CN202684923U - 一种基于嵌入式系统的爬行式焊接机器人手持式控制器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型属于爬行式焊接机器人技术领域，特别是关于一种基于嵌入式系统的爬行式焊接机器人手持式控制器，包括整体框架，整体框架包括基于ARMCotex-M3架构的中央处理模块、控制指令输入模块以及基于LCD液晶屏的显示模块；中央处理模块包括中央处理器和外围接口模块，所述中央处理器为32位的ARM单片机；外围接口模块包括包含CAN总线通讯模块、GPIO、并行数字IO接口和AD模数转换；中央处理器与外围接口模块信号连通。本实用新型由于采取以上技术方案，针对爬行式焊接机器人的应用，采用嵌入式系统。具备良好的安全性、稳定性及可靠性，具备较强的可扩展性。
Description
技术领域
本实用新型属于爬行式焊接机器人技术领域，特别是关于一种基于嵌入式系统的爬行式焊接机器人手持式控制器。
背景技术
在金属制造业中，焊接是仅次于装配和机加工的第三大产业。在焊接生产中采用机器人技术，实现焊接自动化已成为焊接技术现代化的主要标志。工业机器人已经在结构化环境（特别是工厂）内的焊接作业中得到广泛应用，如汽车工业、电子工业。但是，对大型钢结构构件，由于工作范围大，必须进行现场焊接。此类焊接作业具有现场条件复杂、焊接施工量大、焊缝不规则以及焊接工艺复杂等特点，大型钢结构现场焊接的自动化仍处于初级阶段。采用爬行式焊接机器人可以克服现有设备的不足与局限。爬行式焊接机器人与工业机器人最大的不同在于焊接平台并不是固定式的，而是随着焊接的过程保持移动的。利用磁吸附原理吸附在钢制或铁制工件上，通过激光传感器实现焊缝的自动跟踪和自主移动，可在平面、垂直面、曲面进行全位置焊接。
爬行式焊接机器人工作之前必须对其进行定位和校准，并且设置各种参数。机器人开始焊接后具备自主跟踪焊缝全位置焊接的智能，但是因其工作环境的特殊性，机器人安装的传感器有限，某些工作条件下（如焊接起弧前）需要对其姿态和焊枪位置进行人为的调整。另外，处理不同的工作对象，需要采用不同的焊接工艺，此时无论机器人本体的运动参数还是焊接参数都需要实时的设置和修改。这些工作可以通过一台计算机来实现，但是不方便在现场进行控制，因此，能完成上述工作的一台手持式的控制设备是非常必要的。
从控制对象来看，爬行式焊接机器人本体是一个轮式移动平台，焊枪的运动通过十字滑块和摆动器实现，其中十字滑块控制焊枪横向位移和高度，摆动器在焊枪原来的运动轨迹上添加横向的来回摆动。此外移动平台上安装了一个云台摄像头，以实时监控周围环境。焊接的参数主要有焊接电压和焊接电流。焊接速度即为移动平台运动速度；焊枪的摆动参数包括摆动频率、摆动幅度和停留时间；对云台摄像头的控制包括云台的运动以及图像放大缩小的指令。
现有的手持式控制器不能直接应用于爬行式焊接机器人这是因为就接口来说，焊接机器人和手持式控制器的通讯端口是基于CAN总线，因此其应用层的通讯协议是自定义的特殊协议；另外，十字滑块和摆动器的移动、移动平台本体的移动，都是焊接机器人独有的控制方式，现有的手持式控制器不改变软件功能很难直接应用。
发明内容
为了克服现有的手持式控制器存在的上述问题，现在特别提出一种能够获取控制人员指令，显示当前控制状态和设置参数、并且能够与爬行式焊接机器人中央控制器进行实时通讯的一种基于嵌入式系统的爬行式焊接机器人手持式控制器。
为实现上述目的，本实用新型采取以下技术方案：
一种基于嵌入式系统的爬行式焊接机器人手持式控制器，包括整体框架，其特征在于：所述整体框架包括基于ARM Cotex-M3架构的中央处理模块、控制指令输入模块以及基于LCD液晶屏的显示模块；
所述中央处理模块包括中央处理器和外围接口模块，所述中央处理器为32位的ARM单片机；外围接口模块包括包含CAN总线通讯模块、GPIO、并行数字IO接口和AD模数转换；中央处理器与外围接口模块信号连通；
接收由指令输入模块传回的控制指令，经过分析和处理后再通过外围接口发送控制信号给爬行式机器人的主控制器，
所述CAN总线通信模块连接中央控制模块与被控对象，控制命令通过CAN总线通信模块传送到爬行式焊接机器人的中央控制器；
所述指令输入模块包括按钮开关及电位器旋钮，它们与中央控制模块通过GPIO和AD模数传感器相连接；
所述LCD液晶屏与中央控制模块的并行数字IO接口相连接，实时显示当前控制对象、状态及参数信息；
软件部分包括嵌入式μCOS-II控制系统、硬件驱动程序以及在控制系统上运行的应用程序。
所述中央控制模块的处理器采用TI的32位LM3S5749单片机，主频50MHz，其内核架构支持μCOS-II嵌入式操作系统。
所述手持控制器的外设和接口包括FLASH闪存、RAM随机存储单元、UART通用串行接口、CAN总线接口、USB总线接口、IIC接口、SD卡接口；
所述LCD液晶屏采用HS12864-15C模块，分辨率128×64，自带简体中文字库，支持串行和并行数字I/O。
所述软件部分应用可裁剪的μCOS-II 2.52作为其操作系统。
所述应用软件包含读取按键、读取AD、数据处理、显示、通讯多个实时任务，任务之间通过操作系统提供的互斥型事件服务进行信息交互。
本实用新型由于采取以上技术方案，具备以下特点：
1、 本实用新型针对爬行式焊接机器人的应用，采用嵌入式系统。具备良好的安全性、稳定性及可靠性，具备较强的可扩展性。
2、 本实用新型采用基于ARM Cotex-M3架构的微处理器，在使用性能、兼容性、可扩展性及成本等要素之间找到了平衡点。针对于爬行式焊接机器人手持式控制器的应用，模块具有工作性能高、功耗低、成本低的优点。
3、 本实用新型嵌入了针对本应用需要特殊裁剪的μCOS-II操作系统。通过操作系统提供的合理的任务调度、功能强大的互斥型事件机制，提高了软件的可靠性。基于多任务的应用程序可移植性强，开发难度和成本也大大降低。
4、 针对控制对象的特点，本实用新型的核心程序为基于μCOS-II的多任务应用程序，实现了控制指令检测获取、数据处理、状态显示、命令发送等多个功能实时运行，能够保证用户指令和参数以最快的响应准确发送到爬行式焊接机器人的主控制器上。
5、 本实用新型的手持式控制器与爬行式焊接机器人中央控制模块之间采用CAN总线连接，避免了复杂布线与可能出现的接口冲突。同时CAN总线的传输机制保证了数据的实时性和准确性。
附图说明
图1是本实用新型系统整体框架示意图。
图2是本实用新型软件整体架构示意图。
附图中：中央控制模块1，指令输入模块2，显示模块3，手持式控制器应用程序4，硬件驱动5，μCOSII操作系统内核6，爬行式焊接机器人中央控制器7；
中央控制器电路11，输入端数字IO接口12，输出端数字IO接口13，AD模数转换14，CAN总线通讯模块15；
按钮开关21，电位器旋钮22。
具体实施方式
一种基于嵌入式系统的爬行式焊接机器人手持式控制器，包括整体框架，硬件部分和软件部分，其特征在于：所述整体框架包括基于ARM Cotex-M3架构的中央处理模块、控制指令输入模块以及基于LCD液晶屏的显示模块；
所述中央处理模块包括中央处理器和外围接口模块，所述中央处理器为32位的ARM单片机；外围接口模块包括包含CAN总线通讯模块、GPIO、并行数字IO接口和AD模数转换；中央处理器与外围接口模块信号连通；
接收由指令输入模块传回的控制指令，经过分析和处理后再通过外围接口发送控制信号给爬行式机器人的主控制器，
所述CAN总线通信模块连接中央控制模块与被控对象，控制命令通过CAN总线通信模块传送到爬行式焊接机器人的中央控制器；
所述指令输入模块包括按钮开关及电位器旋钮，它们与中央控制模块通过GPIO和AD模数传感器相连接；
所述LCD液晶屏与中央控制模块的并行数字IO接口相连接，实时显示当前控制对象、状态及参数信息；
软件部分包括嵌入式μCOS-II控制系统、硬件驱动程序以及在控制系统上运行的应用程序。
所述中央控制模块的处理器采用TI的32位LM3S5749单片机，主频50MHz，其内核架构支持μCOS-II嵌入式操作系统。
所述手持控制器的外设和接口包括FLASH闪存、RAM随机存储单元、UART通用串行接口、CAN总线接口、USB总线接口、IIC接口、SD卡接口；
所述LCD液晶屏采用HS12864-15C模块，分辨率128×64，自带简体中文字库，支持串行和并行数字I/O。
所述软件部分应用可裁剪的μCOS-II 2.52作为其操作系统。
所述应用软件包含读取按键、读取AD、数据处理、显示、通讯多个实时任务，任务之间通过操作系统提供的互斥型事件服务进行信息交互。
下面结合附图对本实用新型进行更为详细的描述。
如图1所示，本实用新型整体框架包括基于ARM CotexM3架构的中央控制模块1、指令输入模块2和基于LCD液晶屏的显示模块3。本实用新型硬件部分主要包括中央控制器电路11、外围接口电路（输入端数字IO接口12、输出端数字IO接口13、AD模数转换14、CAN总线通讯模块15）、显示模块3、按钮开关21以及电位器旋钮22。中央处理器11通过外围接口获取由按钮开关21及电位器旋钮22发送回来的数字信号和模拟信号，进过处理后通过外围接口将部分数据发送到显示模块3，同时将控制指令封装成命令形式通过外围接口发送给下层的爬行式焊接机器人中央控制器7。
本实用新型中，中央处理器11采用LM3S5749芯片，主频50MHz，支持μCOSII嵌入式操作系统，外设和接口包括FLASH闪存、RAM随机存储单元、UART通用串行接口、CAN总线接口、USB总线接口、IIC接口、SD卡接口等。本实用新型在IIC接口上扩展了一片2KB的EEPROM，以便保存一些常用焊接参数，方便用户操作。
指令输入模块2包括按钮开关21和电位器旋钮22，其中按钮开关21通过数字IO接口12与中央处理器11相连，电位器旋钮22则通过AD模数转换接口14与中央处理器11相连。
显示模块3包含一块型号为HS1286415C的LCD显示屏及其附属电路，它与中央处理器11通过并行数字GPIO接口13相连。
中央处理器11通过CAN总线通讯模块15与下层的爬行式焊接机器人中央控制器进行控制命令发送与信息交互。
本实用新型的软件部分包括可裁剪的嵌入式μCOSII操作系统、硬件驱动程序以及具备较强扩展性的应用程序。如图2所示，软件部分可以分为两层，底层为μCOSII操作系统内核6和硬件驱动5。其中μCOSII操作系统内核6负责时间管理、任务调度、事件控制、内存管理等底层服务，硬件驱动5负责驱动单片机相应的外设、接口以及LCD液晶屏。上层则为实现爬行式焊接机器人控制功能的手持式控制器应用程序4。
本实用新型软件部分的应用程序软件架构主要由5个不同的功能任务组成。5个功能任务之间通过操作系统提供的消息邮箱服务进行任务切换和信息交互。
一个全局变量块用来存放提供给多个任务进行读写操作的数据变量，通过操作系统提供的互斥型事件机制来规避多任务同时读写同一变量可能出现的竞争冒险现象。
AD读取与转换任务获取从处理器外围接口AD模数转换器读回的旋转电位器电平，并将其处理后转化为数字存储在全局变量块的相应设置参数中。
按键读取任务获取手持式控制器各个按钮状态，并发送消息邮件给其他任务。由于急停响应比较特殊，它的优先级要高于其他所有按键响应，并且急停按钮抬起之前不再响应其它任何信息，因此为急停按钮专门分配一个任务急停按键状态读取任务，用来实时获取其开关状态。
当没有消息邮件时，LCD液晶屏显示任务每隔固定时间刷新一次，如果出现其它任务发送的消息邮件，LCD液晶屏显示任务立刻刷新，通过读取全局变量块中的参数来确定屏幕显示内容，以保证其显示的实时性。
当没有消息邮件时，命令处理与通讯任务挂起并等待，以减小系统资源的开销，如果出现其它任务发送的消息邮件，命令处理与通讯任务立刻激活，通过读取全局变量块中的参数并对其进行处理得到发送命令，通过CAN总线发送给被控对象，以保证对用户指令响应的实时性。
GPIO是通用数字IO。
尽管为说明目的公开了本实用新型的具体实施方式和附图，其目的在于帮助理解本实用新型的内容并据以实施，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本实用新型及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换、变化和修改都是可能的。因此，本实用新型不应局限具体实施方式和附图所公开的内容。
Claims (7)
1.一种基于嵌入式系统的爬行式焊接机器人手持式控制器，包括整体框架，其特征在于：所述整体框架包括基于ARM Cotex-M3架构的中央处理模块、控制指令输入模块（2）以及基于LCD液晶屏的显示模块（3）；
所述中央处理模块包括中央处理器和外围接口模块，所述中央处理器为32位的ARM单片机；外围接口模块包括包含CAN总线通讯模块（15）、GPIO、并行数字IO接口和AD模数转换；中央处理器与外围接口模块信号连通。
2.根据权利要求1所述的一种基于嵌入式系统的爬行式焊接机器人手持式控制器，其特征在于：所述CAN总线通信模块连接中央控制模块（1）与被控对象，控制命令通过CAN总线通信模块传送到爬行式焊接机器人的中央控制器（7）。
3.根据权利要求2所述的一种基于嵌入式系统的爬行式焊接机器人手持式控制器，其特征在于：所述指令输入模块（2）包括按钮开关（21）及电位器旋钮（22），它们与中央控制模块（1）通过GPIO和AD模数传感器相连接。
4.根据权利要求3所述的一种基于嵌入式系统的爬行式焊接机器人手持式控制器，其特征在于：所述LCD液晶屏与中央控制模块（1）的并行数字IO接口相连接，实时显示当前控制对象、状态及参数信息。
5.根据权利要求4所述的一种基于嵌入式系统的爬行式焊接机器人手持式控制器，其特征在于：所述中央控制模块（1）的处理器采用TI的32位LM3S5749单片机，主频50MHz，其内核架构支持μCOS-II嵌入式操作系统。
6.根据权利要求5所述的一种基于嵌入式系统的爬行式焊接机器人手持式控制器，其特征在于：所述手持控制器的外设和接口包括FLASH闪存、RAM随机存储单元、UART通用串行接口、CAN总线接口、USB总线接口、IIC接口、SD卡接口。
7.根据权利要求6所述的一种基于嵌入式系统的爬行式焊接机器人手持式控制器，其特征在于：所述LCD液晶屏采用HS12864-15C模块，分辨率128×64，自带简体中文字库，支持串行和并行数字I/O。
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Cited By (1)
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| CN110871314A (zh) * | 2018-09-03 | 2020-03-10 | 苏州睿牛机器人技术有限公司 | 一种爬行弧焊机器人及爬行弧焊机器人的焊接方法、装置 |
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2012
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