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摘要：控制器属于工业机器人的大脑，其设计的质量对工业机器人的性能、精度产生直接的影响。六轴工业机器人为工业机器人类型中的一种，运动控制的复杂性比较高，从我国现有的运动控制器来看，尚无法有效的满足其控制需求。基于此，本文在DSP基础上，分析了设计六轴工业机器人控制器的方法，旨在实现有效的控制六轴工业机器人运行，发挥其应用价值。
关键词：DSP；六轴工业机器人；控制器；设计
前言：制造领域中应用工业机器人之后，明显的提升了生产效率，并增强了行业的信息化与工业化程度，实现制造行业的繁荣发展。随着工业机器人应用领域的不断拓宽，关于工业机器人及其控制器的研究逐渐增多，并形成了较好的研究成果。六轴工业机器人运动时，要对六轴联动做出科学的控制，由于现有控制器無法满足其实时性与精度的要求，还需要在相应技术基础上有针对性的研究，由此可见，本文研究的开展具有十分重要的现实意义。
一、控制器设计需求分析
工业机器人性能实现时，控制器具有核心性的作用，通过其中的硬件及软件平台，为工业机器人的运动控制提供良好的支持。站在用户的角度上，控制器与黑箱子较为相似，用户使用时，只需将运动轨迹的起始、目标位置，路径约束条件输入到上位机中，之后，控制器可以根据自身的功能自动完成运动轨迹规划工作，并对末端执行器做出控制，使其运动轨迹与预先设置相同。基于上述分析，设计六轴工业机器人的控制器时，需求主要体现在以下三个方面：
第一，一个关节对应一个伺服系统，各个关节运动时，硬件架构要使其运动具备协调性，对每个伺服系统都能良好的兼容；第二，规划运动轨迹时，需求的算法比较复杂，如计算插值点、正解及逆解运动学等，坐标变换、矩阵逆运算的量非常大，硬件架构要对此给予良好的支撑；第三，控制6个伺服系统时，需求的I/O口比较多，同时，用户具备二次开发需求，因此，硬件架构中，带有的I/O数量要足够多，并能够与预留，以满足客户的需求。
二、控制器硬件设计
（一）电源设计
电路板中，重要组成部分即为电源，关系着电路板功能能否稳定的实现。设计电源时，要以电路板类型为依据，本文中需设计的电源用于控制器中，也就是需要设计DSP电源。通常，DSP电源电路应设计三种，第一种为DSP芯片内核电源，以1.9V作为供电电压；第二种为I/O口电源，电压3.3V，电平转换无需进行；第三种为模拟电路电源，属于ADC模块专用电源，电压3.3V。因供电电源的数量比较多，需要着重的考虑加电次序问题，对于DSP，上电、掉电次序及复位问题均需要进行妥善的设计。理想状态下，DSP芯片中，内核电源及I/O口电源的上电应同时进行，但由于实际实现难度非常大，因此，先进行上电的为I/O口电源和模拟电路电源，之后再进行内核电源的上电。基于此种上电顺序，设计时选用的芯片型号为LT1963A-33。
（二）模块通信设计
控制器控制六轴工业机器人时，PC机需要与DSP之间进行数据交换，以有效的调动各个关节，保证机器人正常运行。一般，控制卡人机交互界面的实现位置为上位机，而对于控制卡自身，运动轨迹规划算法需要实时执行，因此，上位机与控制卡通信时，要交换的数据量是非常大的，为保证通信正常进行，要求就有非常高的传输速率及实时性。设计之初，本文已经将直线插值点、圆弧插值点写入到DSP中，PC机仅需将轨迹运动命令发送给DSP即可，由此，上位机程序复杂程度可以有效降低，也简化了二者之间的通信。
（三）伺服模块设计
以松下A5伺服系统作为本文设计时所采用的伺服模块。首先，设计光耦模块，主要功能为输出，输入控制伺服驱动器的信号，如输入伺服ON、输出伺服准备等，部分控制器中的该模块用于控制伺服驱动器、反应伺服的工作状态等，由于伺服驱动器处于比较恶劣的工作环境中，干扰较大，设计时还需要进行抗干扰设计，光耦传递电信号时，媒介为光，能够良好的隔离输入输出的电信号，广泛的应用于工业中，本文中光耦隔离控制输入输出心电时，采用TLP521-4。其次，设计差分信号转换模块，伺服驱动器输出时，相共包含3个，分别为A相、B相、Z相，各相输出时，均为一组差分信号，差分信号具有非常强的抗干扰能力，可高度免疫外部电磁干扰，而且也不需要依赖“地”，提升传输可靠性，设计该模块时，采用的芯片为MC3486。最后，設计模拟量输出模块，速度模式为伺服驱动器工作时选择的模式，为能对电机转速做出控制，需要进行模拟量的接收，实现此功能时，采用数模转换电路法，如果采用专用D/A芯片，会大幅度的增加控制器的设计成本，而且占用的I/O接口也比较多，本文设计过程中，D/A转换构成应用PWM方式，即脉冲宽度调制方式。
三、控制器软件设计
（一）总体设计
在控制器中，包含上位机、下位机两部分，下位机控制器为本文研究的重点，因此，运动控制系统的上位机功能没有完全开发。控制系统较为成熟时，人机交互界面、规划运动轨迹等功能均需要在上位机实现，而实现插补算法、数据通信、伺服控制等为主要由下位机完成，如果正逆解运动学并未在上位机中进行，也可由下位机进行。具体说来，控制算法、数据存储、数据通信、伺服控制、I/O控制、伺服中断为控制器设计时总体的软件架构，这些软件模块中，部分运行在DSP上，部分运行在其他芯片上，共同实现控制器的各项功能。
（二）控制算法设计
本文所设计的控制器属于初级阶段产品，直线插值点、圆弧插值点均已经事先设计到了DSP内部，这些属于六轴工业机器人各个关节的理想位置，而关节轴实际位置的得到需要进行增量式编码解码，之后，DSP接收实际位置信息，并比较理想位置信息，将误差计算出来，对关节给进速度做出相应的调整，并输出相关信息，以能控制伺服系统，使末端执行器的方向运动误差降至最小。
（二）数据存储设计
DSP为能便利的开展程序调节工作，在数据存储模块中外扩了一个SRAM芯片，型号为IS61LVL416，该芯片具有比较大的存储容量，DSP调试时，会直接受到ARSM芯片的影响。测试SRAM芯片性能时，需要经历一系列的程序，由其整体流程可知，地址从0开始，依次的将0-0xFFFF数据写入，直至地址为0xFFFF，期间，验证工作也顺次的开展，测试完成后，要想了解错误信息情况，对变量error数值查看即可，最后对芯片性能作出判定。
（三）增量式编码器设计
伺服控制系统中广泛的应用增量式光电编码器，原因为其具有较高的精度、较快的响应速度及较为稳定的性能。此种编码器输出时，数字量无法直接输出，A相、B相与z相的脉冲信号为能够输出的，再经处理后，使转子转角及速度信息获得。在转子转角、转向基础上，增量式编码器可将一系列的脉冲信号输出，转角越多时，输出的脉冲信号数量越多，因此，转速越快，脉冲频率越高。关节轴实际位置信息需要经过增量式编码器解码得到，还需要针对编码器设计相应的解码器。
（四）双端口RAM通信模块设计
所谓双端口RAM，是指将数据线等加在SRAM芯片上，而且两端的均为独立的总线，对于内部存储数据，由两个端口共享，访问存储空间的时间并不受到限制。基于此，将两个单独的CPU设计在端口的两端，对存储空间做出访问时，两个CPU属于同时异步访问，实现数据听信。共享过程中，为防止数据冲突的存在，需要将仲裁机制加入其中，通过仲裁机制相关功能的发挥，保证控制器正常运行。双端口RAM构建过程中，使用存储单元块，型号为M9K，使其与DSP之间顺利通信，并提升端口的运行效率。
（五）限位急停模块设计
正负极限位置设计到控制器中后，能够有效的保证六轴工业机器人作业的安全性。实际工作过程中，关节轴的运动如果处于极限位置，会立即的停止运行与其所对应的电机，同时，电机不会接收到任何前进信号，且能够正常的接收反向运动信号，以此来保证运行安全。
结论：基于上述方法设计控制器后，能够有效的满足六轴工业机器人运功控制时的基本需求，但由于本文研究能力有限，加之科学技术的不断发展，还需要持续的进行更为深入的研究。
关键词：DSP；六轴工业机器人；控制器；设计
前言：制造领域中应用工业机器人之后，明显的提升了生产效率，并增强了行业的信息化与工业化程度，实现制造行业的繁荣发展。随着工业机器人应用领域的不断拓宽，关于工业机器人及其控制器的研究逐渐增多，并形成了较好的研究成果。六轴工业机器人运动时，要对六轴联动做出科学的控制，由于现有控制器無法满足其实时性与精度的要求，还需要在相应技术基础上有针对性的研究，由此可见，本文研究的开展具有十分重要的现实意义。
一、控制器设计需求分析
工业机器人性能实现时，控制器具有核心性的作用，通过其中的硬件及软件平台，为工业机器人的运动控制提供良好的支持。站在用户的角度上，控制器与黑箱子较为相似，用户使用时，只需将运动轨迹的起始、目标位置，路径约束条件输入到上位机中，之后，控制器可以根据自身的功能自动完成运动轨迹规划工作，并对末端执行器做出控制，使其运动轨迹与预先设置相同。基于上述分析，设计六轴工业机器人的控制器时，需求主要体现在以下三个方面：
第一，一个关节对应一个伺服系统，各个关节运动时，硬件架构要使其运动具备协调性，对每个伺服系统都能良好的兼容；第二，规划运动轨迹时，需求的算法比较复杂，如计算插值点、正解及逆解运动学等，坐标变换、矩阵逆运算的量非常大，硬件架构要对此给予良好的支撑；第三，控制6个伺服系统时，需求的I/O口比较多，同时，用户具备二次开发需求，因此，硬件架构中，带有的I/O数量要足够多，并能够与预留，以满足客户的需求。
二、控制器硬件设计
（一）电源设计
电路板中，重要组成部分即为电源，关系着电路板功能能否稳定的实现。设计电源时，要以电路板类型为依据，本文中需设计的电源用于控制器中，也就是需要设计DSP电源。通常，DSP电源电路应设计三种，第一种为DSP芯片内核电源，以1.9V作为供电电压；第二种为I/O口电源，电压3.3V，电平转换无需进行；第三种为模拟电路电源，属于ADC模块专用电源，电压3.3V。因供电电源的数量比较多，需要着重的考虑加电次序问题，对于DSP，上电、掉电次序及复位问题均需要进行妥善的设计。理想状态下，DSP芯片中，内核电源及I/O口电源的上电应同时进行，但由于实际实现难度非常大，因此，先进行上电的为I/O口电源和模拟电路电源，之后再进行内核电源的上电。基于此种上电顺序，设计时选用的芯片型号为LT1963A-33。
（二）模块通信设计
控制器控制六轴工业机器人时，PC机需要与DSP之间进行数据交换，以有效的调动各个关节，保证机器人正常运行。一般，控制卡人机交互界面的实现位置为上位机，而对于控制卡自身，运动轨迹规划算法需要实时执行，因此，上位机与控制卡通信时，要交换的数据量是非常大的，为保证通信正常进行，要求就有非常高的传输速率及实时性。设计之初，本文已经将直线插值点、圆弧插值点写入到DSP中，PC机仅需将轨迹运动命令发送给DSP即可，由此，上位机程序复杂程度可以有效降低，也简化了二者之间的通信。
（三）伺服模块设计
以松下A5伺服系统作为本文设计时所采用的伺服模块。首先，设计光耦模块，主要功能为输出，输入控制伺服驱动器的信号，如输入伺服ON、输出伺服准备等，部分控制器中的该模块用于控制伺服驱动器、反应伺服的工作状态等，由于伺服驱动器处于比较恶劣的工作环境中，干扰较大，设计时还需要进行抗干扰设计，光耦传递电信号时，媒介为光，能够良好的隔离输入输出的电信号，广泛的应用于工业中，本文中光耦隔离控制输入输出心电时，采用TLP521-4。其次，设计差分信号转换模块，伺服驱动器输出时，相共包含3个，分别为A相、B相、Z相，各相输出时，均为一组差分信号，差分信号具有非常强的抗干扰能力，可高度免疫外部电磁干扰，而且也不需要依赖“地”，提升传输可靠性，设计该模块时，采用的芯片为MC3486。最后，設计模拟量输出模块，速度模式为伺服驱动器工作时选择的模式，为能对电机转速做出控制，需要进行模拟量的接收，实现此功能时，采用数模转换电路法，如果采用专用D/A芯片，会大幅度的增加控制器的设计成本，而且占用的I/O接口也比较多，本文设计过程中，D/A转换构成应用PWM方式，即脉冲宽度调制方式。
三、控制器软件设计
（一）总体设计
在控制器中，包含上位机、下位机两部分，下位机控制器为本文研究的重点，因此，运动控制系统的上位机功能没有完全开发。控制系统较为成熟时，人机交互界面、规划运动轨迹等功能均需要在上位机实现，而实现插补算法、数据通信、伺服控制等为主要由下位机完成，如果正逆解运动学并未在上位机中进行，也可由下位机进行。具体说来，控制算法、数据存储、数据通信、伺服控制、I/O控制、伺服中断为控制器设计时总体的软件架构，这些软件模块中，部分运行在DSP上，部分运行在其他芯片上，共同实现控制器的各项功能。
（二）控制算法设计
本文所设计的控制器属于初级阶段产品，直线插值点、圆弧插值点均已经事先设计到了DSP内部，这些属于六轴工业机器人各个关节的理想位置，而关节轴实际位置的得到需要进行增量式编码解码，之后，DSP接收实际位置信息，并比较理想位置信息，将误差计算出来，对关节给进速度做出相应的调整，并输出相关信息，以能控制伺服系统，使末端执行器的方向运动误差降至最小。
（二）数据存储设计
DSP为能便利的开展程序调节工作，在数据存储模块中外扩了一个SRAM芯片，型号为IS61LVL416，该芯片具有比较大的存储容量，DSP调试时，会直接受到ARSM芯片的影响。测试SRAM芯片性能时，需要经历一系列的程序，由其整体流程可知，地址从0开始，依次的将0-0xFFFF数据写入，直至地址为0xFFFF，期间，验证工作也顺次的开展，测试完成后，要想了解错误信息情况，对变量error数值查看即可，最后对芯片性能作出判定。
（三）增量式编码器设计
伺服控制系统中广泛的应用增量式光电编码器，原因为其具有较高的精度、较快的响应速度及较为稳定的性能。此种编码器输出时，数字量无法直接输出，A相、B相与z相的脉冲信号为能够输出的，再经处理后，使转子转角及速度信息获得。在转子转角、转向基础上，增量式编码器可将一系列的脉冲信号输出，转角越多时，输出的脉冲信号数量越多，因此，转速越快，脉冲频率越高。关节轴实际位置信息需要经过增量式编码器解码得到，还需要针对编码器设计相应的解码器。
（四）双端口RAM通信模块设计
所谓双端口RAM，是指将数据线等加在SRAM芯片上，而且两端的均为独立的总线，对于内部存储数据，由两个端口共享，访问存储空间的时间并不受到限制。基于此，将两个单独的CPU设计在端口的两端，对存储空间做出访问时，两个CPU属于同时异步访问，实现数据听信。共享过程中，为防止数据冲突的存在，需要将仲裁机制加入其中，通过仲裁机制相关功能的发挥，保证控制器正常运行。双端口RAM构建过程中，使用存储单元块，型号为M9K，使其与DSP之间顺利通信，并提升端口的运行效率。
（五）限位急停模块设计
正负极限位置设计到控制器中后，能够有效的保证六轴工业机器人作业的安全性。实际工作过程中，关节轴的运动如果处于极限位置，会立即的停止运行与其所对应的电机，同时，电机不会接收到任何前进信号，且能够正常的接收反向运动信号，以此来保证运行安全。
结论：基于上述方法设计控制器后，能够有效的满足六轴工业机器人运功控制时的基本需求，但由于本文研究能力有限，加之科学技术的不断发展，还需要持续的进行更为深入的研究。