基于RTX的六轴工业机器人系统设计

基于RTX的六轴工业机器人系统设计

现代化的流水生产线上，工业机器人正在代替人类从事焊接、喷涂、搬运等许多较繁重的劳动，工业机器人的广泛应用正在日益改变人类的生产方式和生活方式，成为备受世界各国关注的产业。

工业机器人一般由机器人本体和机器人控制系统组成。传统的工业机器人控制系统往往采用专用计算机和专用微处理器的封闭式体系结构，不利于机器人系统的维护和扩展。通用的工业计算机由于使用Windows操作系统，具有成本低、开放性好、完备的软件开发环境和丰富的软件资料以及通信功能良好的特点，但是不能满足工业机器人的实时性控制要求，所以其应用受到很大限制。但是RTX的推广克服了这一瓶颈，使得使用通用计算机作为机器人控制器有了可能。

RTX是美国Ardence公司开发的基于Windows操作系统的实时解决方案，随着实时软件规模和复杂度的递增，RTX成为开发基于工业计算机的实时控制软件的首选方案。作者提出了一种基于RTX的工业机器人控制系统，以工业计算机与RTX实时操作系统为核心，将Windows操作系统与RTX操作系统相配合，既能够满足工业机器人控制所需要的实时、高精度和多任务的要求，又具有开放性和可扩展性的优点。

1工业机器人本体

德昌电机自主研发的六轴工业机器人本体的3D模型如1所示。工业机器人的驱动装置采用交流伺服电机与谐波减速器的组合。

1六轴机器人本体3D模型

六轴工业机器人本体的关节结构由回转的机体、大臂、小臂和腕部等部分组成，全部关节均为转动关节。其中，前3个关节可将末端工具送到不同的空间位置，而后3个关节则解决工具姿态的不同要求。从结构上看，第1关节在竖直方向旋转，是六轴机器人的腰部关节，电机安装在底座的底部。第2关节相当于肩部关节，其轴线呈水平方向，大臂绕其轴线旋转，而小臂绕第3关节轴线转动，相当于肘关节。焊接机器人最前端3个关节是机器人的小臂和手腕。第4关节轴带动手腕旋转，第5、6关节分别做俯仰和旋转运动。机器人末端3轴相交于一点，几何结构满足Pieper准则，可以采用封闭解法求运动学逆解问题。

2基于RTX的机器人控制系统结构

2.1RTX系统介绍

RTX作为Windows操作系统的实时解决方案，子锐机器人，它是Windows系统内核体系的延拓，修改并扩展了硬件抽象层HAL，实现独立的内核驱动模式，形成与Windows操作系统并列的实时子系统(如2)，将原有系统的线程间切换时间消耗缩短到几微秒Ⅲ。

2RTX体系结构

通过扩展的实时HAL，RTSS使用自己的中断管理模式，RTX线程总是优先于Windows线程取得调度权。RTX使用Windows系统的调度策略，对自己的实时线程进行严格调度管理；同时，RTX线程(包括中断服务、延迟调用)总是优先于Windows线程取得调度权。通过扩展的HAL，RTX有着自己的中断管理机制，而且能够直接访问I／O硬件端口。所有这些机制都保证RTX线程始终占据优先权，不会被Windows线程阻塞，而且可以通过端口的控制实现设备驱动程序的功能，直接对目标设备进行控制。RTX线程和Windows线程之间通过共享内存交换数据，通过实时信号量进行同步和通信。RTX定时器的精度可以由运行环境自行设置，一般能达到0.1ms的精度。

RTX系统可以实现实时精度很高的工业控制，特别是中断响应时间的快速性可对工业机器人的高速运动控制提供保障。

2.2六轴机器人系统硬件结构

JE六轴工业机器人系统由机器人手臂、电气控制箱和工业计算机组成(如3所示)。

3JE工业机器人系统组成

机器人手臂又称为机械手，是机器人的操作部分，由它直接带动末端操作器实现各种运动和操作，JE六轴工业机器人的手臂采用全关节式，其位置和姿态全部由旋转运动实现。

电气控制箱中安装有伺服电机驱动器，驱动机器人各个手臂关节，实现快速而频繁的启停和运动；另外，还包含各种保护电路、I／O电路以及其他辅助电路。工业计算机中运行基于RTX的机器人控制器与人机操作界面，实施机器人的全部信息处理和对机器人手臂的运动控制。

机器人手臂的驱动装置是一个为了跟踪目标值对手臂当前运动状态进行反馈构成的伺服系统，无论何种伺服系统结构，控制装置的目的是检测各关节的当前位置以及速度，将它们作为反馈信号，直接或间接地决定各关节的驱动力。机器人手臂体系结构的构成见4。

4机器人手臂体系结构的构成

基于RTX的六轴机器人系统硬件结构如5所示。系统的硬件包括：工控机，两种类型的PCI板卡：D／A转换卡以及编码器卡，伺服电机驱动器，伺服电机等。

5六轴机器人硬件结构

2.3六轴机器人系统软件结构

机器人控制系统平台的结构如6所示。工控机上运行的机器人控制系统包括两个模块：

6Windows+RTX的机器人控制系统平台

(1)下位机基于RTX的机器人控制器；

(2)上位机机器人人机操作平台。

其中，上位机机器人人机操作平台的功能包括：

(1)正、逆运动学计算以生成目标轨迹；

(2)与RTX机器人控制器进行通讯；

(3)机器人运动的显示；

(4)机器人各关节编码器反馈信息以及机器人状态监控信号的显示。

下位机基于RTX的机器人控制器主要功能为：

(1)通过编码器卡实时接收电机位置反馈数据；

(2)通过共享内存接收上位机给出的实时目标指令；

(3)反馈数据和目标指令经过控制算法模块，给出控制指令经过D／A转换，输出模拟信号控制伺服电机驱动器，形成一个闭环控制系统。

3实验结果

基于上述的软件和硬件平台，安川机器人维修，实现了基于RTX的机器人系统。JE六轴1kg工业机器人一代本体如7所示，工业机器人的本体质量为22kg，额定负载为1kg，一轴和二轴选用400W的伺服电机，三轴选用200W的伺服电机，四轴、五轴和六轴选用50w的伺服电机；RTX机器人控制器的控制周期为1ms，发那科机器人维修，使用S型曲线对每个关节轴进行运动规划控制(如8所示)，9为工业机器人进行初步的轨迹测试。

7JE六轴1kg工业机器人本体

使用FARO激光跟踪仪对机器人运动轨迹精度进行测量，将激光跟踪仪靶球固定在机器人末端(如10所示)，激光跟踪仪发射与接受器实时快速跟随靶球的移动，测量机器人的运动轨迹精度，测试结果如表1所示，完全满足应用的要求。

4结束语

设计了基于RTX的工业机器人系统架构，利用Windows丰富的资源以及RTX强大的实时处理能力，实现了一个开放的可扩展的工业机器人系统，为机器人的控制算法和功能扩展提供了基础；最后基于该体系结构成功自主研制了六轴工业机器人，实验和测试结果表明：基于该体系结构的的六轴工业机器人具有良好的运动控制效果。