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          基于ARM Cortex-A8處理器的工業(yè)機(jī)器人示教器設(shè)計(jì) 

          作者:邵亞?wèn)| 陳為剛 時(shí)間:2016-07-28 來(lái)源:電子產(chǎn)品世界 收藏
          編者按:本文提出了一種工業(yè)機(jī)器人示教器設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)方案。該示教器以TI的ARM Cortex-A8處理器AM3359為核心,擴(kuò)展了2GB DDR3 SDRAM、4GB NAND Flash、8.4英寸LCD屏和觸摸屏、1000Mbps以太網(wǎng)通信接口、USB接口、搖桿、按鍵等外圍電路,并基于嵌入式Linux系統(tǒng)和Qt開(kāi)發(fā)框架,對(duì)示教器軟件進(jìn)行了模塊化設(shè)計(jì)。該示教器已經(jīng)成功應(yīng)用于6軸機(jī)器人本體。

          摘要:本文提出了一種工業(yè)機(jī)器人示教器設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)方案。該示教器以TI的ARM Cortex-A8處理器AM3359為核心,擴(kuò)展了2GB DDR3 SDRAM、4GB NAND Flash、8.4英寸LCD屏和觸摸屏、1000Mbps以太網(wǎng)通信接口、USB接口、搖桿、按鍵等外圍電路,并基于嵌入式Linux系統(tǒng)和Qt開(kāi)發(fā)框架,對(duì)示教器軟件進(jìn)行了模塊化設(shè)計(jì)。該示教器已經(jīng)成功應(yīng)用于6軸機(jī)器人本體。

          本文引用地址:http://cafeforensic.com/article/201607/294697.htm

          引言

            工業(yè)機(jī)器人是集機(jī)械、電子、控制、計(jì)算機(jī)、傳感器和人工智能等多學(xué)科于一體的先進(jìn)生產(chǎn)裝備[1],對(duì)未來(lái)生產(chǎn)和制造業(yè)的發(fā)展具有十分重要的意義,逐漸成為繼汽車、飛機(jī)、計(jì)算機(jī)之后出現(xiàn)的又一戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)[2-3]。

            示教器是工業(yè)機(jī)器人的重要組成部分,是實(shí)現(xiàn)機(jī)器人控制和人機(jī)交互的手持終端設(shè)備[4]。典型的示教過(guò)程是操作者觀察機(jī)器人及夾具相對(duì)于作業(yè)對(duì)象的位姿,通過(guò)操作示教器,反復(fù)調(diào)整示教點(diǎn)處的作業(yè)位姿和運(yùn)動(dòng)參數(shù),然后將滿足作業(yè)要求的數(shù)據(jù)記錄下來(lái),再轉(zhuǎn)入下一點(diǎn)示教。示教過(guò)程結(jié)束后,機(jī)器人使用這些被記錄的數(shù)據(jù),經(jīng)過(guò)插補(bǔ)運(yùn)算就可以再現(xiàn)示教點(diǎn)上機(jī)器人位姿,進(jìn)行重復(fù)作業(yè),完成既定工作。

            國(guó)外實(shí)力較強(qiáng)的機(jī)器人廠商如ABB、KUKA等,其示教器均為自行研發(fā)[5]。瑞士ABB公司的Flex Pendant具有7.7英寸顯示及觸摸屏,并配有3D搖桿、按鍵等操作部件,支持熱插拔,支持用戶授權(quán)系統(tǒng)。德國(guó)KUKA公司的smartPAD具有8.4英寸高分辨率防眩光顯示屏,可通過(guò)獨(dú)立的手動(dòng)按鍵分別控制各個(gè)軸運(yùn)動(dòng)。國(guó)內(nèi)機(jī)器人廠商所用的示教器多為定制采購(gòu)。

            本文面向通用6軸工業(yè)機(jī)器人,以TI公司的ARM CortexA8芯片AM3359為核心,自主研發(fā)了一款示教器。該示教器具有大尺寸顯示和觸摸屏,可以方便地進(jìn)行操作;具有千兆以太網(wǎng)接口,可與機(jī)器人控制器進(jìn)行高速通信;具有搖桿、按鍵等操作部件,可以方便地控制機(jī)器人的位姿;同時(shí)在示教器上設(shè)有三位安全開(kāi)關(guān)和急停按鈕,保證作業(yè)時(shí)的人員和設(shè)備安全。

          1 示教器總體設(shè)計(jì)

            對(duì)于通用6軸工業(yè)機(jī)器人,考慮到功能完備性、操作便捷性和安全性,示教器應(yīng)具備以下功能:

            1)存儲(chǔ)功能:示教器應(yīng)具有256MB以上的內(nèi)存,保證系統(tǒng)的快速性;應(yīng)具有256MB以上的非易失存儲(chǔ)空間,用于存儲(chǔ)系統(tǒng)鏡像、應(yīng)用程序和配置參數(shù)。

            2)顯示和觸摸輸入功能:示教器應(yīng)具有顯示屏和觸摸屏,方便用戶進(jìn)行程序編輯,并對(duì)位姿等信息進(jìn)行顯示。

            3)以太網(wǎng)通信功能:示教器應(yīng)當(dāng)具有100Mbps以上速率的以太網(wǎng)通信接口,和機(jī)器人主控制器進(jìn)行高速通信,發(fā)送指令和接收狀態(tài)信息。

            4)熱插拔:示教器應(yīng)當(dāng)具有熱插拔功能,方便在機(jī)器人運(yùn)行時(shí)更換示教器,或者不需要時(shí)將其拔掉。

            5)搖桿:示教器應(yīng)當(dāng)具有搖桿等操作部件,以便分別控制各個(gè)軸的運(yùn)動(dòng),調(diào)整機(jī)器人位姿。

            6)按鍵:為了方便地控制機(jī)器人啟動(dòng)、停止、步進(jìn)和步退,需要在示教器上設(shè)置按鍵。

            7)USB接口:示教器應(yīng)具有USB接口,以便連接U盤(pán)等外存設(shè)備,進(jìn)行數(shù)據(jù)備份和配置加載。

            8)安全功能:為保證安全,示教器上需設(shè)置三位安全開(kāi)關(guān)和急停按鈕。三位安全開(kāi)關(guān)保持在“電機(jī)開(kāi)啟”狀態(tài)時(shí)才可以對(duì)機(jī)器人進(jìn)行手動(dòng)操作和程序調(diào)試。當(dāng)出現(xiàn)緊急情況時(shí),可通過(guò)按下急停按鈕停止機(jī)器人的運(yùn)動(dòng),保證設(shè)備和人員安全。

            根據(jù)以上功能需求,示教器總體設(shè)計(jì)方案如圖1所示。

          2 示教器硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

          2.1 CPU選型

            CPU是示教器的核心器件,在對(duì)CPU選型時(shí),為了簡(jiǎn)化系統(tǒng)設(shè)計(jì),應(yīng)盡可能地減少外圍電路。結(jié)合示教器的功能需求,最好選用內(nèi)部集成有以太網(wǎng)控制器、LCD控制器、觸屏控制器和SDRAM控制器的CPU。

            綜合考慮,我們選取了TI公司的ARM Cortex-A8微處理器AM3359。該芯片主頻最高可達(dá)1GHz,具有DDR3控制器、LCD和觸屏控制器、2個(gè)USB2.0高速OTG端口和8路ADC轉(zhuǎn)換器;具有2個(gè)千兆以太網(wǎng)MAC控制器,支持RMII、RGMII等接口,支持NAND、NOR等通用存儲(chǔ)器。此外,AM3359還具有可編程實(shí)時(shí)單元和工業(yè)通信子系統(tǒng),支持EtherCAT協(xié)議,方便今后將示教器擴(kuò)展為工業(yè)機(jī)器人EtherCAT網(wǎng)絡(luò)中的一個(gè)節(jié)點(diǎn)。

          2.2 電源電路設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

            示教器的電源輸入為直流24V,在此基礎(chǔ)上產(chǎn)生12V、5V、3.3V等電源,給外圍電路和LCD背光等供電。為了實(shí)現(xiàn)外部電源與示教器內(nèi)部電源的隔離,采用金升陽(yáng)公司的DC-DC模塊VRB2412LD實(shí)現(xiàn)24V到12V轉(zhuǎn)換,轉(zhuǎn)換時(shí),在輸入端加入2A的保險(xiǎn)絲進(jìn)行過(guò)流保護(hù)。采用金升陽(yáng)公司的K7805-2000開(kāi)關(guān)型穩(wěn)壓器,由12V變換出5V電源。選用TI公司的低壓差穩(wěn)壓器TLV1117-3.3產(chǎn)生3.3V電源。

            為實(shí)現(xiàn)示教器熱插拔功能,采用MAXIM公司的熱插拔控制器MAX5902,能夠限制浪涌電流,并提供過(guò)流保護(hù)。具體電路如圖2所示。該熱插拔電路簡(jiǎn)單易用,外部器件只需要一個(gè)P溝道MOSFET管。

            CPU供電方面,AM3359需要內(nèi)核、MPU、DDR控制器、AD、USB模塊等多軌供電。電源種類繁多,在此選取TI公司的電源管理芯片(PMIC) TPS65910,該芯片能夠提供3路降壓轉(zhuǎn)換器、1路升壓轉(zhuǎn)換器和8路LDO,能夠滿足AM3359的供電需求,簡(jiǎn)化了電路設(shè)計(jì)。

          2.3 存儲(chǔ)電路設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

            AM3359具有DDR3控制器,在此基礎(chǔ)上擴(kuò)展了2GB的DDR3 SDRAM存儲(chǔ)器,SDRAM選用Micron公司的MT41K256M16。具體實(shí)現(xiàn)時(shí),SDRAM通過(guò)地址線DDR_A[14:0],地址線DDR_BA[2:0],數(shù)據(jù)線DDR_D[15:0]、行選線DDR_CAS、列選線DDR_RAS、寫(xiě)使能DDR_WE等控制信號(hào)與AM3359連接。采用TI公司的終端穩(wěn)壓器TPS51200為DDR3內(nèi)存提供穩(wěn)定的端接電源和參考電壓,具體電路如圖3所示。

            通過(guò)AM3359的內(nèi)置通用存儲(chǔ)控制器(GPMC),擴(kuò)展了4GB的NAND Flash。在具體實(shí)現(xiàn)時(shí),AM3359與Flash通過(guò)地址和數(shù)據(jù)線GPMC_AD[7:0]、寫(xiě)使能GPMC_WEN、讀使能GMPC_REN、地址鎖存線GPMC_ALE和命令鎖存線GPMC_CLE進(jìn)行連接。

          2.4 顯示和觸摸輸入電路設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

            AM3359帶有LCD控制器,可支持24位數(shù)據(jù)輸出。在本設(shè)計(jì)中擴(kuò)展了8.4英寸TFT LCD真彩色液晶屏。具體實(shí)現(xiàn)時(shí),通過(guò)LVDS平板顯示發(fā)射器,將LCD_DATA[23:0]、LCD_PCLK、LCD_VSYNC、LCD_HSYNC、LCD_AC_BIAS_EN等28位LVTTL電平的并行LCD信號(hào)轉(zhuǎn)換為差分串行LVDS信號(hào)傳輸,提高了抗干擾能力。

            另擴(kuò)展一個(gè)8.4英寸4線電阻式觸摸屏,與AM3359的4線觸摸屏控制器(TSC)相連,占用AM3359的模擬輸入通道AIN[3:0]。

          2.5 以太網(wǎng)通信電路設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

            在AM3359內(nèi)置的千兆以太網(wǎng)控制器(MACs)基礎(chǔ)上,外部擴(kuò)展PHY。選用ATHEROS公司的10/100/1000Mbps三速以太網(wǎng)PHY芯片AR8031實(shí)現(xiàn)。AM3359與AR8031接口方式為RGMII,采用4位數(shù)據(jù)接口,工作時(shí)鐘為125MHz,接口引腳有RXD[3:0]、TXD[3:0]、RXDV、RXCLK、TXCLK、GMII_COL、RESET等,共14根接口線。另外選用集成有網(wǎng)絡(luò)隔離變壓器的RJ45插座。

          2.6 搖桿電路設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

            選用三軸霍爾型搖桿,支持X、Y、Z軸連續(xù)模擬量輸出以及1路按鈕開(kāi)關(guān)量輸出。X、Y、Z軸輸出電壓范圍為0.5V~4.5V,通過(guò)電阻分壓電路轉(zhuǎn)換后,送入AM3359的ADC轉(zhuǎn)換通道AIN4-AIN6進(jìn)行采集。按鍵開(kāi)關(guān)量則通過(guò)AM3359的GPIO3_17讀取。

          2.7 按鍵設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

            示教器上共有8個(gè)按鍵,其中4個(gè)分別為啟動(dòng)、停止、步進(jìn)和步退控制鍵,另外4個(gè)為自定義功能鍵,可由用戶自行定義。在實(shí)現(xiàn)時(shí),采用4*2的矩陣式薄膜鍵盤(pán),鍵盤(pán)的行掃描線接到AM3359的GPIO0_2~ GPIO0_5引腳上,列掃描線接到AM3359的GPIO3_20~ GPIO3_21引腳上,由AM3359掃描讀取各鍵值。

          2.8 USB接口電路設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

            AM3359的USB2.0端口集成有PHY,因此,很方便擴(kuò)展出USB接口。在實(shí)現(xiàn)時(shí),用功率分配開(kāi)關(guān)芯片TPS2051來(lái)控制5V電源和VBUS之間的通路和斷路。在USB數(shù)據(jù)線上放置共模濾波器來(lái)抑制噪聲。將AM3359的USB_ID腳接地,使USB PHY工作在host模式。具體電路如圖4所示。

          3 示教器軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

          3.1 示教器軟件功能模塊劃分

            示教器軟件采用模塊化設(shè)計(jì),按功能分為10個(gè)模塊,分別為:

            1)通信模塊:負(fù)責(zé)與控制器進(jìn)行通信,完成數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā)和接收,并對(duì)數(shù)據(jù)包進(jìn)行解析。

            2)數(shù)據(jù)庫(kù)模塊:數(shù)據(jù)庫(kù)采用SQlite,存儲(chǔ)在控制器端。負(fù)責(zé)讀取和修改機(jī)器人控制系統(tǒng)的系統(tǒng)變量、通道變量、用戶管理信息及日志信息等。

            3)變量管理模塊:存儲(chǔ)從數(shù)據(jù)庫(kù)讀取的各種變量數(shù)據(jù),并將其顯示到變量界面。支持變量的讀取、修改、刪除。

            4)日志管理模塊:負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)庫(kù)中日志信息讀取并顯示到界面上,并可根據(jù)日志級(jí)別、日志時(shí)間等進(jìn)行篩選。

            5)監(jiān)視模塊:負(fù)責(zé)監(jiān)視機(jī)器人各個(gè)軸當(dāng)前位置及IO狀態(tài),并可設(shè)置位置信息的格式。

            6)程序編輯模塊:通過(guò)使用輔助編程工具,可添加、刪除和修改指令,完成對(duì)程序的編輯工作,并具備調(diào)試功能。

            7)文件管理模塊:負(fù)責(zé)對(duì)程序文件的管理以及文件的備份和恢復(fù)。

            8)用戶管理模塊:負(fù)責(zé)對(duì)示教器軟件系統(tǒng)用戶進(jìn)行權(quán)限管理,防止越級(jí)操作或誤操作。

            9)系統(tǒng)設(shè)置模塊:負(fù)責(zé)快速設(shè)置機(jī)械本體通道、運(yùn)動(dòng)模式等機(jī)器人屬性,以及工具和工件坐標(biāo)系的標(biāo)定。

            10)其他輔助模塊。包括系統(tǒng)重啟以及輸入法等。

            每個(gè)模塊又可分為不同的子模塊。

          3.2 示教器軟件系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

            結(jié)合示教器軟件的功能劃分,對(duì)其進(jìn)行了系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)。架構(gòu)圖如圖5所示。整個(gè)軟件系統(tǒng)架構(gòu)分為四層,第4層為通信客戶端和數(shù)據(jù)庫(kù);第3層為接口類層,主要負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信和數(shù)據(jù)庫(kù)讀寫(xiě)的接口操作功能;第2層為程序編輯器、監(jiān)視、文件管理等功能模塊;最頂層為用戶界面。

            示教器軟件基于Qt框架進(jìn)行設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn),采用C++語(yǔ)言開(kāi)發(fā)。運(yùn)行于嵌入式Linux系統(tǒng)中。

          4 測(cè)試結(jié)果與討論

            在通用6軸機(jī)器人樣機(jī)上,對(duì)所設(shè)計(jì)的示教器進(jìn)行了測(cè)試,測(cè)試結(jié)果如下:

            1)板上12V、5V電壓的紋波不超過(guò)±150mV,CPU內(nèi)核、MPU等電壓紋波不超過(guò)±100mV。

            2)DDR3內(nèi)存工作于800MHz,讀寫(xiě)無(wú)誤。

            3)LCD數(shù)據(jù)的LVDS差分傳輸速率為87.5 MHz,LCD液晶屏顯示穩(wěn)定,不受6個(gè)軸的電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)等干擾影響。

            4)以太網(wǎng)RGMII工作時(shí)鐘為125MHz,通信速率為1000Mbps,通信穩(wěn)定。

            5)搖桿的3個(gè)方向均存在0.2V的死區(qū)電壓,通過(guò)軟件消除死區(qū)后,線性度良好。

            6)從用戶在示教器上啟動(dòng)某項(xiàng)功能到機(jī)器人系統(tǒng)開(kāi)始執(zhí)行功能的時(shí)間不超過(guò)300ms。

            目前的示教器是通過(guò)集成電纜與機(jī)器人主控制器進(jìn)行通訊。如果能夠在保證通訊可靠的前提下使示教器與主控制器通過(guò)無(wú)線方式進(jìn)行連接,不僅可以大大減少工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)布線,而且可以通過(guò)多點(diǎn)無(wú)線訪問(wèn)方式實(shí)現(xiàn)一個(gè)示教器控制多個(gè)控制器。因此,研發(fā)能夠?qū)崟r(shí)、可靠通訊的無(wú)線示教器,是今后的發(fā)展方向。

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          本文來(lái)源于中國(guó)科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2016年第7期第47頁(yè),歡迎您寫(xiě)論文時(shí)引用,并注明出處。



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