基于力/力矩傳感器的機(jī)器人力控制實(shí)驗(yàn)作業(yè)系統(tǒng)

0 引言

隨著機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，機(jī)器人位置控制技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的日趨完善，人們已經(jīng)不再滿足于只讓機(jī)器人從事象點(diǎn)焊，弧焊，噴漆和搬運(yùn)等不與環(huán)境物體接觸的工作任務(wù)，而是試圖用機(jī)器人來完成象裝配，浮游物體抓取，邊緣跟蹤和去毛刺等與環(huán)境存在接觸的任務(wù)。然而由于外部環(huán)境和機(jī)器人本體的非理想化，無法消除誤差的存在，因而純位置控制方式下的機(jī)器人在從事這類工作的時(shí)候?qū)⒉豢杀苊獾禺a(chǎn)生一些不希望的環(huán)境接觸力，而且這種不希望的接觸力往往又是很大的，以至于損壞工件或機(jī)械手本身，致使任務(wù)無法正常進(jìn)行。為此，可以將六自由度腕力傳感器與機(jī)器人結(jié)合，組成力控制系統(tǒng)來完成預(yù)定作業(yè)任務(wù)。

1 系統(tǒng)組成

基于力/力矩傳感器的力控制系統(tǒng)由六維力/力矩傳感器、PC微型計(jì)算機(jī)、PUMA562機(jī)器人等部分組成。其中：機(jī)器人采用美國(guó)Unimation公司生產(chǎn)的PUMA562型通用可編程工業(yè)機(jī)器人；主控計(jì)算機(jī)為一臺(tái)（Pentium166）PC機(jī)，主控計(jì)算機(jī)是實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的核心控制單元，腕力傳感器獲得的數(shù)據(jù)通過計(jì)算機(jī)的并行打印口傳給計(jì)算機(jī)，并由其完成計(jì)算機(jī)力/力矩的任務(wù)，然后根據(jù)傳感器的力/力矩信息或者按預(yù)定的策略，計(jì)算產(chǎn)生機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)軌跡，最后，通過與機(jī)器人連接的智能串行通訊卡，對(duì)機(jī)器人進(jìn)行實(shí)時(shí)的路徑修正。

2 智能串行通訊接口的設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)通過計(jì)算機(jī)的并行通訊口與腕力傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，計(jì)算出力/力矩等信息后，控制機(jī)器人進(jìn)行作業(yè)，由于計(jì)算機(jī)還要承擔(dān)與機(jī)器人的數(shù)據(jù)交換等通訊任務(wù)，要在極短的時(shí)間段里根據(jù)復(fù)雜的協(xié)議完成通訊，給主控計(jì)算機(jī)帶來了巨大的負(fù)擔(dān)。因此，專門設(shè)計(jì)了智能串行通訊接口卡把機(jī)器人與主控計(jì)算機(jī)通訊的任務(wù)分離出來，使得主控計(jì)算機(jī)只需向串行通訊電路提供修正數(shù)據(jù)，拋開了復(fù)雜的通訊協(xié)議，并且在不需要修正時(shí)不必傳送修正數(shù)據(jù)，從而提高整個(gè)系統(tǒng)的性能。
智能串行通訊接口卡插在主控計(jì)算機(jī)的I/O擴(kuò)展槽內(nèi)，與主控計(jì)算機(jī)為并行數(shù)據(jù)傳輸，并把數(shù)據(jù)自動(dòng)傳送給機(jī)器人。具體如下：

1、接收PUMA機(jī)器人的ALTER過程初始化信息塊，發(fā)送給PUMA機(jī)器人初始化應(yīng)答信息塊；
　　
2、接收PUMA機(jī)器人的正常修正信息塊，檢測(cè)后傳送主控計(jì)算機(jī)；

3、接收主控計(jì)算機(jī)路徑修正值，進(jìn)行超限檢測(cè)，將正確值送給機(jī)器人；

4、若在一個(gè)修正周期中，主控計(jì)算機(jī)沒有送來修正值，串行通訊電路會(huì)正常應(yīng)答機(jī)器人，不作修正；

5、與PUMA機(jī)器人通訊時(shí)，自動(dòng)添加協(xié)議的內(nèi)容，自動(dòng)按照通訊協(xié)議接收數(shù)據(jù)。

利用單片機(jī)片內(nèi)UART電路，經(jīng)電平轉(zhuǎn)換后與PUMA機(jī)器人控制器的ACCESSORY接口，構(gòu)成標(biāo)準(zhǔn)的RS-232C串行通訊通道。單片機(jī)與PC機(jī)之間采用74LS373和74LS374組成的雙向緩沖八位并行接口，并采用中斷和查詢相結(jié)合的方式控制數(shù)據(jù)流。這是由于在兩者交換數(shù)據(jù)時(shí)，PC機(jī)是主動(dòng)的一方，在PC機(jī)需要輸入或輸出PUMA機(jī)器人關(guān)節(jié)角度數(shù)據(jù)時(shí)，通過對(duì)雙向緩沖器讀或?qū)懀瑢⒎謩e向單片機(jī)發(fā)出INT0或INT1中斷請(qǐng)求。另一方面由于所交換的數(shù)據(jù)是｛DATAS｝中的16個(gè)有效數(shù)據(jù)字節(jié)，故在單片機(jī)響應(yīng)中斷后便與PC機(jī)之間進(jìn)行整塊數(shù)據(jù)的發(fā)送或接收，在字節(jié)間則采用查詢方式。
PUMA機(jī)器人、通訊電路和PC機(jī)三者之間存在數(shù)據(jù)流速度的協(xié)調(diào)性問題，這一問題主要是由PC機(jī)的運(yùn)算時(shí)間不一定正好為28ms導(dǎo)致的。如果PC機(jī)在28ms內(nèi)沒有新的運(yùn)算結(jié)果輸出給通訊電路，通訊電路則應(yīng)按上次結(jié)果發(fā)送；但如果PC機(jī)在28ms內(nèi)進(jìn)行了多次運(yùn)算，而且當(dāng)某些運(yùn)算結(jié)果具有累加性質(zhì)時(shí)，將導(dǎo)致機(jī)器人失控。為了避免后一種情況，通訊電路與PC機(jī)之間建立了同步握手關(guān)系，即單片機(jī)在收到PUMA機(jī)器人一組數(shù)據(jù)后將P1.7置1，而在收到一級(jí)PC機(jī)數(shù)據(jù)后將其清0，當(dāng)PC機(jī)查詢到該信號(hào)為1時(shí)便與通訊電路進(jìn)行一次數(shù)據(jù)交換。

3 串行通訊軟件設(shè)計(jì)

主控計(jì)算機(jī)與機(jī)器人進(jìn)行串行通訊的關(guān)鍵在于單片機(jī)通訊程序，主要功能包括：
1、接受PUMA機(jī)器人的串行通訊數(shù)據(jù)，并完成"拆包"工作；

2、在接受的同時(shí)，向PUMA機(jī)器人發(fā)送完整的通訊數(shù)據(jù)，在此期間對(duì)欲發(fā)送的進(jìn)行"打包"；

3、與計(jì)算機(jī)之間進(jìn)行數(shù)據(jù)塊的并行交換；

4、對(duì)通訊過程中的錯(cuò)誤進(jìn)行檢驗(yàn)和處理，特別是檢驗(yàn)法送給PUMA機(jī)器人的位置修正量，防止其超限，以保證安全性；

5、過程控制，包括數(shù)據(jù)協(xié)調(diào)、通訊結(jié)束控制等。

通過以上功能的實(shí)現(xiàn)，著重解決了以下問題：
計(jì)算機(jī)將位置修正量輸出到單片機(jī)內(nèi)RAM中緩沖后，再轉(zhuǎn)送給PUMA機(jī)器人，故如果在單片機(jī)正與PUMA機(jī)器人通訊時(shí)，計(jì)算機(jī)用中斷方式請(qǐng)求與單片機(jī)傳輸數(shù)據(jù)，為了保證這兩組數(shù)據(jù)間的完全隔離，特別是防止某組修正量低字節(jié)已發(fā)給PUMA機(jī)器人時(shí)計(jì)算機(jī)傳來新數(shù)據(jù)，導(dǎo)致兩次數(shù)據(jù)間的"混迭"，通訊程序中采用了兩級(jí)緩沖方式，即從計(jì)算機(jī)傳來的數(shù)據(jù)先進(jìn)入第一級(jí)緩沖區(qū)，在向PUMA機(jī)器人發(fā)送數(shù)據(jù)前再將整體移入第二級(jí)緩沖區(qū)，以后便發(fā)送第二級(jí)緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)，同理，在接收PUMA機(jī)器人數(shù)據(jù)時(shí)也采用了兩級(jí)緩沖方式。
一旦PUMA機(jī)器人因故停止通訊，由定時(shí)器T0構(gòu)成的時(shí)間監(jiān)視器將向P1.6發(fā)出低電平，迫使單片機(jī)復(fù)位，該時(shí)間長(zhǎng)度為65ms。為此每次收到PUMA機(jī)器人數(shù)據(jù)后將定時(shí)器T0清零。
由于填充的字節(jié)個(gè)數(shù)不等的原因，串行接收和發(fā)送的數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)不完全相等，因而串行接收和發(fā)送分別由獨(dú)立的子程序處理，只有兩者都完成才結(jié)束本周期的通訊。
與計(jì)算機(jī)進(jìn)行交換有效數(shù)據(jù)的INT0和INT1中斷服務(wù)子程序，兩者連起來的執(zhí)行時(shí)間約為380ms，串行接收或發(fā)送一個(gè)字節(jié)（共十位）的時(shí)間為502ms，因而不可能漏收每一個(gè)PUMA機(jī)器人發(fā)來的串行字節(jié)。

4 結(jié)束語

通過本文建立了基于力/力矩腕力傳感器的機(jī)器人力控制作業(yè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。分析了在實(shí)時(shí)路徑修正基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)的通訊接口卡的硬件設(shè)計(jì)、工作原理，并設(shè)計(jì)了通訊軟件，使主控計(jì)算機(jī)與PUMA機(jī)器人能夠順利地進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。通過本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)可以順利完成基于力控制的零件裝配作業(yè)。