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

摘要：本文提出了一種工業(yè)機(jī)器人示教器設(shè)計(jì)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(duì)示教器軟件進(jìn)行了模塊化設(shè)計(jì)。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(jì)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(duì)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(jì)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(duì)于作業(yè)對(duì)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(dòng)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(guó)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(guó)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(dòng)按鍵分別控制各個(gè)軸運(yùn)動(dòng)。國(guó)內(nèi)機(jī)器人廠商所用的示教器多為定制采購(gòu)。

　　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(shí)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(shí)的人員和設(shè)備安全。

1 示教器總體設(shè)計(jì)

　　對(duì)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(chǔ)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(chǔ)空間，用于存儲(chǔ)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(duì)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(shí)更換示教器，或者不需要時(shí)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(gè)軸的運(yùn)動(dòng)，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(dòng)、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(shí)才可以對(duì)機(jī)器人進(jìn)行手動(dòng)操作和程序調(diào)試。當(dāng)出現(xiàn)緊急情況時(shí)，可通過按下急停按鈕停止機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)，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(jì)方案如圖1所示。

2 示教器硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 CPU選型

　　CPU是示教器的核心器件，在對(duì)CPU選型時(shí)，為了簡(jiǎn)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)，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(gè)USB2.0高速OTG端口和8路ADC轉(zhuǎn)換器;具有2個(gè)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(chǔ)器。此外，AM3359還具有可編程實(shí)時(shí)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(gè)節(jié)點(diǎn)。

2.2 電源電路設(shè)計(jì)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(yáng)公司的DC-DC模塊VRB2412LD實(shí)現(xiàn)24V到12V轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換時(shí)，在輸入端加入2A的保險(xiǎn)絲進(jìn)行過流保護(hù)。采用金升陽(yáng)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(jiǎn)單易用，外部器件只需要一個(gè)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(jiǎn)化了電路設(shè)計(jì)。

2.3 存儲(chǔ)電路設(shè)計(jì)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(chǔ)器，SDRAM選用Micron公司的MT41K256M16。具體實(shí)現(xiàn)時(shí)，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(hào)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(chǔ)控制器(GPMC)，擴(kuò)展了4GB的NAND Flash。在具體實(shí)現(xiàn)時(shí)，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(jì)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(jì)中擴(kuò)展了8.4英寸TFT LCD真彩色液晶屏。具體實(shí)現(xiàn)時(shí)，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(hào)轉(zhuǎn)換為差分串行LVDS信號(hào)傳輸，提高了抗干擾能力。

　　另擴(kuò)展一個(gè)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(jì)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(shí)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(jì)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(jì)與實(shí)現(xiàn)

　　示教器上共有8個(gè)按鍵，其中4個(gè)分別為啟動(dòng)、停止、步進(jìn)和步退控制鍵，另外4個(gè)為自定義功能鍵，可由用戶自行定義。在實(shí)現(xiàn)時(shí)，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(jì)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(shí)，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(jì)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(jì)，按功能分為10個(gè)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(duì)數(shù)據(jù)包進(jìn)行解析。

　　2)數(shù)據(jù)庫(kù)模塊：數(shù)據(jù)庫(kù)采用SQlite，存儲(chǔ)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(chǔ)從數(shù)據(jù)庫(kù)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(kù)中日志信息讀取并顯示到界面上，并可根據(jù)日志級(jí)別、日志時(shí)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(gè)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(duì)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(duì)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(duì)示教器軟件系統(tǒng)用戶進(jìn)行權(quán)限管理，防止越級(jí)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(dòng)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(gè)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(jì)與實(shí)現(xiàn)

　　結(jié)合示教器軟件的功能劃分，對(duì)其進(jìn)行了系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)。架構(gòu)圖如圖5所示。整個(gè)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(kù);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(kù)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(jì)實(shí)現(xiàn)，采用C++語(yǔ)言開發(fā)。運(yùn)行于嵌入式Linux系統(tǒng)中。

4 測(cè)試結(jié)果與討論

　　在通用6軸機(jī)器人樣機(jī)上，對(duì)所設(shè)計(jì)的示教器進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)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(wú)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(gè)軸的電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)等干擾影響。

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

　　5)搖桿的3個(gè)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(dòng)某項(xiàng)功能到機(jī)器人系統(tǒng)開始執(zhí)行功能的時(shí)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(wú)線方式進(jìn)行連接，不僅可以大大減少工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)布線，而且可以通過多點(diǎn)無(wú)線訪問方式實(shí)現(xiàn)一個(gè)示教器控制多個(gè)控制器。因此，研發(fā)能夠?qū)崟r(shí)、可靠通訊的無(wú)線示教器，是今后的發(fā)展方向。

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