摘 要： 針對精密I號裝配機器人存在的問題，介紹了自行研制的新型精密I號裝配機器人控制系統。它利用雙系統背板和帶Semaphore邏輯單元的雙端口RAM建立了緊耦合雙機系統。改善了原有系統的開放性和可靠性。設計了新系統上的軟件系統。建立了一個完整的裝配機器人控制平臺。
關鍵詞： 裝配機器人 控制系統 雙口RAM Semaphore邏輯單元 多機系統 變磁阻電機
在許多微機應用領域中，PC機的速度和功能往往不能滿足需要。特別是在多任務工作環境下，各任務只能分時工作。因此，要想在單處理器情況下進行多任務工作，則在實時性上存在問題。由于機器人特殊的結構，工業機器人的控制系統卻需要承擔規劃和伺服控制兩套任務。這兩套任務又必須保持實時高速的通訊，并由一個主系統支配。這就決定了其控制器結構必須是緊耦合的多機系統。
精密Ⅰ號是我國1995年自行研制的高精度精密裝配機器人。原有系統的下位機為采用MultiBus總線的Intel iSBC386單板機，采用8038DX芯片，主頻20MHz。該系統采用iRMX Ⅲ實時多任務操作系統，基本上滿足了精密Ⅰ號機器人控制的需要。但是該系統存在以下問題：(1)386的運算能力已經遠遠落后于當前的硬件水平。由于機器人運動學、動力學運算任務繁重，原有系統只能勉強作帶動力學前饋的簡單PID控制。否則必須延長伺服中斷時間，犧牲控制精度。(2)原有系統采用iRMX Ⅲ非主流操作系統，不但價格較貴，而且可以利用的軟、硬件資源匱乏。其下的程序編譯需要有專門的編譯系統，編譯過程復雜。這些都不利于高級控制策略的程序實現和調試，不利于深入研究和實際推廣。(3)原有系統的控制、驅動、信號接口等環節在可靠性和開放性方面也存在很多問題。由于機型和操作系統的非主流性，可利用的代換硬件和程序很難得到，需要專門人才，致使維修困難。
因此，我們采用研華雙系統背板奔騰333工控機重建了計算機控制系統。雙系統背板在一個機箱內集成了兩套PC系統，很適合機器人控制所需的上、下位機結構。雙系統分別進行機器人的規劃和伺服控制，通過雙口RAM進行通訊，構成一主一從的緊耦合多機系統。此外，重新設計了基于ISA總線的電機伺服擴展卡等硬件接口。
在驅動系統方面，精密Ⅰ號采用新型變磁阻類步進電機直接驅動。為了提高電機功率放大器的負載能力和可靠性，對原系統部分器件也作了更新。
1 帶Semaphore邏輯單元的雙口RAM的應用
由于控制系統寬帶及靈活性，雙口RAM被廣泛用于連接多機系統。為了避免讀寫沖突，目前的雙口RAM產品集成了以下三種仲裁方法：(1)利用優先權仲裁，產生Busy信號，延緩一方的讀寫周期。(2)采用中斷邏輯構成CPU間的信號連接，協調讀寫操作。(3)采用Semaphore邏輯，將雙口RAM的讀寫權暫時交給首先申請的一方，禁止另一方的操作。本文采用了第三種方法，選用帶Semaphore邏輯單元的IDT71342雙口RAM芯片。
帶Semaphore邏輯單元的雙口RAM使得讀寫操作不依賴其它仲裁邏輯，Semaphore邏輯單元和雙口RAM單元在結構上是完全獨立的。Semaphore邏輯單元用八個鎖存器傳遞信號，和RAM一樣是雙口。它經過特殊設計，不會同時響應兩個設置，只有置位的一端可以釋放它，因此提供了一個傳遞分配標記的硬件方法。可以從兩端對鎖存器設置標記，表示對雙口RAM某部分的使用權。所表示的占用RAM區的位置、大小均由軟件決定。Semaphore單元的簡化原理如圖1。
和其它兩種雙口RAM相比，本文的精密Ⅰ號控制器上采用Semaphore邏輯有以下優點：(1)可以對一個大型數據表作刷新，而不用考慮被另一端干擾。(2)在進行數據塊讀寫時避免了Busy邏輯不斷引起的wait周期，提高了快速性；讀寫長整數時不會被誤讀。(3)可以利用Semaphor e信號表示其它意義的接口信號。
2 讀碼和伺服電路設計
從機器人本體來的信號主要有四個關節的增量碼盤信號，一、二關節的絕對碼盤信號、手爪氣閥反饋信號、力傳感器反饋信號等。所需的控制信號是四個電機的三相PWM輸入。機器人一、二關節采用雙定子變磁阻類步進電機直接驅動；三、四關節則用一種較特殊的三相直流無刷電機直接驅動，其本身不帶自動換向電路，需由計算機根據碼盤反饋改變電流，目的是減少力矩波動。此外還有關節抱剎開合、手爪開合等驅動信號。
根據上述信號制成兩塊ISA總線擴展卡，主要功能是完成碼盤信號(增量碼盤信號和絕對碼盤信號)輸入/輸出，產生驅動電流輸出給電機，以及完成電路自身的故障診斷和自我保護。
每塊卡產生兩個關節驅動器三相PWM信號的輸出信號和驅動器上電、復位、故障檢測等I/O動作信號。增量碼盤脈沖的A，B，Z信號經D觸發器整形后作四倍頻處理，以提高精度。16位計數器根據A、B的相位作正負雙向計數，計數值可由Z脈沖及電路板時鐘脈沖鎖存。絕對碼盤共32個區，每區為周向七位編碼，最后一位是奇偶校驗，需要讓各關節轉動時才能讀出。其輸出為開關信號，由一路I/O口接入。電機MOSFET驅動器所需的三相PWM信號由四片8254產生，并經OC門電路輸出。在原有驅動器上，我們用IRF250替換IRF640，并用2110替換MOSFET主回路H橋部分原有分離器件，提高了MOSFET的充、放電速度和驅動器的驅動能力。電路框圖如圖2。PWM信號傳送到H橋MOSFET IRF250構成的功率驅動器，驅動電機。
3 系統軟件研制
PC機是在MS－DOS或Windows操作系統下工作的。MS－DOS是一個單任務操作系統，Windows則是分時多任務，均不能滿足機器人規劃、伺服同時進行的要求。為此，必須開發一個協調上、下位機各任務工作的實時監控程序，它作為DOS或Windows下的一個應用程序分別在兩個系統上運行。
本系統的軟件主要由機器人語言編譯模塊、多任務監控模塊、雙系統握手通訊模塊、伺服控制模塊四部分構成，如圖3。
系統在上電啟動后即初始化，建立雙系統聯系，根據Semaphore鎖存器的值及雙口RAM中的數據調度任務，對機器人進行初始定位后對機器人語言命令編譯，分由上、下位機同時執行。
下位機的各任務主要是初始定位、伺服驅動、根據機器人誤差模型作實時補償等。一般利用絕對碼盤作初始定位的工作多在器人規劃級進行，即由機器人上位計算機給出各關節的規劃軌跡點，讓伺服級軟件據此驅動關節，同時上位機讀取絕對碼盤反饋以確定碼區并修正軌跡點完成定位。鑒于本機器人所用電機的特殊性，為了進一步提高初始定位過程的可靠性，精確度和平滑程度，我們嘗試將定位任務下放到伺服級，作為一個伺服任務，根據電機電角度實時修改三相電流相位。事實證明這種改進是有效的，很好地改善了原有系統初始定位過程不穩定、易飛車的狀況。
在伺服驅動部分，由于雙定子變磁阻電機在一個電周期中磁阻變化，需要對其非線性作一定補償，本文用制定力矩控制表的方法將一個電周期細分為3072，由下位機根據碼盤表明的電角度實時調節電流值，有效地控制了電機力矩波動。
參考文獻
1 精密Ⅰ號裝配機器人技術圖紙.上海交通大學機器人所，1995.8
2 水尾恒雅.DOS上ブマルチムを實現方法.イニタフユス，1993;2：110～113
3 Corrado Guarino Lo Bianco,et al.Aprototype Controller for Variable Reluctance Motors.IEEE Trans.on Ind.Electron.,96;43(1):207～215