1引言(Introduction)

　　机器人控制器是机器人信息处理和控制的主体，其设计好坏将决定机器人系统的整体行为和整体性能。早期的机器人，特别是工业机器人所采用的控制系统基本上是设计者基于自己的独立结构而开发的，它采用了专用计算机、专用机器人语言、专用操作系统、专用微处理器，这种“专用计算机如PUMA中采用PDD-11作上层主控计算机，专用机器人语言(如VAL)以及通用微处理器并将控制算法固定于EPROM”中的封闭式结构限制了它的可扩展性和灵活性。这种封闭式结构具有特定的功能、特定的使用环境，不便于对系统进行扩展和改进。其软件的独立性差，软件结构及其逻辑结构依赖于硬件基础，难以在不同的系统问进行移植。因此，开发具有开放结构的机器人控制器成为国内外机器人研究的一个方向。机器人控制器的计算机系统结构目前一般认为有三种结构类型:(1)集中控制方式，利用一台微型计算机实现全部功能这种方式具有结构简单，经济的特点，但处理能力有限，难以满足高性能的控制要求。(1)主从控制方式:用主从两个CPU进行控制，主CPU用于坐标变换，轨迹生成等，从CPU用于机器人各关节控制。 (3)分级控制方式，采用多个微机分为两级控制。上级主控计算机负责整个系统管理，下级则实现对各个关节的插补运算和伺服控制。中科院沈阳自动化所以及中国科学院机器人学开放研究实验室提出了一种基于PC平台的机器人控制器的设计，其结构就采用了上下两级计算机系统完成对机器人的控制。这里通过采用一台工业PC+DSP运控制卡的结构来实现机器人控制。实验结果证明了采用PC+ DSP的计算结构可以充分利用DSP运算的高速性，并能满足机器人控制的实时需求，实现较高的运动控制性能。

　　2 DSP运动控制片的设计(D es ign tomotion control card based on DSP)

　　图1为DSP多轴运动控制卡的硬件原理图图中的增量编码器的Ao(/Ao), B(/Bo), C(/Bo)信号作为位置反馈，运动控制卡通过四倍频、加减计数器得到实际的位置，实际位置信息存在位置寄存器中，计算机可以通过控制寄存器进行读取。运动控制卡的目标位置由计算机通过机器人运动轨迹规划求得，通过内部计算得到位置误差值，再经过加减速控制和数字滤波后，送到数模转换(DAC)、运算放大器或脉宽调制器(PWM)硬件处理电路，转化后输出伺服电机的控制信号或PWM信号。各个关节可以完全独立伺服控制，能够实现线性插补控制、二轴圆弧插补控制。DDA插补的时问为1ms，四轴的最小伺服刷新时问为400us。

　　图DSP 运动控制的基本原理

　　这里设计了四种运动控制方式，S-曲线模式、梯形曲线模式、速度跟踪模式以及电了齿轮模式。图2为典型的S一曲线模式控制曲线，运动控制在开始加速的1区，加速度从。开始，以设定的最大加速度为目标，以加加速度Jerk(单位伺服周期内的加速度增量)为增量递增，直到达到最大加速度为止。2区中，加加速度为0，按已达到的最大加速度加速到第3区;在第3区，按负加加速度使加速度减为零，使速度达到最大，完成加速过程。第4阶段为匀速运行，加速度为0。第5, 6, 7与1,2,3相同，不同的是减速运行到速度为0。由于篇幅的关系，对于其他三种方式在这里不做进一步的讨论。

　　图2DSP运动控制-S曲线模式

　　3 PID+速度前馈控制算法(PID+ velocity feedforward control algorithm)

　　为了对系统实现精确而稳定的控制，控制器中采用了PID和速度前馈控制算法，通过调整控制参数，可以达到满意的效果。机器人控制器的控制算法采用了PID+速度前馈的控制算法如图3所示。表1为公式参数的定义。

　　图3速度前馈+PID调节的控制算法

　　4 控制器的设计(Design to controller)

　　控制器采用了模块化的体系结构。整个硬件系统以工业PC机作为机器人控制系统的硬件平台，通过DSP运动控制卡控制机器人各自由度的动作。图4控制器硬件结构图。整个系统，通过4轴的运动控制卡控制机器人各个关节的伺服单元进行工作。系统通过添置一张网卡，使机器人具有网络功能，可以接受来自网上的指令、信息，并可将自身的状态反馈到网上实现远程监控。

　　软件按照模块化进行设计，将系统功能划分到不可再分解的离散逻辑单元，理清各功能模块及各功能元之问的关系，保证各种控制功能模块既相互独立又能协调工作。图5为机器人控制功能单元的划分。软件模块主要包括人机接口，示教功能、运动控制、传感器信息处理模块等。对功能进行划分后，就要对机器人控制器的功能进行建模。设计中采用了IDEF建模分析和设计的方法，建立机器人功能模型。图6为机器人关节位置控制模块模型，同样也可建立其他模块。

　　图5 功能单元的划分

　　软件开发中，选定了W INDOW S 98作为软件开发平台，为了充分利用32位CPU和操作系统的处理能力，选择了V isual C++6. 0作为开发工具，实现软件开发。

　　图6 关节位置控制模块模型

　　5 机器人实时控制的关键技术(The keytechnology in the robot real time control)

　　实时控制在机器人控制中是一个非常重要的问题。目前实时控制中普遍采用中断技术，通过中断来获取实时时钟。实时时钟在实时控制中处于十分重要的地位，它负责推进控制过程，实时采集相关信号，激活各控制任务等。在WINDOWS 9x操作系统中，实时获得可以有各种方法。设置WIN32定时器并通过相应WM-TIME消息来进行实时处理，但是由于WM-TIME消息的优先级和未处理消息在消息队列中的组合会造成了系统实时处理的不稳定，因此这种方法只适应实时性要求不高的场合。如果采用W INDOW S多媒体定时器，通过回调函数可以获得lms的高精度定时信号，但是这种方法占用了系统宝贵的资源，而目_当定时信号需要提供更高的频率时，这种方法就无能为力了。为了保证机器人控制的实时性要求，这里采用了硬件中断的虚拟驱动程序技术(VxD)来实现高频率的实时中断。通过VxD修改PC基板上CM OS的可编程计数器，以获得2KH z的系统08中断频率，并截取此中断进行实时调度。通过对此基本定时信号的调度，以获得对外部多通道的模拟量、数字量的采集、控制算法处理，控制结构输出等任务。这种方法不需要用户提供附加的硬件定时器。在VxD的中断处理函数中可以加入对实时性要求最高的代码，原则上应尽快返回以提高中断频率。表2为通过采用VxD的实时中断技术，所得到多个中断频率。最大的中断时问可以达到12.Sus，完全适合机器人控制要求。

　　6 实验及结论(Expernnent and conclus ions)

　　实验以SCARA作为机器人机械本体主要验证机器人控制器在采用PC+ DSP结构的基础上，机器人系统各个关节的位置、速度跟踪性能。采用的SCARA机器人关节坐标如图7所示。实验平台见图8，表3为实验中采用的SCARA机器人本体的相关的关节坐标参数。

　　对SCACA机器人各个关节的速度和位置进行了实验，图9分别表示了SCACA机器人各个关节的速度和位置偏差。

　　图9 各个关节的位置以及速度偏差实验结果

　　实际运行证明该系统具有良好的操作性能，其编程功能也比较完善。此外，由于控制系统的软硬件采用了模块化的结构，使系统易于维护和扩充。系统的控制中采用了速度前馈+PID调节的伺服控制算法，使系统具有良好的动态性能，从图9中可以发现系统具有良好的位置控制和速度控制性能。

　　在实际运行过程中，发现系统仍然存在着一定的可靠性等问题，这些都有待进一步的研究和提高。机器人是否先进很大一部分取决于它的控制器，控制器的成本也很大程度地决定了机器人的价格。从目前看来，开放式的机器人系统将会成为一个主流，这里所介绍的基于DSP技术的机器人控制器将会对机器人的开发具有重要的参考价值。