針對機器人主動柔順控制在工程中如何實現的問題，開發(fā)了一種開放式機器人控制器。此控制器采用“PC+PMAC”的控制結構，利用伺服驅動器的兩種不同的控制模式，提出了一種實用的力／位混合控制方案，給出了相應的硬件和軟件的具體實現。實驗表明，文章提出的力／位混合控制方法具有良好的穩(wěn)定性和力控制精度。

　　1，引言

　　隨著機器人在各個領域應用的日益廣泛，許多場合要求機器人具有力控制的能力。例如，機器人的精密裝配、修刮或工件表面磨削、拋光和擦洗等。在操作過程中要求保持其末端執(zhí)行器與環(huán)境接觸。完成這些作業(yè)任務，必須具備從自由空問到約束空問的對力的柔順控制能力。

　　柔順控制分為主動柔順控制和被動柔順性控制。被動柔順控制由于其專業(yè)性強，成功率低等不足使應用范圍受到限制。為了克服其不足，需要對機器人采用主動柔順控制，即力控制。本系統采用基于PC總線的開放式機器人控制器，具體以PC+DSP運動控制卡的結構來構造特種機器人開放式的硬件平臺，以滿足機器人在完成接觸性作業(yè)時力控制的需要。

　　2，力／位混合控制特種機器人的工作原理

　　針對特殊接觸性作業(yè)，本系統中的機器人是平面三自由度操作手，整個操作手有一個移動副，兩個轉動副。適用于在回轉殼體內或外壁表面卜完成某些接觸性作業(yè)，如在殼體內完成清理污垢或打磨表面等。其中，整個操作手由三個伺服電機驅動，回轉殼體由一個伺服電機驅動，共四個伺服電機。

　　3，開放式機器人控制器的構成

　　3．1 開放式機器人控制器的實現模式

　　控制系統以：I：業(yè)控制計算機（IPC）為上位機，以插接在IPC主板ISA擴展槽內的DSP控制卡為系統的控制核心。此種IPC+PMAC雙CPU的控制模式具有實現方便、功能強大、可靠性高等特點，是一種開放式的控制系統。整個控制器采用了模塊化的體系結構，工業(yè)PC機處理非實時的部分，實時的運動控制由DSP運動控制卡來承擔。

　　控制系統采用的DSP運動控制器為Delta Tan公司的I型PMAC八軸運動控制卡。PMAC從硬件和軟件上都體現了優(yōu)秀的開放性能和強大的運動控制能力。PMAC卡較一般運動控制器有很強的處理能力、軌跡特性和輸入帶寬，并且有較強的靈活性，能適用于多總線結構（PC、STD、VME）。

　　其具體的功能包括：多軸插補計算、用戶輔助PLC編程以及模擬量數據采集處理。本系統中PMAC控制卡的硬件核心為Mo．tomla的DSP56003數字信號處理芯片，伺服周期單軸為55Vs，可接收來自測速發(fā)電機、光電編碼盤、光柵、旋轉變壓器的多種反饋信號，能與多種伺服電機兼容。PMAC控制卡的優(yōu)良特性為實現專用機器人力控制提供了良好的硬件平臺。

　　圖1機器人操作手工作原理圖

　　1．大臂2．小臂3．執(zhí)行機構（可繞X軸旋轉）4．不規(guī)則的內壁表面5．回轉殼體

　　本系統應用的I型PMAC，有j1一J8不同功能的外部接口，可控制1～8軸。本系統中用到了四個接口，J3（多路撥碼開關I／0）一與ACC一34AA（PMAC的附件）連接；J5（通用數字輸入和輸出）一控制光耦和中間繼電器；J7（模擬輸出5—8軸）一控制執(zhí)行機構和驅動回轉殼體；J8（模擬輸出1—4軸）一控制大臂和小臂電機。

　　3．2 膠片粘貼機器人的硬件平臺

　　本系統采用工控機IPC、PMAC I型8軸運動控制卡、雙端口RAM（DPRAM）、I／O擴展板ACC一34AA、松下、安川伺服電機及驅動器共四套，用于它們之間控制的接口連接板一塊。其控制系統構成圖2所示，本系統自行開發(fā)的接口連接板如圖3所示。

　　在控制系統中，用到了PMAC的兩個附件：

　　①DPRAM（Dual port RAM）：雙端口RAM

　　②ACC一34AA：多路I／O驅動板

　　其中，DPRAM作為PMAC的附件，是IPC和PMAC之間的通訊橋梁。DPRAM為主機和PMAC之間可以共享高速內存區(qū)，通過DPRAM，1PC與PMAC之問可以方便地進行無握手數據交換。DPRAM在主機（IPC）和PMAC之間有地址映射，用這個地址映射匹配兩邊的內存地II：、DPRAM對數據實時性的保證，提高了控制系統的靈敏性，使操作手實施主動柔順控制時力誤差減少，力控制精度大大增加。DPRAM與IPC、PMAC的關系見圖4。

　　圖3接線連接板外形圖

　　圖4 DPRAM連接簡圖

　　ACC一34AA也是PMAC的附件之一，可以提供64個光隔離的分立I／（）點，以32位字分組，有32個輸入點和32個輸出點。輸入點可以接收外部輸入控制信號，以便卜位控制器（PMAC）作出決策。比如，在本系統中接受控制面板l：的輸入控制信號。

　　圖5 ACC一34AA基本功能圖

　　輸出點可以接繼電元件，最終控制外圍設備的起停。ACC一34AA的基本功能如圖5所示。

　　PMAC運行后臼PIc程序，通過M變量對ACC一34AA輸入端和輸出端進行只讀和只寫。

　　4 開放式特種機器人的力／位混合控制

　　4．1力控制的必要性

　　為使機器人在約束環(huán)境中具有靈活性，同時避免與環(huán)境接觸時產生過大的接觸力或力矩，這就要求機器人終端具備同時控制其終端位置和力的能力。本系統中，機器人操作手要在工作空間狹小的回轉殼體內完成預定的接觸性作業(yè)，此項作業(yè)要求執(zhí)行機構要在殼體內壁上定位精確，同時能夠在不規(guī)則的回轉殼體內壁表面上不同區(qū)域始終保持接觸，且接觸力的大小恒定或按規(guī)定輸出。因此，本文在位置伺服系統的基礎上考慮力控制，以使操作手獲得對未知環(huán)境的柔順性。

　　4．2 基于PMAC力／位混合控制的硬件實現

　　為了實現機器人末端的力／位混合控制，需要PMAc的模擬輸出分別工作在伺服驅動器的速度和轉矩控制模式下，見圖6所示。

　　圖6伺服驅動器輸出模式

　　驅動器的速度模式和力矩模式都接受上位控制器（PMAC）的模擬信號。其中，速度模式的是以控制位置為主要控制指標，而力矩模式是以控制轉矩為主要控制指標，在力矩模式下可以在額定轉矩范匿內實現恒轉矩輸出。

　　為了實現以上要求，操作手的接觸作業(yè)分三個步驟：首先操作手在速度模式下到達預定的位置并保持一定的姿態(tài)，在這種模式下利用電流環(huán)的位置控制更準確；隨后，對伺服電機進行模式轉換，小臂在力矩模式下豎直抬起，在執(zhí)行機構接近殼體時，執(zhí)行機構的電機處于自由狀態(tài)以保證能良好的依附于殼體內壁；最后，在末端機構與殼體內壁接觸時，殼體轉動，依靠反饋信息調節(jié)小臂伺服電機的轉矩使執(zhí)行器能夠始終與殼體保持接觸并控制一定的接觸力，從而使機器人能夠在非結構表面下進行有效的力控制，完成接觸性作業(yè)。

　　本系統中PMAC運動控制器共控制四軸聯動，但由于操作手中大臂、小臂、執(zhí)行機構要分別工作于兩種不同模式下，所以實際占用PMAC的軸通道數為7個。在這兩種模式下，驅動器側接受控制器指令的輸入引腳不同，以松下驅動器為例，速度模式下用14、15引腳，而在力矩模式下用16、17引腳。本系統中PMAC與驅動器模式轉換的雙通道連接見圖7。

　　圖7雙軸通道伺服輸出連接圖

　　圖7所示兩個軸通道DACl一DAC2（PMAC的43、44）模擬輸出分別接到伺服驅動器的速度和轉矩指令引腳（驅動器側的14、16）。軸通道1（DACl）的輔助連接是指與其有關的反饋、驅動器使能和報錯、限位等連接。，如，CHAl一CHCl是通道1的編碼盤反饋信號，+LIMI和一LIMl是在反方向和正方向的限位信號，AENAI／D1RI是放大器使能信號，決定伺服驅動器的使能，其它類似引腳不在詳述。、PMAC的J8有60個引腳，有四個軸輸出{通道，每個軸輸出通道都有一套類似的輔助連接，每個軸輸出通道根據其相應的輔助連接而凋節(jié)模擬輸出，完成伺服功能。在驅動器一側，要實現兩種模式，需要軸輸出通道的模擬指令信號在14和16之間切換，如果用一個軸輸出通道，需要在PMAC和驅動器之間自己搭建電路在外部來完成此切換，這樣做實時性不好，可靠性也不高。，因此本系統采用PMAC的兩個軸通道來實現塒驅動器兩種模式的伺服輸出，這樣做可以不必搭建外部電路，而11保證實時性的要求。具體做法是通過PMAC的J5 1來改變C—MODE的狀態(tài)。如果單獨控制兩個軸通道時，需要兩套輔助連接以保證軸通道的伺服輸出，但實際上一個驅動器及外部開關只能提供一套軸通道輔助連接，這需要PMAC在其內部完成輸出的切換，通過設置I變量中的IX0217 J，這種切換保證在只有一套軸輔助連接的前提下，PMAC對兩個軸通道伺服輸出。

　　4．3 基于PMAC力／位控制的軟件實現

　　整個控制軟件包括實時控制軟件與上位機的系統管理軟件兩部分。實時控制軟件包括伺服驅動、PLC監(jiān)控、數據采集等；系統管理軟件包括初始化、參數輸入、雙CPU通訊、殼體作業(yè)規(guī)劃等。為了在PMA（：中實現操作手的力／位混合控制，控制軟件在Windows平臺L用VC++6．0編寫系統應用程序，同時調用PMAC中PCOMM32PRO動態(tài)連接庫中的函數完成對PMAC的實時操作。、

　　在PMAC的初始化程序中作以下設置和定義：

　　其中，Pl為殼體入口處位置的橫坐標，P2為殼體作業(yè)位置的橫坐標，P3為殼體作業(yè)位置的縱坐標，P】00為力矩設置值。／102為電機指令輸出地址，1169為小臂電機DAC輸出限制，c為標定小臂角度極限。M162為寄存器中存儲小臂電機（電機1）實際位置值。M168為輸出力矩對DAC的標定值。

　　控制流程如圖8所示。

　　5 結論

　　本文針對要完成接觸性作業(yè)的特種機器人，研究了一個實用的開放式的機器人控制器。應用IPC和PMAC雙CPU的開放式結構，實現了兩個級別的開放度，獲得了較好的人機交互能力，并在基礎上，對機器人進行有效的力／位混合控制，給出了具體控制的硬件和軟件實現，此系統能夠使機器人在非結構表面上完成接觸性操作。該系統在用于非規(guī)則殼體內壁表面的貼片作業(yè)中已取得了良好的控制效果。