谈工业机器人控制系统硬件架构设计

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