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

摘要：本文提出了一種工業(yè)機(jī)器人示教器設(shè)計和實(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開發(fā)框架，對示教器軟件進(jìn)行了模塊化設(shè)計。該示教器已經(jīng)成功應(yīng)用于6軸機(jī)器人本體。

引言

　　工業(yè)機(jī)器人是集機(jī)械、電子、控制、計算機(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]，對未來生產(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]。典型的示教過程是操作者觀察機(jī)器人及夾具相對于作業(yè)對象的位姿，通過操作示教器，反復(fù)調(diào)整示教點(diǎn)處的作業(yè)位姿和運(yùn)動參數(shù)，然后將滿足作業(yè)要求的數(shù)據(jù)記錄下來，再轉(zhuǎn)入下一點(diǎn)示教。示教過程結(jié)束后，機(jī)器人使用這些被記錄的數(shù)據(jù)，經(jīng)過插補(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KUKA公司的smartPAD具有8.4英寸高分辨率防眩光顯示屏，可通過獨(dú)立的手動按鍵分別控制各個軸運(yùn)動。國內(nèi)機(jī)器人廠商所用的示教器多為定制采購。

　　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;同時在示教器上設(shè)有三位安全開關(guān)和急停按鈕，保證作業(yè)時的人員和設(shè)備安全。

1 示教器總體設(shè)計

　　對于通用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以上的非易失存儲空間，用于存儲系統(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)行時更換示教器，或者不需要時將其拔掉。

　　5)搖桿：示教器應(yīng)當(dāng)具有搖桿等操作部件，以便分別控制各個軸的運(yùn)動，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、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)置三位安全開關(guān)和急停按鈕。三位安全開關(guān)保持在“電機(jī)開啟”狀態(tài)時才可以對機(jī)器人進(jìn)行手動操作和程序調(diào)試。當(dāng)出現(xiàn)緊急情況時，可通過按下急停按鈕停止機(jī)器人的運(yùn)動，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)計方案如圖1所示。

2 示教器硬件設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

2.1 CPU選型

　　CPU是示教器的核心器件，在對CPU選型時，為了簡化系統(tǒng)設(shè)計，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USB2.0高速OTG端口和8路ADC轉(zhuǎn)換器;具有2個千兆以太網(wǎng)MAC控制器，支持RMII、RGMII等接口，支持NAND、NOR等通用存儲器。此外，AM3359還具有可編程實(shí)時單元和工業(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)中的一個節(jié)點(diǎn)。

2.2 電源電路設(shè)計與實(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，采用金升陽公司的DC-DC模塊VRB2412LD實(shí)現(xiàn)24V到12V轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換時，在輸入端加入2A的保險絲進(jìn)行過流保護(hù)。采用金升陽公司的K7805-2000開關(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，并提供過流保護(hù)。具體電路如圖2所示。該熱插拔電路簡單易用，外部器件只需要一個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，簡化了電路設(shè)計。

2.3 存儲電路設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

　　AM3359具有DDR3控制器，在此基礎(chǔ)上擴(kuò)展了2GB的DDR3 SDRAM存儲器，SDRAM選用Micron公司的MT41K256M16。具體實(shí)現(xiàn)時，SDRAM通過地址線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、寫使能DDR_WE等控制信號與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AM3359的內(nèi)置通用存儲控制器(GPMC)，擴(kuò)展了4GB的NAND Flash。在具體實(shí)現(xiàn)時，AM3359與Flash通過地址和數(shù)據(jù)線GPMC_AD[7:0]、寫使能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)計中擴(kuò)展了8.4英寸TFT LCD真彩色液晶屏。具體實(shí)現(xiàn)時，通過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信號轉(zhuǎn)換為差分串行LVDS信號傳輸，提高了抗干擾能力。

　　另擴(kuò)展一個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路按鈕開關(guān)量輸出。X、Y、Z軸輸出電壓范圍為0.5V～4.5V，通過電阻分壓電路轉(zhuǎn)換后，送入AM3359的ADC轉(zhuǎn)換通道AIN4-AIN6進(jìn)行采集。按鍵開關(guān)量則通過AM3359的GPIO3_17讀取。

2.7 按鍵設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

　　示教器上共有8個按鍵，其中4個分別為啟動、停止、步進(jìn)和步退控制鍵，另外4個為自定義功能鍵，可由用戶自行定義。在實(shí)現(xiàn)時，采用4*2的矩陣式薄膜鍵盤，鍵盤的行掃描線接到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，用功率分配開關(guān)芯片TPS2051來控制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，按功能分為10個模塊，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，并對數(shù)據(jù)包進(jìn)行解析。

　　2)數(shù)據(jù)庫模塊：數(shù)據(jù)庫采用SQlite，存儲在控制器端。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：存儲從數(shù)據(jù)庫讀取的各種變量數(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)庫中日志信息讀取并顯示到界面上，并可根據(jù)日志級別、日志時間等進(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：通過使用輔助編程工具，可添加、刪除和修改指令，完成對程序的編輯工作，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)對示教器軟件系統(tǒng)用戶進(jìn)行權(quán)限管理，防止越級操作或誤操作。

　　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)計與實(shí)現(xiàn)

　　結(jié)合示教器軟件的功能劃分，對其進(jìn)行了系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計。架構(gòu)圖如圖5所示。整個軟件系統(tǒng)架構(gòu)分為四層，第4層為通信客戶端和數(shù)據(jù)庫;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)庫讀寫的接口操作功能;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)計實(shí)現(xiàn)，采用C++語言開發(fā)。運(yùn)行于嵌入式Linux系統(tǒng)中。

4 測試結(jié)果與討論

　　在通用6軸機(jī)器人樣機(jī)上，對所設(shè)計的示教器進(jìn)行了測試，測試結(jié)果如下：

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

　　2)DDR3內(nèi)存工作于800MHz，讀寫無誤。

　　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個軸的電機(jī)轉(zhuǎn)動等干擾影響。

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

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

　　6)從用戶在示教器上啟動某項功能到機(jī)器人系統(tǒng)開始執(zhí)行功能的時間不超過300ms。

　　目前的示教器是通過集成電纜與機(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無線方式進(jìn)行連接，不僅可以大大減少工業(yè)現(xiàn)場布線，而且可以通過多點(diǎn)無線訪問方式實(shí)現(xiàn)一個示教器控制多個控制器。因此，研發(fā)能夠?qū)崟r、可靠通訊的無線示教器，是今后的發(fā)展方向。

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本文來源于中國科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2016年第7期第47頁，歡迎您寫論文時引用，并注明出處。