CN108490887A - 一种再制造机器人控制器及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种再制造机器人控制器及其控制方法，属于智能制造领域。为了满足高速再制造生产线对机器人多轴联动快速运动的要求，该控制器的思路是在双核处理器环境下将机器人轨迹控制与逻辑控制功能集成在一起，并通过共享存储器建立IO映射器进行状态数据通信与运动协作，简化了控制器的结构，并且能够同时实现逻辑控制和轨迹控制。本发明还提供了一种基于上述控制器的控制方法，其通过软硬结合方式和基于滑动滤波的自适应S加减速控制方法来完成多轴联动插补控制。这种控制器可在各类再制造生产线的机器人系统中应用，实现高速平稳运动控制。

Description

一种再制造机器人控制器及其控制方法
技术领域
本发明涉及机器人控制技术领域，主要涉及一种再制造机器人控制器及其控制方法。
背景技术
国际上一些发达国家结合激光加工和机器人技术，开展激光熔覆再制造技术研究。由于再制造损伤构件具有多样化、小批量和个性化等特点，难以通过编制固定的机器人工作程序来实现修复生产。目前，市场上还没有专门的面向再制造的机器人控制系统，都是采用的通用机器人控制器，另外目前还没有解决机器人的智能自动编程技术。
本发明主要针对再制造过程复杂轨迹的高效平稳加工问题，利用双核结构集成了机器人轨迹控制与逻辑控制，采用自适应S加减速控制方法实现了高速平稳运动控制。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术上的不足，提供了一种再制造机器人控制器，可实现机器人高速平稳运动控制。本发明采用以下技术方案：
一种再制造机器人控制器，所述控制器包括参数化编程模块、指令集模块、指令译码模块、带滑动滤波器的自适应S曲线加减速控制模块、多轴插补控制模块、可编程逻辑控制模块和FPGA插补芯片：
参数化编程模块输入冲压路径参数给指令集模块，轨迹指令送到指令译码模块完成二进制转换、指令解析、运动数据预处理的计算，逻辑控制指令送到可编程逻辑控制模块；
自适应S曲线加减速模块根据译码模块送来的运动数据，计算每个插补周期的机器人运动速度，同时利用滑动滤波器消除速度突变；
多轴插补模块采用数字插补方法计算各轴运动增量，将各轴运动增量送到FPGA插补芯片中产生伺服控制脉冲信号；
可编程逻辑控制模块根据接收的逻辑指令与生产线设备状态数据，完成机器人与生产线的协作控制。
优选的，机器人的轨迹控制与逻辑控制运算集成在一个双核处理器中，DSP核负责机器人多轴轨迹规划与控制，ARM核负责逻辑控制；在共享存储器中建立一个IO映射区作为轨迹控制器与可编程控制器的软接口，在IO映射区上设置轴状态、IO状态、工作方式的IO映射器信息，并使用中断方式实现双核间的数据通信。
优选的，所述的机器人控制器采用基于滑动滤波的自适应S加减速控制方法，利用机器人各关节所允许的最大速度、最大加速度和最大加加速度的约束条件，根据各段轨迹的起点速度vs和终点速度ve的绝对差值|vs-ve|，自适应调整加减速时间常数，并采用滑动滤波方法消除S加减速算法过程中各加工段的速度跳变。
优选的，采用软硬件相结合方式实现机器人运动规划，先利用软件模块进行第一次多轴联动插补计算，采用数字增量式积分器DDA算法获得采样周期的各轴数字值，为了保证精度使用了3字长的定点运算，同时对余数进行了累加补偿处理；第二次插补使用了FPGA插补芯片，采用了脉冲式DDA算法产生出均匀化的指令脉冲信号。
本发明的有益效果：
1、本发明的再制造冲压机器人控制器，能够满足高速再制造生产线对机器人多轴联动快速运动、与再制造作业设备协作控制及体积小型化的要求，实现高速平稳运动控制。
2、本发明的再制造机器人控制器为了实现机器人平稳运动控制，机器人速度规划采用了基于滑动滤波的自适应S加减速控制方法，并采用滑动滤波的方法消除S加减速算法过程中各加工段的速度跳变，达到平稳控制的目的。
3、本发明机器人运动规划采用了软硬件相结合方式，利用DSP+FPGA方式缩短插补周期。采用数字增量式积分器DDA算法获得采样周期的各轴数字值，为了保证精度使用了3字长的定点运算，同时对余数进行了累加补偿处理，第二次插补使用了FPGA插补芯片，实现了机器人高速控制。
附图说明
图1是本发明再制造机器人双核控制结构图；
图2是本发明再制造机器人自适应S减速控制原理图；
图3是本发明基于滑动平均滤波的速度规划结构图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明。
为了更清楚的理解本发明，下面结合附图对本发明做进一步的详细描述和说明。
本发明再制造机器人控制器的结构，如图1所示。为了使机器人控制器的结构简化和集成化，采用一个单芯片的双核处理器作为机器人的核心处理单元，ARM核负责机器人任务管理、通信、可编程逻辑控制等工作，DSP核负责译码、速度控制、轨迹规划与插补等工作。该机器人控制器的内部存储器包括ARM核的FLASH和RAM，DSP核的FLASH和RAM，及64KB的RAM共享内存。DSP核的FLASH用来存储机器人轨迹控制程序，ARM核的FLASH用来存储可编程逻辑与通信程序。为了保存机器人机器人运动轨迹，构建了一个512KB的SDRAM外部存储器，并构建了256KB的FLASH用来存储机器人系统参数。FPGA精插补器利用XINTF(查询芯片资料与电路图)接口通过16条数据线、3条地址线和3个片选信号连接双核芯片，编程模块通过RS232接口与双核控制芯片连接，IO电路通过高速SPI总线与双核控制芯片连接。
DSP核和ARM核之间的通信基于共享内存，双核之间采用中断方式实现数据通信，ARM核将数据和标记写入到公共存储区，DSP核收到中断请求，开始进入中断服务程序，中断服务结束后设置中断标志，完成ARM核向DSP核的数据传送；DSP核向ARM核传送数据时，ARM核首先注册中断，然后关联中断号和事件句柄，ARM核进入中断服务程序，中断服务结束后设置中断标志，完成数据交换。
可编程逻辑控制(PLC)是利用梯形图编程程序生成二进制可执行代码，通过RS232接口下载到ARM核的RAM存储器。PLC控制程序通过解释方式，对二进制逻辑控制程序进行译码，并根据采集到的IO信号及IO映射区的轨迹控制状态，实现机器人与生产线设备的协调逻辑控制。
本发明为了实现再制造机器人的高速平稳运动控制，采用了如图2的自适应S加减速控制算法，其主要由机器人末端坐标系下最大允许速度和最大允许加速度计算、相邻段转接处最大允许速度计算、加减速时间常数自适应计算、基于滑动滤波的S加减速控制等步骤所组成。
(1)机器人末端坐标系下最大允许速度和最大允许加速度计算
假设机器人共由m个关节所组成，各关节所允许的最大角速度为 最大角加速度为利用机器人运动学计算机器人末端坐标系下最大允许速度(vx,max,vy,max,vz,max)，最大允许加速度(ax,max,ay,max,az,max)。
(2)相邻段转接处最大允许速度计算
假设第l(i)段与第l(i+1)段的转接处最大允许速度为vemax,i，第l(i)段与l(i+1)段的转接点Ai为(xi,yi,zi)T，l(i)在Ai处的单位方向矢量为ee,i＝(exe,i,eye,i,eze,i)T，l(i+1)在Ai处的单位方向矢量为es,i+1＝(exs,i+1,eys,i+1,ezs,i+1)T，令l(i+1)段起点进给速度等于l(i)段终点进给速度，即vs,i+1＝ve,i，则转接点处加速度约束条件为
即ve,i≤ve1,i，其中ve1,i＝min{axmaxT/|exs,i+1-exe,i|,aymaxT/|eys,i+1-eye,i|,azmaxT/|ezs,i+1-eze,i|}。
此外，转接点处的速度一般约束条件为
即ve,i≤ve2,i，其中
因此，转接点处最大允许速度为
vemax,i＝min{ve1,i,ve2,i}。
(3)加减速时间常数自适应计算
为了自适应调整加减速时间常数Tud，令加减速时间常数与加减速过程的起点速度vs和终点速度ve的绝对差值|vs-ve|成正比，即
Tud＝kud|vs-ve| (3)
其中，kud为常比例系数。
(4)基于滑动滤波的S加减速控制
S曲线加减速由直线加减速规划和平滑滤波两个步骤来实现，即在速度的直线加减速规划后，通过滑动平均滤波器来解决直线加减速的加速度跳变问题，从而实现S加减速。
基于滑动平均滤波的速度规划结构如图3所示，在直线加减速规划后串联一个长度L的滑动平均滤波器，通过对前L个速度数据进行累加平均。假设直线加减速规划后的第k个插补周期的速度为vk，则滑动平均滤波器第k个插补周期的速度为
为了实现机器人高速运动控制，机器人运动规划采用了软硬件相结合方式，利用DSP+FPGA方式缩短插补周期。先利用软件模块进行第一次多轴联动插补计算，采用数字增量式积分器(DDA)算法获得采样周期的各轴数字值，为了保证精度使用了3字长的定点运算，同时对余数进行了累加补偿处理；第二次插补使用了FPGA插补芯片，采用了脉冲式DDA算法产生出均匀化的指令脉冲信号，实现了机器人高速控制。
采用此发明技术方案，可以实现对再制造机器人的高速平稳控制。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明主要技术方案的精神实质所做的修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种再制造机器人控制器，其特征在于：所述控制器包括参数化编程模块、指令集模块、指令译码模块、带滑动滤波器的自适应S曲线加减速控制模块、多轴插补控制模块、可编程逻辑控制模块和FPGA插补芯片：
参数化编程模块输入冲压路径参数给指令集模块，轨迹指令送到指令译码模块完成二进制转换、指令解析、运动数据预处理的计算，逻辑控制指令送到可编程逻辑控制模块；
自适应S曲线加减速模块根据译码模块送来的运动数据，计算每个插补周期的机器人运动速度，同时利用滑动滤波器消除速度突变；
多轴插补模块采用数字插补方法计算各轴运动增量，将各轴运动增量送到FPGA插补芯片中产生伺服控制脉冲信号；
可编程逻辑控制模块根据接收的逻辑指令与生产线设备状态数据，完成机器人与生产线的协作控制。
2.根据权利要求1所述的再制造机器人控制器，其特征在于：机器人的轨迹控制与逻辑控制运算集成在一个双核处理器中，DSP核负责机器人多轴轨迹规划与控制，ARM核负责逻辑控制；在共享存储器中建立一个IO映射区作为轨迹控制器与可编程控制器的软接口，在IO映射区上设置轴状态、IO状态、工作方式的IO映射器信息，并使用中断方式实现双核间的数据通信。
3.根据权利要求2所述的再制造机器人控制器，其特征在于：所述的机器人控制器采用基于滑动滤波的自适应S加减速控制方法，利用机器人各关节所允许的最大速度、最大加速度和最大加加速度的约束条件，根据各段轨迹的起点速度vs和终点速度ve的绝对差值|vs-ve|，自适应调整加减速时间常数，并采用滑动滤波方法消除S加减速算法过程中各加工段的速度跳变。
4.根据权利要求3所述的再制造机器人控制器，其特征在于：采用软硬件相结合方式实现机器人运动规划，先利用软件模块进行第一次多轴联动插补计算，采用数字增量式积分器DDA算法获得采样周期的各轴数字值，为了保证精度使用了3字长的定点运算，同时对余数进行了累加补偿处理；第二次插补使用了FPGA插补芯片，采用了脉冲式DDA算法产生出均匀化的指令脉冲信号。
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