基于CPAC的六自由度开放式机器人控制系统的开发

1954年，美国人乔治.德沃尔制造出第-台可编程机器人，使机器人从概念逐步走向现实，1962年，美国万能 自动化公司的第-台机器人在美国通用汽车公司 (GM)投入使用，标志着第-台机器人的诞生 。随着科技的发展，机器人从只能简单记忆信息的-代机器人发展到了不仅具有感知能力，甚至还能进行逻辑思维判断的智能机器人。

机器人控制系统作为机器人的核心，是-种典型的多轴实时运动控制系统。传统的机器人控制系统的开发基本都是采用封闭式体系结构，即采用专用计算机、专用操作系统、专用机器人语言和专用微处理器等。这种体系结构的控制器存在开发周期长，制造和使用成本高，升级换代困难，无法添加控制系统的新功能等-些缺点 。目前，控制系统主要采用微处理器型、FPGA/CPLD型和DSP型三种方式构成。

本文介绍了-种基于计算机可编程 自动化控制器(Computerized Programmable AutomationController，简称CPAC)的六自由度开放式机器人控制系统，在开发过程中可以利用CPAC的实时I/o控制、开放的架构、丰富的人机界面等优点H。

该机器人控制系统具有良好的开放性和扩展性，可以根据需要方便地进行功能扩展，且能适应不同类型的工业机器人。此研究工作对于生产实际也具有-定的指导意义。

1 计 算机 可 编程 自动 化控 制器(CPAC)简介CPAC是计算机可编程 自动化控制器的简称，它是固高科技有限公司推出的应用于工业装备控制的软硬件开发平台。CPAC硬件架构图如图1所示。

CPAC硬件平台由自动化控制器、人机界面、端子板和远程I/O拈四部分组成。自动化控制器(GUC)是将PC技术与运动控制技术相结合的产物。它以Intel标准X86架构的CPU和芯片组为系统处理器，采用高性能DSP和FPGA作为运动控制协处理器。在实现高性能多轴协调运动控制和高速点位运动控制的同时，也实现了普通PC机的所有基本功能。

CPAC软件平 台 (Otostudio)是-种基于IEC61 l3 1-3工业控制语言标准组态化、图形化的开发工具 ，支持结构化文本 (ST)、指令表语言 (IL)、功能块图 (FBD)、连续功能图(CFC)、梯形图 (LD)、顺序功能图 (SFC)等 六 种 编程 语 言 ， 易于 实现 功 能 模 块 化 。

Otostudio集成了HMI编程工具，便于进行人机界面的开发 。且OtoStudio包含有控制方案编辑器和仿真调试器，可以进行离线仿真调试。

2 六自由度机器人控制系统软件设计2.1系统软件结构概述收稿日期：2013-02-27基金项目：广东省战略性新兴产业核心技术攻关项目(2011A091101003)；广东侍育部产学研结合项目(2012B091100023)作者简介：许阳 (1986-)，男，硕士研究生，研究方向为机器人运动控制。

第35卷 第5期 2013-05(下) 29 I 匐 化图l CPAC硬件架构图，伺服 机 何服驱动器六 自由度机器人控制系统按功能拈主要分为人机界面拈、运动控制拈、文件拈以及信息反馈拈等4个拈，机器人控制系统软件总体结构图如图2所示。其中人机界面拈主要由示教盒功能区、机器人坐标显示功能区、机器人示教操作功能区、关节参数功能区、示教列表操作功能区、关节状态功能区、手动控制功能区和状态反馈功能区组成。运动控制拈主要实现了机器人示教和再现等功能，是整个系统的核心拈。文件拈主要实现文件的创建、导入、保存以及转换等功能，而信息反馈拈的主要作用是实时采集和显示各个电机角度和机器人位姿状态，以及显示驱动器和正负限位的报警状态，还有伺服使能状态。本文将主要介绍运动控制拈实现的过程。

2.2 运动控制拈运动控制拈是联系运动控制器操作的拈，是整个机器人控制系统的核心。此拈又包含有机器人运动学运算模块、示教拈和再现拈3个子拈。其中运动学运算拈是其它两个子拈的基矗机器人运动学运算拈解决了点位运动轨迹、直线和圆弧运动轨迹 等-些轨迹 的规划问题，以及在示教过程中控制机器人位姿变化时所用到的机器人正逆解问题 。

2.2.1示教拈示教分为关节坐标示教和直角坐标示教两种 ，其 中关节坐标示教每次只使-个轴运动，其它关节维持姿态不变。而直角坐标示教是指机器人相对于基坐标系 (X、Y、Z)的直角坐标。直角示教时，机器人沿着定义的X、Y、Z方向运动，每次可能有多个轴参与运动。

机器人示教的实现大概分为以下五个步骤：1)通过功能块MC-MoveAbsolute(FuN)使机器人手爪 移动到-个示教点 ，即机器人手爪运动轨迹上的-个关键中间点 。在MC-MoveAbsolute(FUN)这个功能块里，调用库函数GT- PrfJog0将运动控制卡设置在JOG模式下，调用库函数GT-SetJogPrm0设置Jog运动参数，调用库函数GT-SetVel0设置目标速度，调用库函数GTUpdate0启动Jog模式运动。

2)通过功能块MC-ReadActualPosition(FUN)读取各个轴的当前位置并将读取的脉冲数量转化为关节坐标系下的角度值，依此保存到数组Axis-AtlPos 中，功能块MC-ReadActualPosition(FUN)如图3所示。

3)通过正向运动学拈ForwardKinematics(FUN)，将第二 步 中的 已知数组A Xi S-AtlPO S6中的变量值转 化成直 角坐标 系下手 爪 的 位 置 和 方 向 ， 并 分 别 保 存 到 数 组HandCurrTn3和HandCurAngle[3，3中。其中ForwardKinematics(FUN)这个拈主要是通过机器[301 第35卷 第5期 2013-05(下)图2 机器人控制系统软件总体结构图