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KUKA KRC4 00-168-334示教器

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库卡
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KRC4 00-168-334
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KUKA KRC4 00-168-334示教器
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工业机器人是集机械、电子、控制、计算机、传感器和人工智能等多学科于一体的先进生产装备[1],对未来生产和制造业的发展具有十分重要的意义,逐渐成为继汽车、飞机、计算机之后出现的又一战略性新兴产业[2-3]

  示教器是工业机器人的重要组成部分,是实现机器人控制和人机交互的手持终端设备[4]。典型的示教过程是操作者观察机器人及夹具相对于作业对象的位姿,通过操作示教器,反复调整示教点处的作业位姿和运动参数,然后将满足作业要求的数据记录下来,再转入下一点示教。示教过程结束后,机器人使用这些被记录的数据,经过插补运算就可以再现示教点上机器人位姿,进行重复作业,完成既定工作。

  国外实力较强的机器人厂商如ABB、KUKA等,其示教器均为自行研发[5]。瑞士ABB公司的Flex Pendant具有7.7英寸显示及触摸屏,并配有3D摇杆、按键等操作部件,支持热插拔,支持用户授权系统。德国KUKA公司的smartPAD具有8.4英寸高分辨率防眩光显示屏,可通过独立的手动按键分别控制各个轴运动。国内机器人厂商所用的示教器多为定制采购。

  本文面向通用6轴工业机器人,以TI公司的ARM CortexA8芯片AM3359为核心,自主研发了一款示教器。该示教器具有大尺寸显示和触摸屏,可以方便地进行操作;具有千兆以太网接口,可与机器人控制器进行高速通信;具有摇杆、按键等操作部件,可以方便地控制机器人的位姿;同时在示教器上设有三位安全开关和急停按钮,保证作业时的人员和设备安全。

1 示教器总体设计

  对于通用6轴工业机器人,考虑到功能完备性、操作便捷性和安全性,示教器应具备以下功能:

  1)存储功能:示教器应具有256MB以上的内存,保证系统的快速性;应具有256MB以上的非易失存储空间,用于存储系统镜像、应用程序和配置参数。

  2)显示和触摸输入功能:示教器应具有显示屏和触摸屏,方便用户进行程序编辑,并对位姿等信息进行显示。

  3)以太网通信功能:示教器应当具有100Mbps以上速率的以太网通信接口,和机器人主控制器进行高速通信,发送指令和接收状态信息。

  4)热插拔:示教器应当具有热插拔功能,方便在机器人运行时更换示教器,或者不需要时将其拔掉。

  5)摇杆:示教器应当具有摇杆等操作部件,以便分别控制各个轴的运动,调整机器人位姿。

  6)按键:为了方便地控制机器人启动、停止、步进和步退,需要在示教器上设置按键。

  7)USB接口:示教器应具有USB接口,以便连接U盘等外存设备,进行数据备份和配置加载。

  8)安全功能:为保证安全,示教器上需设置三位安全开关和急停按钮。三位安全开关保持在“电机开启”状态时才可以对机器人进行手动操作和程序调试。当出现紧急情况时,可通过按下急停按钮停止机器人的运动,保证设备和人员安全。

  根据以上功能需求,示教器总体设计方案如图1所示。

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2 示教器硬件设计与实现

2.1 CPU选型

  CPU是示教器的核心器件,在对CPU选型时,为了简化系统设计,应尽可能地减少外围电路。结合示教器的功能需求,***选用内部集成有以太网控制器、LCD控制器、触屏控制器和SDRAM控制器的CPU。

  综合考虑,我们选取了TI公司的ARM Cortex-A8微处理器AM3359。该芯片主频最高可达1GHz,具有DDR3控制器、LCD和触屏控制器、2个USB2.0高速OTG端口和8路ADC转换器;具有2个千兆以太网MAC控制器,支持RMII、RGMII等接口,支持NAND、NOR等通用存储器。此外,AM3359还具有可编程实时单元和工业通信子系统,支持EtherCAT协议,方便今后将示教器扩展为工业机器人EtherCAT网络中的一个节点。

2.2 电源电路设计与实现

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  示教器的电源输入为直流24V,在此基础上产生12V、5V、3.3V等电源,给外围电路和LCD背光等供电。为了实现外部电源与示教器内部电源的隔离,采用金升阳公司的DC-DC模块VRB2412LD实现24V到12V转换,转换时,在输入端加入2A的保险丝进行过流保护。采用金升阳公司的K7805-2000开关型稳压器,由12V变换出5V电源。选用TI公司的低压差稳压器TLV1117-3.3产生3.3V电源。

  为实现示教器热插拔功能,采用MAXIM公司的热插拔控制器MAX5902,能够限制浪涌电流,并提供过流保护。具体电路如图2所示。该热插拔电路简单易用,外部器件只需要一个P沟道MOSFET管。

  CPU供电方面,AM3359需要内核、MPU、DDR控制器、AD、USB模块等多轨供电。电源种类繁多,在此选取TI公司的电源管理芯片(PMIC) TPS65910,该芯片能够提供3路降压转换器、1路升压转换器和8路LDO,能够满足AM3359的供电需求,简化了电路设计。

2.3 存储电路设计与实现

  AM3359具有DDR3控制器,在此基础上扩展了2GB的DDR3 SDRAM存储器,SDRAM选用Micron公司的MT41K256M16。具体实现时,SDRAM通过地址线DDR_A[14:0],地址线DDR_BA[2:0],数据线DDR_D[15:0]、行选线DDR_CAS、列选线DDR_RAS、写使能DDR_WE等控制信号与AM3359连接。采用TI公司的终端稳压器TPS51200为DDR3内存提供稳定的端接电源和参考电压,具体电路如图3所示。

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  通过AM3359的内置通用存储控制器(GPMC),扩展了4GB的NAND Flash。在具体实现时,AM3359与Flash通过地址和数据线GPMC_AD[7:0]、写使能GPMC_WEN、读使能GMPC_REN、地址锁存线GPMC_ALE和命令锁存线GPMC_CLE进行连接。

2.4 显示和触摸输入电路设计与实现

  AM3359带有LCD控制器,可支持24位数据输出。在本设计中扩展了8.4英寸TFT LCD真彩色液晶屏。具体实现时,通过LVDS平板显示发射器,将LCD_DATA[23:0]、LCD_PCLK、LCD_VSYNC、LCD_HSYNC、LCD_AC_BIAS_EN等28位LVTTL电平的并行LCD信号转换为差分串行LVDS信号传输,提高了抗干扰能力。

  另扩展一个8.4英寸4线电阻式触摸屏,与AM3359的4线触摸屏控制器(TSC)相连,占用AM3359的模拟输入通道AIN[3:0]。

2.5 以太网通信电路设计与实现

  在AM3359内置的千兆以太网控制器(MACs)基础上,外部扩展PHY。选用ATHEROS公司的10/100/1000Mbps三速以太网PHY芯片AR8031实现。AM3359与AR8031接口方式为RGMII,采用4位数据接口,工作时钟为125MHz,接口引脚有RXD[3:0]、TXD[3:0]、RXDV、RXCLK、TXCLK、GMII_COL、RESET等,共14根接口线。另外选用集成有网络隔离变压器的RJ45插座。

2.6 摇杆电路设计与实现

  选用三轴霍尔型摇杆,支持X、Y、Z轴连续模拟量输出以及1路按钮开关量输出。X、Y、Z轴输出电压范围为0.5V~4.5V,通过电阻分压电路转换后,送入AM3359的ADC转换通道AIN4-AIN6进行采集。按键开关量则通过AM3359的GPIO3_17读取。

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2.7 按键设计与实现

  示教器上共有8个按键,其中4个分别为启动、停止、步进和步退控制键,另外4个为自定义功能键,可由用户自行定义。在实现时,采用4*2的矩阵式薄膜键盘,键盘的行扫描线接到AM3359的GPIO0_2~ GPIO0_5引脚上,列扫描线接到AM3359的GPIO3_20~ GPIO3_21引脚上,由AM3359扫描读取各键值。

2.8 USB接口电路设计与实现

  AM3359的USB2.0端口集成有PHY,因此,很方便扩展出USB接口。在实现时,用功率分配开关芯片TPS2051来控制5V电源和VBUS之间的通路和断路。在USB数据线上放置共模滤波器来抑制噪声。将AM3359的USB_ID脚接地,使USB PHY工作在host模式。具体电路如图4所示。
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