??? 摘 ?要： 以蒸汽發(fā)生器六自由度檢修機械臂" title="機械臂">機械臂為應用背景，給出六自由度檢修機械臂" title="檢修機械臂">檢修機械臂的硬件體系結構和上下位機軟件設計方法,。本設計方法在檢修機械臂控制系統(tǒng)" title="控制系統(tǒng)">控制系統(tǒng)的設計開發(fā)中取得了良好的效果,。
??? 關鍵詞： 檢修機械臂；嵌入式操作系統(tǒng),；SMC控制器,；CAN總線
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??? 蒸汽發(fā)生器(Steam Generator)是核動力裝置中一、二回路之間的連接樞紐，也是核動力裝置運行中發(fā)生故障最多的設備之一,。蒸汽發(fā)生器的故障大多是由于各種腐蝕使傳熱管或管與管板接頭處發(fā)生泄漏,，從而影響動力裝置的安全運行。由于蒸汽發(fā)生器中存在放射性物質,，當發(fā)生泄漏時,，人不能進入其中進行維修，這時就需要機械臂代替人完成維修工作,。機械臂檢修系統(tǒng)即通過六自由度機械臂對蒸汽發(fā)生器內部進行檢修和維護,。該機械臂有六個關節(jié)，六軸聯(lián)動,；主要用于蒸汽發(fā)生器（SG）一回路側檢修活動,。機械臂的手端裝有適配器，可以攜掛不同的檢修工具,，即可根據(jù)需要對蒸汽發(fā)生器實施不同程度的維護,。
??? 由于該機械臂的工作環(huán)境的特殊性，所以對機械臂整個控制系統(tǒng)的可靠性提出了更高的要求,，這就需要良好的硬件電路設計,、功能更強大的微處理器和更好的軟件實現(xiàn)方法。本文以蒸汽發(fā)生器六自由度檢修機械臂為應用背景,，給出六自由度檢修機械臂的硬件體系結構和上下位機軟件設計方法,。在硬件上采用TI公司的TMS320LF2407處理器作為主控制芯片組成SMC控制器，采用工控機" title="工控機">工控機作為監(jiān)控計算機,，SMC控制器與監(jiān)控計算機用CAN總線連接,。監(jiān)控計算機主要完成機械臂控制算法" title="控制算法">控制算法、數(shù)據(jù)記錄以及實時監(jiān)控,，SMC控制器實現(xiàn)機械臂的控制,、傳感器數(shù)據(jù)采集與通訊功能。在軟件上,，SMC控制器采用μC/OS-II嵌入式實時操作系統(tǒng),，并采用模塊化程序設計方法，方便軟件系統(tǒng)管理和后續(xù)升級,，在監(jiān)控計算機上采用Visual C++與OpenGL設計監(jiān)控軟件,。
1 檢修機械臂系統(tǒng)描述
??? 機械臂控制系統(tǒng)的組成框圖如圖1所示。
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??? 系統(tǒng)主要由分布在三個區(qū)域的裝置組成,。(1)位于核反應堆廠房外面的集裝箱內的配電系統(tǒng)和監(jiān)控系統(tǒng),；(2)位于蒸汽發(fā)生器附近的SMC控制器，最大距離可達到100m,；(3)位于蒸汽發(fā)生器下封頭附近的機械臂本體,、檢修工具,、監(jiān)控攝像頭，其中集裝箱與SMC控制器最大距離可達到150m,。
??? 下面介紹三部分之間的連接關系及主要功能,。
??? (1)集裝箱與SMC控制器：①由集裝箱內配電系統(tǒng)向SMC控制器提供220VAC、48VAC等電源輸出,；②集裝箱內監(jiān)控系統(tǒng)與SMC控制器采用現(xiàn)場總線通訊,；③集裝箱內監(jiān)控系統(tǒng)向SMC控制器提供遠程復位（Reset）信號；④SMC控制器向集裝箱內監(jiān)控系統(tǒng)提供自身工作狀態(tài)信號,。
??? (2)SMC控制器與機械臂本體：①SMC控制器向機械臂本體各直流伺服電機分別提供PWM直流伺服驅動信號,；②SMC控制器向機械臂本體各旋轉變壓器提供中頻勵磁信號；③SMC控制器向機械臂本體安裝偏差檢測電位器提供激勵信號,；④R旋轉變壓器向SMC控制器提供角度反饋信號,；⑤偏差檢測電位器向SMC控制器提供偏差檢測信號。
??? (3)集裝箱與機械臂本體：①由集裝箱內配電系統(tǒng)向機械臂本體供應檢修工具電源,、監(jiān)控攝像頭電源,、散熱裝置電源,；②SG附近監(jiān)控攝像頭向集裝箱內監(jiān)控系統(tǒng)提供監(jiān)控視頻,。
??? 由于機械臂控制算法計算量大、控制復雜,，所以采用上,、下位機的分布式控制方法來設計整個控制系統(tǒng)。
2 硬件電路設計
??? 機械臂控制系統(tǒng)有三個主要部件,，即工控機,、SMC控制器和機械臂本體。工控機主要負責機械臂控制算法,、正反解算法,、工作狀態(tài)顯示、數(shù)據(jù)記錄以及實時監(jiān)控,，保持與SMC控制器中六個關節(jié)控制板的實時通訊,；SMC控制器是機械臂的直接控制部件，它接收工控機通過CAN通訊傳過來的機械臂角度,、速度及加速度信息,，對機械臂本體進行相應的控制，同時將機械臂的關節(jié)角度及運行狀態(tài)參數(shù)通過CAN通訊傳給工控機,，機械臂本體接收SMC控制器的指令,，并按照指令要求做出機械動作，并將角度信號反饋給SMC控制器,。
2.1 ＳＭＣ控制器硬件電路設計
??? 系統(tǒng)的硬件框圖如圖2所示,。系統(tǒng)處理器采用TI公司的TMS320LF2407,它是TI公司新推出的高性能16位數(shù)字信號處理器,，是24X家族中的新成員，專門為電極控制與運動控制數(shù)字化實現(xiàn)而設計,。完全履行CAN2.0規(guī)范,，支持11位標準和29位擴展標識符，完全能滿足系統(tǒng)對電機控制與CAN通訊功能,。
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??? (1)為了反饋關節(jié)電機的位置,提高控制精度,使系統(tǒng)運行更加平穩(wěn),，在電機軸上和減速器后分別安裝了一只位置檢測元件旋轉變壓器，用旋轉變壓器-數(shù)字轉換器（RDC）進行軸角解碼,，將關節(jié)的位置轉換成21位的自然二進制碼送給DSP,，實現(xiàn)位置反饋。
??? (2)電機選取瑞士MAXON公司的RE系列石墨電刷直流電機,，額定電壓為24V,，電源由一個24V的開關電源提供。電機驅動橋采用SA60脈沖調制型的運算放大器,，原理圖如圖3所示,。它能給負載提供10A的連續(xù)電流，全橋運放可在較寬的電源電壓范圍內工作,。
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??? (3)關節(jié)電機電流檢測采用電流霍爾器件,，經(jīng)過運算放大器輸入到ＤＳＰ的Ａ/Ｄ轉換中，用于檢測機械臂關節(jié)電機是否過流,，由此判斷關節(jié)電機是否堵轉,。
2.2 通訊接口設計
??? ＣＡＮ總線是一種串行數(shù)據(jù)通訊協(xié)議，通訊速率可達１Mb/s,，采用光導纖維作為通訊介質,，保證了通訊的速率與可靠性。數(shù)據(jù)段長度最多為8個字節(jié),，可滿足一般系統(tǒng)控制命令,、工作狀態(tài)及檢測數(shù)據(jù)通訊的要求。同時8個字節(jié)不會占用總線時間過長,、保證了通訊的可靠性,。根據(jù)整個機械臂控制系統(tǒng)的特點，把工控機設為主控節(jié)點,，負責與機械臂關節(jié)控制節(jié)點之間的通訊,，對關節(jié)控制節(jié)點進行統(tǒng)一管理。
??? 工控機與機械臂關節(jié)控制節(jié)點之間采用問答式的通訊方式,，工控機將計算的各關節(jié)角度傳給關節(jié)控制板,，之后控制板將機械臂各關節(jié)的角度信息傳給工控機，數(shù)據(jù)交換完畢后控制板根據(jù)收到的角度信息控制機械臂,。工控機與關節(jié)控制板之間每隔0.1s交換一次數(shù)據(jù),，工控機每次都根據(jù)收到的角度信息進行正反解計算,。
??? (1)CAN總線驅動器采用PCA82C250，它是協(xié)議控制器和物理總線之間的接口,，該器件對總線提供差動發(fā)送能力并對CAN控制器提供差動額接收能力,，原理圖如圖4所示。CAN總線與DSP接口電路圖如圖5所示,。
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??? (2)工控機與DSP板的CAN通訊采用CAN接口卡ＰＣＩ－５１１０,，其作用是給計算機增加CAN-Bus現(xiàn)場總線接口功能。
3 軟件系統(tǒng)設計
????機械臂控制系統(tǒng)的軟件設計包括兩部分：下位機ＳＭＣ控制器的控制軟件設計和上位機監(jiān)控軟件設計,。
3.1 下位機軟件設計
????μC/OS-II是專門為微處理器設計的一種搶占式實時多任務操作系統(tǒng),，與傳統(tǒng)的ＤＳＰ系統(tǒng)開發(fā)相比，其利用多任務管理,、任務間同步與通信等特點,，可以在一定程度上提高系統(tǒng)的可靠性和實時性，滿足機械臂控制系統(tǒng)對位置信息采集,、ＣＡＮ通訊以及電流采集的實時性要求,。
??? 軟件以TMS320LF2407的Ｔ０定時器作為操作系統(tǒng)的時鐘中斷源，中斷周期為1ms,。創(chuàng)建位置環(huán)任務,、速度環(huán)任務、Ａ/Ｄ轉換任務,、ＣＡＮ通訊任務和角度采集,，根據(jù)機械臂系統(tǒng)的工作特性和功能要求,，系統(tǒng)任務劃分如圖６所示,。系統(tǒng)任務間的通信和同步用到的系統(tǒng)服務有消息郵箱和信號量。信號量用于控制共享資源的使用權及激發(fā)其他任務的產(chǎn)生,，消息郵箱用于通知任務的產(chǎn)生,；本系統(tǒng)中的任務分為三種:定時產(chǎn)生的任務，由其他任務激活而不需要等待的任務,，由中斷觸發(fā)產(chǎn)生的任務,。圖６同時也反映本系統(tǒng)任務調度情況。
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3.2 機械臂控制器設計
??? 機械臂控制原理框圖如圖7所示,。
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??? 控制器由串聯(lián)的三個環(huán)構成,，其中包括兩個模擬內環(huán)（電流環(huán)，速度環(huán)）和一個控制環(huán),。
??? 控制算法綜合采用積分PID控制算法和帶死區(qū)PID控制算法：積分分離PID控制算法既能保證系統(tǒng)有較快的響應速度,，又有較高的控制精度；帶死區(qū)PID控制可使機械裝置運動到位后,，控制作用不會頻繁變動,，避免不必要的機械磨損,。這兩種控制算法魯棒性好,、可靠性高、算法簡單,，能滿足系統(tǒng)的控制要求。
3.3 系統(tǒng)main函數(shù)結構框架
??? 在主函數(shù)中用OSTaskCreate( )函數(shù)建立初始化任務Task Init( ),，初始化任務中建立一系列的信號量和郵箱,，喚醒時鐘中斷任務。建立置環(huán)任務,、速度環(huán)任務,、電流環(huán)任務、Ａ/Ｄ轉換任務,、ＣＡＮ通訊任務和角度采集等任務,。在μC/OS-II實時內核下整個程序的結構框架如下：
??? Viod main(void)???????????? //主函數(shù)
??? {
????? ?? 硬件初始化；
???????? OSInit(),；???????????? //內核的初始化
???????? 調用OSTaskCreate( )創(chuàng)建初始化任務Task Init( ),；
????????? OSStart( )；????????? //開始多任務調度
??? }
??? Viod TaskInit(void * data)? //任務初始化
??? {
??????? 硬件時鐘初始化,；
??? ??? 創(chuàng)建用戶任務,；
??????? 定時檢查系統(tǒng)的狀態(tài)；
??????? 定時復位看門狗,；
??? }
??? ISR//中斷服務程序
??? {
?????? 保存處理器寄存器的值,；
?????? OSIntEnter( )；
? ???? 執(zhí)行中斷函數(shù),；
?????? OSIntExit( ),；
?????? 恢復處理器寄存器的值；
?????? 中斷返回,；
??? }
3.4 工控機監(jiān)控軟件設計
??? 監(jiān)控軟件功能模式分為安裝,、工作、調試模式,。工作,、安裝模式分為實和虛兩種模式。工作過程是指機械臂腳趾已經(jīng)插到管板孔中并脹緊,、機械臂處于倒掛狀態(tài)后,，完成堵管和其他檢測的工作過程。安裝過程是指機械臂進入人孔,，其四個腳趾安裝到管板孔并脹緊的過程,。虛模式是計算機三維仿真，不控制實際的機械臂,。實模式給控制器發(fā)各種數(shù)據(jù)和信息,，通過控制器對機械臂的運動和操作進行控制,，實際機械臂的位置和姿態(tài)與三維仿真保持一致。
??? 監(jiān)控軟件按功能劃分為五大模塊：操作界面設計,、軌跡規(guī)劃與運動控制設計,、任務管理模塊設計、三維運動仿真模塊設計和系統(tǒng)維護與故障診斷模塊設計,。軟件功能結構如圖8所示,。
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??? 為滿足系統(tǒng)的控制與仿真功能，采用基于單文檔的OpenGL應用程序實現(xiàn)該監(jiān)控軟件,。
?監(jiān)控軟件的主要功能如下：
??? (1)主功能菜單：包括模式選擇,、作業(yè)方式選擇、安裝工作,、檢修工作選擇等,。
??? (2)參數(shù)設置：CAN通訊設置、機械臂PID控制參數(shù)設置等,。
??? (3)機械臂信息顯示：各關節(jié)位置姿態(tài)信息,、CAN通訊狀態(tài)、傳感器工作狀態(tài),、關節(jié)控制電機電流等,。
??? (4)機械臂控制：JOG單關節(jié)控制、JOY六關節(jié)聯(lián)動控制,、自動運行控制,、關節(jié)封鎖控制等。
??? (5)記錄模式及數(shù)據(jù)分析：檢修路徑選擇和記錄,，路徑優(yōu)化等,。
??? 本文以實際工程實踐中的蒸汽發(fā)生器六自由度檢修機械臂為研究對象，通過大量的理論研究和實際調試試驗,，設計了一套完整的機械臂控制系統(tǒng),。整套系統(tǒng)的控制精度、可靠性及動/靜態(tài)特性等均能達到技術要求,，可以很好地完成技術要求中的各項功能，并應用到實際工作中,。
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