[摘要] 应用国产MCT8000运动控制卡开发了一种新型产业化的开放式结构机器人控制系统。本文介绍了该系统软、硬件组成和实现方法，并提供了这种开放式结构机器人控制系统的应用实例。
[关键词] 运动控制 机器人 开放式结构 机器人控制系统
Abstract: Using a homemade motion controller marketed as MCT8000 series, a universal robot controller with open architecture has been developed. This paper presents the hardware and software architecture of this industrialization system. An application example is also indicated at the end of the paper.?
Key words: Motion control; robot; open architecture; robot controller |
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| 前言 |
运动控制器是指以中央逻辑控制单元为核心，以传感器为信号敏感元件，以电机/动力装置和执行单元为控制对象的一种控制装置。它的主要任务是根据作业的要求和传感器件的信号进行必要的逻辑/数学运算，为电机或其它动力和执行装置提供正确的控制信号。运动控制器的轴数一般指它所能控制独立运动的数目，在大多数情况下等于所能控制电机运动轴的数目。我们把所能控制电机运动轴的数目大于1的运动控制器，称为多轴运动控制器。
??? 机器人控制系统是一种典型的多轴实时运动控制系统。传统的机器人控制系统采用的是专用的计算机加多单片机-多控制回路的封闭式体系结构。这种结构的控制器在高速、高精度和多轴同步运动控制等方面存在技术瓶颈。此外还存在制造和使用成本高，开发周期长，升级换代困难，无法添加系统的新功能等一系列缺点[1,2]，这在一定程度上限制了机器人的应用范围。
本文介绍一种基于国产MCT8000运动控制卡的开放式结构机器人控制系统。这种机器人控制系统的重要特点在于它采用通用个人计算机加DSP（Digital Signal Processor）-多控制回路的开放式体系结构以及它的网络控制特性。以下对这一系统作简要介绍。 |
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| 1 控制系统总体设计 |
如上节所述，机器人控制系统是一种典型的多轴实时运动控制系统。采用国产MCT8000／2－8轴运动控制器及其控制软件可以高效构造出新一代高速、高精度开放式结构机器人控制系统。
MCT8000运动控制器是由深圳市和怡科技有限公司开发的新一代开放式结构2-8轴运动控制器系列产品。该控制器的CPU采用美国TI公司的TMS320C31 40MHz DSP，支持ISA、PCI标准总线或USB高速接口与主控机连接。主控机与控制器之间通过双向高速FIFO进行通讯，可提供2－8轴的高速，高精度的伺服控制。主控机可选用通用的PC系列微机。和传统的运动控制器产品相比，MCT8000系列产品具有开放式结构，高速、高精度，网际在线控制，多轴同步控制等功能特点。
MCT8000提供的软件包括：运动控制卡的BIOS函数库（用户可直接操作MCT8000的所有I/O）、基本运动函数库（1~3维的运动插补和运动控制函数）、扩展运动函数库（机器人运动学模型和智能PLC代码翻译器等）和网际在线控制器（基于TCP/IP的点对点安全通讯协议）。利用MCT8000提供的软件系统和图形化的开发平台，可大大地缩短机器人控制系统的开发周期。
由MCT8000运动控制卡构成机器人控制器的系统组成如图1所示。本系统采用PC总线的工业计算机作为硬件平台，处理机器人控制中的非实时任务，实时任务由MCT8000运动控制卡处理。运动控制卡控制的伺服电机驱动机器人的各个关节(可同时控制8个关节)，使机器人按预定的轨迹运动。 >>返回
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| 2 控制系统软件结构 |
本机器人控制系统的操作平台采用JAVA语言开发，具有专业化视窗图形界面和优良的网络在线控制特性。用户只需借用视窗控件对控制系统进行简单的配置（如选择机器人的运动学模型、设定机器人的结构参数等），即可控制不同类型的机器人。用户还可以在本控制系统的基础上，进行二次开发，加入自己的功能模块，如各种高级的控制算法、机器人的运动学、动力学模型、机器人视觉系统等，形成具有用户特色的机器人控制器。
图2为我们研制的机器人控制系统的软件结构。它主要由控制器的人机界面、运动控制和逻辑控制以及DSP主控程序等模块组成。
2.1 控制器人机界面
利用MCT8000的运动控制开发平台，用户在Windows环境下可完成下列非实时任务：系统结构参数的设置；在线调整系统的可控参数(如PID参数的自整定)；系统动态响应分析和机器人运动轨迹的显示；系统运行模式选择（手动/自动、示教或网络远程控制）和常规操作（启动、文件处理和紧急停机等）。用户可在开发平台提供的C环境和程序模板下，针对特定的作业要求，编写机器人运动控制程序，并对其编译、连接和执行。应用MCT8000的网际控制软件包，可通过英特网或局域网对机器人实现远程控制。
2.2 运动控制和逻辑控制（PLC）模块
本模块处理机器人控制器的实时任务，由MCT8000运动控制卡完成。
运动控制的主要功能，是控制机器人各关节按预定轨迹运动，完成相关作业。主要包括：轨迹规划、机器人正向、逆向运动学模型、插补器和PID调节器等模块。而逻辑控制（PLC）模块用于控制机器人系统的开关量。
2.3 DSP主控程序
MCT8000运动控制卡的运行机制，是按预先设定的中断时间周期地执行各种运动控制指令。DSP主控程序在前台监控运动控制程序的运行状态，在后台响应用户的实时控制命令，控制底层控制环节的正常运行。 |
技术文献一：
图2 机器人控制系统的软件结构 
采用国产MCT8000 系列新一代多轴运动控制器构造机器人控制系统可以从根本上解决传统机器人控制系统在高速、高精度和多轴同步运动控制等方面存在的技术瓶颈。同时还可以轻松地给机器人增加外部传感器和网际控制功能。它代表了新一代机器人控制器的发展方向，也为解决一些高难度机器人工程项目提供软硬件技术支撑。 
