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摘要：

六軸工業(yè)機器人系統(tǒng)要求具有高實時性和高精度，本文研究了一種基于RTX的工業(yè)機器人系統(tǒng)。本文對工業(yè)機器人的結(jié)構(gòu)做了準確介紹，重點分析了基于RTX的控制系統(tǒng)構(gòu)架，并探究了其軟硬件結(jié)構(gòu)，在利用Windows界面功能和RTX實時處理能力，實現(xiàn)了開放、可擴展的六軸工業(yè)機器人系統(tǒng)。實踐表明，這種工業(yè)機器人的點位和軌跡精度均滿足生產(chǎn)需要，值得推廣。

關(guān)鍵詞：

工業(yè)機器人；控制系統(tǒng)；實時性；探究

隨著機器人技術(shù)的發(fā)展，在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中，機器人發(fā)揮著越來越重要的作用，改變了傳統(tǒng)的生產(chǎn)和生活方式。引起了世界各國的廣泛關(guān)注。工業(yè)機器人由機器人控制系統(tǒng)和機器人本體兩部分組成，一般工業(yè)計算機使用Windows操作系統(tǒng)，但是卻無法滿足工業(yè)機器人實時性控制要求。國內(nèi)的運動控制器主要采用三種方案。本文研究了一種基于RTX（RealTimeExtend）的工業(yè)機器人控制系統(tǒng)，在實時性、精度方面均有優(yōu)勢，可滿足應用需要。

一、工業(yè)機器人本體介紹

我國自主研發(fā)的六軸工業(yè)機器人本體的驅(qū)動裝置，采用的是交流伺服電機和減速器兩種構(gòu)件。六軸工業(yè)機器人的本體，主要包括回轉(zhuǎn)機體、腕部、大臂和小臂等幾部分。其中，全部關(guān)節(jié)都是轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)。機器人的前三個關(guān)節(jié)，能夠?qū)⒛┒斯ぞ咚椭寥魏慰臻g位置，后三個關(guān)節(jié)能夠滿足不同工具姿態(tài)的要求。從結(jié)構(gòu)上面來看，第1關(guān)節(jié)為數(shù)值方向旋轉(zhuǎn)，屬于六軸工業(yè)機器人腰部關(guān)節(jié)，底部底座位置安裝著電機；第2關(guān)節(jié)相當于人體的肩關(guān)節(jié)，其軸線為水平方向，并且大臂纏繞此軸線之上；第3關(guān)節(jié)就是機器人的小臂和手腕，而第4關(guān)節(jié)為帶動手腕旋轉(zhuǎn)，第5關(guān)節(jié)做俯仰旋轉(zhuǎn)運用，第6關(guān)節(jié)做旋轉(zhuǎn)運用。Windows系統(tǒng)屬于多任務操作系統(tǒng)，可同時并行多項任務，系統(tǒng)核心層的任務調(diào)度器可調(diào)度用戶線程。同時，Windows系統(tǒng)實現(xiàn)了一個由優(yōu)先驅(qū)動的搶占式調(diào)度系統(tǒng)，通過配額的調(diào)整，根據(jù)時間進行調(diào)度。根據(jù)調(diào)度機制，在運行過程中，用戶的程序如果超過了實時性的要求，即超過15ms，則可能需要等待更長時間才能得以處理。Windows系統(tǒng)中的硬件采用的是兩片級聯(lián)的8259芯片，但是由于PCI分配中斷資源屬于常規(guī)中斷，且由于BIOS運行屬于實時模式，因此只有在保護模式下其才能夠正常使用。這也就是說，目前系統(tǒng)中的中斷實現(xiàn)還存在局限性，需要加以進一步開發(fā)和研究，完善系統(tǒng)中斷實現(xiàn)，以更好適應機器人控制系統(tǒng)發(fā)展，滿足其要求。基于此，本文探究了一種基于RTX系統(tǒng)的六軸工業(yè)機器人控制系統(tǒng)。

二、基于RTX工業(yè)機器人控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)介紹

（一）RTX系統(tǒng)事實上，RTX是Windows系統(tǒng)內(nèi)核體系的拓展和眼神，為系統(tǒng)提供實時解決方案，有效拓展了抽象層HAL，建立了一種獨立內(nèi)核驅(qū)動模式。RTX系統(tǒng)可將既有系統(tǒng)的線程間切換時間消耗，也只有短短的數(shù)微妙。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。經(jīng)過拓展的實時HAL，其RTX使用的是中斷管理模式，而與Windows線程相比，RTX可實現(xiàn)實時線程嚴格調(diào)度管理，并且RTX線程也比其他系統(tǒng)的調(diào)度權(quán)要優(yōu)越。同時，通過擴展的HAL，RTX還擁有自身的中斷管理機制，可直接訪問I/O硬件端口。因此，RTX的上述機制，可該系統(tǒng)始終保持優(yōu)先權(quán)，而不被系統(tǒng)線程堵塞。RTX線程與Windows線程間，可實現(xiàn)共享內(nèi)存數(shù)據(jù)，并由實時信號負責兩部分的同步通信。RTX定時器精度，由運行環(huán)境來決定和設(shè)置，可達到0.2ms精度。

（二）系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)分析六軸工業(yè)機器人系統(tǒng)結(jié)構(gòu)包括三部分，即機器人手臂、電氣控制箱和工業(yè)計算機。如圖2所示。機器人手臂主要負責機器人操作，其可直接帶動末端，控制和實現(xiàn)計算機的各種動作和操作。機器人手臂為全關(guān)節(jié)式，通過旋轉(zhuǎn)運動可實現(xiàn)任何動作和姿態(tài)。而電氣控制箱則是內(nèi)里安裝有伺服電動驅(qū)動器的部分，用于驅(qū)動機器人手臂關(guān)節(jié)，實現(xiàn)手臂關(guān)節(jié)的啟停與運動。同時，這部分還包括各種保護電路、輔助電路和I/O電路等。在基于RTX機器人控制器與人機操作界面中，工業(yè)計算機可進行正常運行，控制和處理機器人的信息，控制機器人手臂運動。基于RTX六軸機器人硬件系統(tǒng)，主要包括PCI板卡、工控機、編碼器卡、伺服電機，以及D/A轉(zhuǎn)化卡、伺服電機驅(qū)動器等。

（三）系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)分析六軸工業(yè)機器人系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)包括人機操作界面、目標軌跡聲場和下位機等部分，分為上位機和下位機兩個模塊。其中，下位機是系統(tǒng)的控制器，上位機是人機操作平臺。由于上位機是機器人系統(tǒng)的操作平臺，其主要功能包括顯示機器人運行、顯示機器人各關(guān)節(jié)編碼器反饋信息、顯示機器人狀態(tài)監(jiān)控信號，以及與RTX機器人控制器通訊。而下位機由于為機器人操作系統(tǒng)控制器，其主要功能包括：一是通過編碼器卡來實時接收電機位置反饋數(shù)據(jù)，二是通過共享內(nèi)存來接收上位機發(fā)出的實時目標指令；三是經(jīng)過控制算法模塊來反饋數(shù)據(jù)與目標指令，從而給出指令，在經(jīng)由D/A轉(zhuǎn)換，輸出模擬信號控制伺服電機驅(qū)動器，最終形成閉環(huán)控制系統(tǒng)。

三、六軸工業(yè)機器人控制系統(tǒng)實踐

基于RTX系統(tǒng)的六軸工業(yè)機器人系統(tǒng)，通過軟件結(jié)構(gòu)與硬件結(jié)構(gòu)，探究出了一種基于RTX的六軸工業(yè)機器人系統(tǒng)。這種工業(yè)機器人本體的重量為20kg，其額定負載1kg，其一軸和二軸采用的電機均為400W，而三軸采用的是200W伺服電機，第四軸、第五軸和第六軸選用50W伺服電機。基于RTX機器人控制器的控制周期為1ms，其運動規(guī)劃控制主要由S型曲線實現(xiàn)。機器人運動軌跡精度測量，則使用FARO激光跟蹤儀，是將激光跟蹤儀固定于機器人末端，其發(fā)射與接收器實時快速跟隨靶球移動，用以測量基于RTX系統(tǒng)工業(yè)機器人運動軌跡的精度。機器人點運動和軌跡運動精度見表1。

四、結(jié)論

本文探究了一種基于RTX六軸工業(yè)機器人系統(tǒng)架構(gòu)，同時利用了Windows資源與RTX的實時處理能力，探究出了一種開放型的、可擴展的工業(yè)機器人系統(tǒng)，從而為六軸工業(yè)機器人控制算法與功能擴展提供了基礎(chǔ)。同時，基于RTX系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的研制成功，也表明我國具有了自主研發(fā)的機器人，其測試和實踐結(jié)果表明，基于RTX體系結(jié)構(gòu)的六軸工業(yè)機器人的運動控制效果良好。機器人控制系統(tǒng)給定的輸入信號為正弦信號，根據(jù)仿真所得的結(jié)果，表明系統(tǒng)顯示出了良好的動態(tài)特性。而通過建立機電仿真模型，在分析進給驅(qū)動系統(tǒng)整體動態(tài)特性的同時，還能夠分析機械傳動機構(gòu)動力學特征，以及設(shè)計伺服控制算法、優(yōu)化調(diào)整控制參數(shù)等，為提升工業(yè)自動化整體性能發(fā)揮更大的作用。

五、結(jié)語

隨著工業(yè)的發(fā)展，特別是機器人制造技術(shù)的發(fā)展，更加智能的機器人控制系統(tǒng)已經(jīng)被制作出來。傳統(tǒng)基于Windows系統(tǒng)的工業(yè)機器人，雖然也適應工業(yè)發(fā)展需求，但是其精度和實時性控制方面，卻不適應未來發(fā)展趨勢。文章根據(jù)工業(yè)發(fā)展需要，探究了一種基于RTX系統(tǒng)的六軸工業(yè)機器人，介紹了其控制系統(tǒng)中的硬件和軟件部分，并探討了其實際運行的效果，結(jié)果表明適應生產(chǎn)需要，值得推廣。

參考文獻

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[3]廖新輝.手機自動化生產(chǎn)線六軸機器人單元工作原理及常見故障分析[J].機電工程技術(shù)，2015（06）：52-55.

作者：湯嘉榮 單位：廣州數(shù)控設(shè)備有限公司 廣州市廣數(shù)職業(yè)培訓學院