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六自由度模块化机器人控制系统设计

王殿君;嵇钟辉;刘淑晶;相臣;彭文祥

【摘要】针对开放式系统在控制机器人方面的特点，使用PMAC

（Programmablemultiple-axiscontroller）运动控制器，基于VisualC++6.0

平台开发了一种六自由度模块化机器人控制系统。采用PMAC运动控制器为下位

机，完成了硬件系统的设计和搭建，在PC上位机上基于MFC设计了机器人控制

软件，实现空间运动学计算、示教等功能。机器人示教实验及定位实验表明，应用

PC+PMAC的控制系统可以较好地实现机器人稳定工作，其最大定位误差为

0.8392mm，定位精度比较高，这可以较好地满足机器人的工作要求。

【期刊名称】《制造业自动化》

【年(卷),期】2015(000)012

【总页数】4页(P107-109,113)

【关键词】模块化;六自由度机器人;PMAC;控制系统

【作者】王殿君;嵇钟辉;刘淑晶;相臣;彭文祥

【作者单位】北京石油化工学院机械工程学院，北京102617;北京石油化工学院

机械工程学院，北京102617;北京石油化工学院机械工程学院，北京102617;北

京石油化工学院机械工程学院，北京102617;北京石油化工学院机械工程学院，

北京102617

【正文语种】中文

【中图分类】TP242.6

0引言

目前机器人常用的控制方式主要有主从式、分布式、集中式。主从式控制方式是由

一级计算机和二级计算机组合控制的，主要应用于机器人的远程控制。分布式控制

方式可以有效的提高控制器的工作速度和控制性能，但是这也给控制系统设计增大

了难度。而集中式的控制方式简单、灵活，可以实现任务的实时集中控制等特点，

被广泛应用于机器人控制。

集中式控制方式目前主要有专用式控制方式、开放式控制方式。专用式控制方式专

用、集成度高，但不开放、功能可扩展性和可移植性不高，不利于二次开发。开放

式的控制方式以其具有很好的实时性、稳定性、可扩展性等优点成为当下机器人控

制的常用方法。通过对几种控制方式的对比分析以及机器人控制系统设计的实际要

求，机器人控制系统采用开放式控制方式。

本文首先简要介绍了六自由度模块化机器人本体构造，选择了一种基于上位机PC

与下位机PMAC的控制系统，开发了上位机机器人控制软件，搭建机器人运动平

台并进行了机器人示教及定位实验。

1六自由度模块化机器人结构简介

六自由度模块化机器人分为六个模块，在设计过程中采用模块化的思想[1～3]。驱

动综合使用了步进电机、交流伺服电机搭配谐波减速器、行星减速器的形式，并采

用同步带传动、蜗轮蜗杆传动等多种传动方式[4,5]。

加工组装完成的六自由度模块化机器人机械本体如图1所示。

图1六自由度机器人机械本体

2硬件控制系统设计及实现

2.1机器人控制系统总体方案

依据已选定的开放式控制方式进行控制器的选择。运动控制器是机器人控制系统的

核心，它负责接收上位机的用户指令，根据指令控制其他电气元件工作。常用的控

制器有单片机、PLC、运动控制器等。单片机控制的优点是经济性高、控制系统成

本相对较低，缺点是故障率较高、扩展性差，对周围环境依赖性较强、稳定性不足、

开发周期较长；PLC控制的优点是它具有较强的抗干扰能力，从而使它的故障率

相对较低，而且它对于设备的扩展相对容易，方便维修、产品开发周期较短，缺点

是做相对较复杂的运动控制时，运动程序编程比较麻烦；运动控制器控制的优点是

将其与PC机配合，利用下位机的运动控制卡运算速度快、实时性好，可实现多轴

运动控制的特点，再加上上位PC机可以处理大量数据并由运动控制器迅速的去执

行，可以达到控制反应时间短、控制精度高的效果。

综合分析以上优缺点，并结合集中式控制方式的特点，控制系统总体方案确定为集

中式二级控制，采用上位机PC机+下位机运动控制器的方案。

目前通用运动控制器种类众多，主流的运动控制器有研华运动控制器，固高运动控

制器，PMAC运动控制器等。相比于其他运动控制器，PMAC的软硬件开放性更

好，功能更强大，可靠性和稳定性更好。因此，选用TurboPmacClipper运动控

制器作为本系统的控制核心单元[6]。

在该方案中运动控制器用于完成运动控制、I/O管理以及PLC等实时任务控制，

PC机完成人机交互界面