产效率和质量,随着智能制造的逐步推广,必然极大推动工业机器人的发展,同时,也对工业机器人提出了更高的要求[1]。就必然需要一款高性能、模块化、低成本的工业机器人控制器。工业机器人是一种典型的自动化、数字化、智能化的机电设备,它主要由机械本体、控制系统、伺服驱动系统和传感器系统构成。其中,控制系统核心,是机器人的大脑,对机器人功能强弱和性能高低起决定性作用。文献[2]提出了一种基于I.MX6的工业机器人示教系统硬件平台,功耗低,外设丰富,但是,该平台基于安卓系统导致其实时性较低,无法满足工业生产的要求。文献[3]提出了一种基于PLC和触摸屏的机器人控制器,该方法性能稳定,但是PLC不适合大量数据运算使用,导致其只能应用在结构非常简单的机器人中,缺乏通用性。本文首先根据工业机器人的功能需求,将工业机器人控制系统分为人机交互系统和运动控制系统,然后分别设计与之对应的硬件架构。运动控制系统采用ARM系列CPU作为主控芯片,计算效率高,稳定性强。人机交互系统采用基于AM3358的套件,该套件接口丰富,支持多种显示屏连接方式,方便扩展。
 
1硬件架构设计
 
1.1运动控制系统硬件框架设计
 
本文采用32位低功耗、基于ARMCorex-M7内核的STM32F767作为运动控制系统的主控CPU,该CPU工作主频可达160MHZ,采用精简指令集,支持32位双精度硬件FPU(FloatPointUnit),在需要进行大量浮点运算的系统中,计算速度是同系列不支持FPU芯片的数十倍。相比其它必须按照IEEE-745标准来完成浮点运算的CPU,支持FPU单元浮点运算的CPU只需要几条指令便可以完成,计算速度非常快,大大提高了计算能力。该CPU还增加了DSP指令集,例如单周期乘法指令(ACC),使用DSP指令集可以大幅度提高计算效率。运动控制系统硬件框图如图1所示,虚线表示电源供电连接、实线表示信号通讯连接。从图中可以看出,运动控制系统硬件主要包含了电源模块、CPU模块、输入输出模块、晶振复位模块、JTAG模块和大量的外设模块。预留多种外设模块,方便后期功能的扩展,例如增加模拟量输入输出单元、视觉识别单元等。伺服控制是运动控制系统的核心功能之一,将计算的插补结果发送到伺服系统中,控制电机的运动从而达到控制机器人运动的效果。传统采用方向脉冲的方式,需要大量的外设IO和接线,显然已经不能满足机器人控制的需求。本文采用CANopen协议作为伺服控制协议,CANopen是一种架构在控制局域网路(ControllerAreaNetwork,CAN)上的高层通讯协定,是工业控制常用到的一种现场总线[4],广泛用于汽车、航空航天、机器人等领域。如图2所示,只需要两根通讯线就可以连接所有的设备,与传统的脉冲方向控制相比,CAN总线式控制占用资源少、可靠性高、传输速度快,可以同时控制多达72个伺服驱动电机单元。与MODBUS总线相比,CAN总线数据链路层可靠,物理层稳定,兼容性高,支持冗余设备[5]。
 
1.2人机交互系统硬件框架设计
 
人机交互系统采用基于AM3358的一款开发套件BeagleBlack,该套件的处理器内核为Cortex-A8,硬件框图如图3所示,除了必备的CPU模块、JTAG模块、DDR存储模块和Flash模块外,还预留了多种外设接口,例如HDMI、USBHost、ADC、JTAG、LCD屏接口、以太网接口、SD卡接口等。此外,还集成NEONSIMD协处理器,可以用于3D图形加速、支持显示游戏效果。非常适合作为人机交互系统使用。鉴于人机交互系统需要很多较为复杂的功能,例如文件系统、U盘读写、网络通信、LCD显示、多任务管理等等,若裸机进行开发,底层驱动开发需要花费大量时间和人力,但是若底层采用可靠性强的操作系统,则只需要开发应用程序,系统的移植和常用驱动一般芯片厂商都有提供模板,可以直接使用。极大地减少了开发工作量、缩短了开发周期。工业机器人广泛用于制造业,因此,工业机器人的人机交互系统通常需要一定的实时性,因此本次研究采用开源的实时操作系统RTLinux(AReal-TimeLinux亦称作实时Linux),它是众多开发人员针对实时系统的特点[6],在硬件和内核之间增加了一个虚拟层,修改Linux内核得到的一个实时操作系统,目前该系统已经被广泛用于工业设备中[7],实践证明,该系统能够完成既包括实时部分又包括非实时部分的复杂任务[8]。
 
2总结
 
本文设计的硬件架构性能高,方便扩展多种外设,可以满足工业上对实时性和通用性的要求,同时,CPU支持DSP功能,可以满足工业机器人控制中大量的矩阵计算要求,同时采用模块化设计,预留丰富接口,方便扩展。经过测试得出,该工业机器人架构稳定、可靠,性能强,经济效益高。
 
参考文献
 
[1]周济.智能制造—“中国制造2025”的主攻方向[J].中国机械工程,2015,17:001.
 
[2]雷凡.基于I.MX6的工业机器人示教器硬件平台设计与驱动开发[D].华中科技大学,2017.
 
[3]胡洪钧.基于PLC和触摸屏的SCARA机器人控制系统设计[J].制造业自动化,2019(5):98-101.
 
[4]张莉.基于CAN总线的通信系统设计研究[J].自动化与仪器仪表,2018(4):91-94.
 
[5]聂磊.基于CAN总线的机器人嵌入式控制系统设计[D].哈尔滨工程大学,2015.
 
[6]熊四昌,周赟涛.基于嵌入式的移动图像监控系统设计[J].计算机测量与控制,2018,026(004):82-84.
 
[7]刘丽霞,杨宇.LINUX兵书(程序员藏经阁)[M].电子工业出版社,2014.
 
[8]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(9):1-13.
 
作者:吴乐平 顾晟吉 巢勤奋 单位:南京旭上数控技术有限公司
(责任编辑:mac)
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