基于EtherCAT的6-UPS并联机器人控制系统设计.pdf

电气与自动化周亮等基于 的 并联机器人控制系统设计基金项目:国家自然科学基金资助项目()第一作者简介:周亮()男云南丽江人硕士研究生研究方向为机器人控制技术.:./.基于 的 并联机器人控制系统设计周亮刘凯吴洪涛蔡宝玉陈柏(.南京航空航天大学 机电学院江苏 南京.江苏泰源数控机床有限公司江苏 泰州)摘 要:针对机器人控制系统领域代码复用率低、拓展性差的问题以 并联机器人为研究对象采用开源机器人控制系统 为基本框架借助 主站实现 系统与机器人之间的通信在 中建立机器人的仿真模型通过 开发相应的人机界面根据机器人运动学模型编写运动学节点、轨迹规划节点实现机器人的仿真与实际控制并对底层驱动系统进行实时同步性测试 实验结果表明:控制系统的实时性和稳定性误差均在 数量级满足机器人控制系统的需求通过设置中间路径点测试仿真机器人以及真实机器人的运动情况轨迹误差保持在一个脉冲当量以内具有较高的控制精度 所设计的机器人控制系统可以有效地实现机器人的控制关键词:机器人控制系统并联机器人中图分类号:文献标志码:文章编号:()(.):.:引言近几十年以来随着机器人领域的快速发展机器人所携带的硬件设备也逐渐增多若从头开始设计机器人的各个功能模块就是一个重复造轮子的过程 年 公司发布了开源机器人操作系统 该系统提供了硬件抽象、底层设备控制、进程间信息传递和包管理的功能各个功能包负责不同的模块采用松散耦合的方式进行通信提高了机器人开发过程中的代码复用率在机器人控制系统领域随着工业.的到来对机器人有了更高的网络化、稳定性、实时性要求 跟随时代的需要工业以太网协议的出现很好地解决了这个问题市场上常见的工业以太网协议有、/、等 其 中 德 国 倍 福 公 司 的 因其良好的性能以及开放性现已得到了广大驱动器厂商的支持在机器人控制器通信领域也得到了广泛的应用针对目前传统机器人控制系统适用面窄代码复用率低、拓展性差的问题本文以 并联机器人为研究对象采用 机器人操作系统为基本框架通过对 进行实时化改造以 总线作为通信方式设计开发了一种开放性、高性能、低成本的机器人控制系统 控制系统组成.控制系统硬件组成控制系统硬件采用支持 总线的松下 伺电气与自动化周亮等基于 的 并联机器人控制系统设计服驱动器、倍福耦合模块和 模块、研华 工控机以及 并联机构整个系统的硬件结构如图 所示O614 5.图 并联机器人.控制系统软件组成控制系统软件框架基于 机器人控制系统整个系统框架分为应用层、服务层、驱动层以及设备层 应用层采用 开发机器人的控制系统界面服务层主要包括机器人的运动学节点、传感器信息处理节点以及手柄控制等节点驱动层为物理机器人和虚拟机器人的驱动节点设备层主要包括机器人本体和仿真机器人机器人本体通过 总线进行驱动控制仿真机器人通过自定义的 插件进行驱动控制 系统软件框架如图 所示ROS35+P+MGazebo+MF?F*8PGazebo-EtherCATTCPEFGLPIOGazebo 8图 系统整体框架 底层控制系统设计.系统实时化改造 系统相当于 而言其开源的特性使得整个系统具有很大的灵活性并且众多开源项目对于 都有着很好的支持 因此本项目采用 系统来运行 主站但是标准的 系统和 一样都不具备实时性因此需要对 系统进行实时化改造 本系统采用 的双内核系统常规的 内核用于处理非实时的任务 内核用于处理关节驱动节点中的实时任务经过改造后的系统内核架构如图 所示libcobaltXenomai35B+Cobalt kernel.B.C$FlinuxglibcLinux35B+Linux kernel40F 图 双内核系统架构将 系统改造成双内核系统基本流程如下:通过 下载文件中的脚本给标准的 内核打上必要的补丁对 内核进行配置需要对 使能以及关闭 频率缩放等功能交叉编译打完补丁之后的 内核将编译得到的文件安装并配置 即完成了双内核系统的改造.通信实现底层控制系统需要实现控制系统和机器人的伺服系统的通信 在 系统中 主站可使用 主站和 主站但是 主站对于 协议的实现更加完整因此本项目用 主站控制从站数据的发送和接收 主站数据报读写过程如图 所示在每个通信周期中主站发出的数据依次经过每一个从站经过每个从站的时候从站从数据报中获取并插入数据全部从站处理完之后数据报原路返回并由第一个从站作为响应报文发送给主站 主站在应用层支持 协议 协议遵循 的应用层行规通过对象字典便可实现伺服驱动器和 模块的控制1RXTXTXRX11RXTXTXRX12RXTXTXRX1nEtherCAT11E11E12E12E1nE1nE图 数据报读写过程 控制系统软件实现控制系统的软件部分主要包括机器人运动学、轨迹规划算法创建、人机界面设计、驱动节点设计等通过 指令可以直观地反映各个节点之间数据之间的关系控制节点之间的关系如图 所示 机器人控制系统的优势在于松散耦合式的系统框架其强大的社区与开发者提供了很多功能强大的插件 作为一个跨平台的用户界面应用程序开发框架目前已经和 很好地结合在一起 机器人人机界面采用 插件进行界面的开发可以设置连续路径运动、点到点运动 仿电气与自动化周亮等基于 的 并联机器人控制系统设计真机器人界面使用 自带的显示界面可以直观地看到仿真机器人的运动情况UPS_ui/ups_ui/ps4_ioy/ups/cmd_vel/ctr_msgSensor/sensorJoy/ps4_controller/ikTrajectory_planning/aim_posDrive_ups/drive_ups/gazebo图 控制节点关系图.传感器节点传感器节点用于获取机器人各支腿上接近开关的数据以及进行机器人运行状态显示 各接近开关的值通过倍福的 模块进行采集在每个 通信周期中通过 提供的()函数读取 个输入通道的状态 模块用于显示机器人控制系统状态包括 个伺服电机使能状态以及显示 的运行状态.轨迹规划节点通过人机界面可以设置机器人进行点到点运动或者带中间路径点的运动 对于点到点运动将其转化为关节空间用五次多项式进行插值保证其速度和加速度连续平稳对于带中间路径点的运动将其转化为关节空间相对应的支腿长度并采用三次样条进行插值保证中间点过渡平滑减少机器人的抖动.关节驱动节点实现第 节的底层控制系统设计已经为关节驱动节点的设计打好了基础 为实现 协议控制各伺服驱动器及 模块需要在工控机中初始化 主站在激活主站之前注册相应的 过程数据信息过程数据信息中包含了需要进行操作的对象字典所采用的 配置信息如表 所示 随后通过 实时内核提供的 创建周期性的实时任务在每个通信周期中实现对各从站的操作 主站执行过程如图 所示.仿真控制实现 是 中机器人描述的原生支持格式但是该种描述格式依然缺少很多的功能例如:无法定义闭链结构(并联机器人)缺少摩擦特性等 因此要在 里实现并联机器人仿真就必须使用 格式的机器人描述格式该格式的描述文件完整地描述机器人从机器人级到世界级的所有内容专供 使用表 配置 索引 入口名称类型.控制字.运行模式.目标位置.巡航速度.跟随误差.状态字.实际位置.实际速度91 JE0 91G5G5SDOXenomai 40191E08EFB!1 1J1F1SDO#E0%#1图 主站流程 在 中实现并联机器人仿真控制的步骤如下:首先需要在三维建模软件中建立机器人各个部件的三维模型并转换成 格式将三维模型导入 软件中进行比例缩放以及原点的设置并将处理好的文件转化为 能更好支持的格式 计算各个零件在世界坐标系中的位姿并在 中进行组装完成关节的设置之后即得到了机器人的 仿真模型 要让机器人在 中动起来还得有控制器 自带的控制器并不支持 格式必须编写自定义的 控制器插件通过自定义的插件来调用 预留的接口来设置关节的位置、速度、参数 图 为该并联机器人在 中的仿真模型 实验在机器人控制系统中实时性是指在规定的时间里机器人控制系统能够完成数据的收发同步性是指在机器人控制系统中对多轴同步运动的要求避免由于轴之间的不同步而造成误差可靠性是指机器人控制系统长时间运行电气与自动化周亮等基于 的 并联机器人控制系统设计能够保持系统稳定避免出现死机状况 结合所设计的并联机器人对所开发的机器人控制系统进行测试图 仿真模型.实时性测试在 内核模式下运行测试程序 设定测试模式为周期性用户模式任务测试时间为 分别测试任务周期为.、.、.下的系统任务调度的延时性 个任务周期下的测试结果如表 所示 实验结果表明 种机器人常用控制周期下的延时抖动均能够维持在 以内满足机器人控制系统对于实时性的要求表 各周期下延时性测试结果单位:测试周期最大延时最小延时平均延时.同步性测试在同步性测试方面通过对两个 从站模块输出方波信号来观察在两个 模块间加入了 个倍福 从站模块所采用的网络拓扑结构如图 所示 通过上升沿或下降沿处的时间差可以用来反映同步误差示波器的测试结果如图 所示通过实验可知从站的同步误差大约在 左右满足机器人控制系统对于同步性的要求1EK1100EL2008EL1008EL1008EL3068EL3068EL2008图 同步性测试网络拓扑结构20 s1 000 s11 图 输出同步性测试.机器人运动仿真及实验本文搭建了 并联机器人的仿真模型以及控制平台现对机器人连续路径点的轨迹规划算法进行验证首先在人机界面输入各路径点经过运动学解算得到的各支腿伸长量如表 所示 得到的各支腿关节空间序列经过三次样条插值轨迹规划结果发送给 仿真机器人 由图 可知机器人运动轨迹连续、过渡平滑 表 机器人各路径点对应支腿伸长量 单位:序列轴 轴 轴 轴 轴 轴 由于篇幅的限制本文主要对轴 进行了分析 轴 编码器的仿真结果和实际编码器数值脉冲数误差如图 所示 在实际运行过程中机器人能够很好地按照仿真的曲线进行运动误差基本在 个脉冲当量以内机器人具有较高的运行精度 图 为 并联机器人在仿真及在实验中的运动姿态4504003503002502001501005000246810121416/s/mm123456图 各轴长度变化三次样条曲线1.00.50-0.5-1.00246810121416/s图 每周期应发脉冲和实发脉冲误差(下转第 页)电气与自动化杨成杰等基于 的主轴精度调控参数优化 结语)主轴转速提升和负载转矩变大均会使主轴系统的热误差和回转误差变大且转速对于主轴系统精度的影响更加明显 因为主轴转速的提升会导致主轴电机和轴承组的发热功率同时上升而负载转矩的增大会使电机的电损耗增加从而导致电机生热功率上升对轴承组的生热功率影响不大)主轴精度多目标优化算法对主轴精度的调控效果良好且对高转速下的主轴精度提升效果更加明显主轴的热误差和回转误差均有明显改善 同时由于主轴精度多目标优化算法以径向回转误差为决策指标从 解集中选取最优解精度调控后主轴系统的回转误差对比热误差改善效果更加稳定综上所述本文提出的基于 算法的主轴精度多目标优化方法可以对多工况下的主轴系统精度进行有效调控使主轴系统的加工精度得到一定提升参考文献:白丰瑞.电主轴回转精度退化研究及保持性评估.长春:吉林大学.:.:.():.():.薛海涛胡鹏浩苗恩铭等.数控车床主轴热变形对零件形位加工精度影响分析.工具技术():.袁哲俊刘华明.刀具设计手册.北京:机械工业出版社.刘强李忠群.数控铣削加工过程仿真与优化:建模、算法与工程应用.北京:航空工业出版社.收稿日期:(上接第 页)UBU,UCUO图 机器人运行状态 结语针对传统的机器人控制系统存在的同步性差、实时性差的问题通过开源的 和 构建了开放的机器人控制系统舍弃了传统的采用运动控制器 的方式采用 实现了机器人的伺服控制 利用 系统资源丰富的优势开发了机器人的上位机系统利用 松散耦合的通信方式开发了相应的功能包有利于代码的复用和移植 使得整个机器人控制系统具有开源、易拓展的优势对于工业软件国产化也具有重要的意义 各项测试实验结果表明所设计的机器人控制系统可以有效地实现机器人的控制参考文献:孟明辉周传德陈礼彬等.工业机器人的研发及应用综述.上海交通大学学报(增刊):.():.():.韩守谦裴海龙王清阳.基于 的实时嵌入式 操作系统的构建.计算机工程与设计():.刘豪志刘凯王欢等.基于嵌入式 平台 主站设计.机械与电子():./().:.孙凌云罗福源刘鹏.基于 和 的机器人建模及轨迹规划仿真验证.机械制造与自动化():.收稿日期: