專利名稱：一種基于嵌入式系統(tǒng)的爬行式焊接機(jī)器人手持式控制器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型屬于爬行式焊接機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域，特別是關(guān)于一種基于嵌入式系統(tǒng)的爬行式焊接機(jī)器人手持式控制器。
背景技術(shù)：
在金屬制造業(yè)中，焊接是僅次于裝配和機(jī)加工的第三大產(chǎn)業(yè)。在焊接生產(chǎn)中采用機(jī)器人技術(shù)，實(shí)現(xiàn)焊接自動(dòng)化已成為焊接技術(shù)現(xiàn)代化的主要標(biāo)志。工業(yè)機(jī)器人已經(jīng)在結(jié)構(gòu)化環(huán)境(特別是工廠)內(nèi)的焊接作業(yè)中得到廣泛應(yīng)用，如汽車工業(yè)、電子工業(yè)。但是，對大型鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件，由于工作范圍大，必須進(jìn)行現(xiàn)場焊接。此類焊接作業(yè)具有現(xiàn)場條件復(fù)雜、焊接施工量大、焊縫不規(guī)則以及焊接工藝復(fù)雜等特點(diǎn)，大型鋼結(jié)構(gòu)現(xiàn)場焊接的自動(dòng)化仍處于初級階段。采用爬行式焊接機(jī)器人可以克服現(xiàn)有設(shè)備的不足與局限。爬行式焊接機(jī)器人與工業(yè)機(jī)器人最大的不同在于焊接平臺(tái)并不是固定式的，而是隨著焊接的過程保持移動(dòng)的。 利用磁吸附原理吸附在鋼制或鐵制工件上，通過激光傳感器實(shí)現(xiàn)焊縫的自動(dòng)跟蹤和自主移動(dòng)，可在平面、垂直面、曲面進(jìn)行全位置焊接。爬行式焊接機(jī)器人工作之前必須對其進(jìn)行定位和校準(zhǔn)，并且設(shè)置各種參數(shù)。機(jī)器人開始焊接后具備自主跟蹤焊縫全位置焊接的智能，但是因其工作環(huán)境的特殊性，機(jī)器人安裝的傳感器有限，某些工作條件下(如焊接起弧前)需要對其姿態(tài)和焊槍位置進(jìn)行人為的調(diào)整。另外，處理不同的工作對象，需要采用不同的焊接工藝，此時(shí)無論機(jī)器人本體的運(yùn)動(dòng)參數(shù)還是焊接參數(shù)都需要實(shí)時(shí)的設(shè)置和修改。這些工作可以通過一臺(tái)計(jì)算機(jī)來實(shí)現(xiàn)，但是不方便在現(xiàn)場進(jìn)行控制，因此，能完成上述工作的一臺(tái)手持式的控制設(shè)備是非常必要的。從控制對象來看，爬行式焊接機(jī)器人本體是一個(gè)輪式移動(dòng)平臺(tái)，焊槍的運(yùn)動(dòng)通過十字滑塊和擺動(dòng)器實(shí)現(xiàn)，其中十字滑塊控制焊槍橫向位移和高度，擺動(dòng)器在焊槍原來的運(yùn)動(dòng)軌跡上添加橫向的來回?cái)[動(dòng)。此外移動(dòng)平臺(tái)上安裝了一個(gè)云臺(tái)攝像頭，以實(shí)時(shí)監(jiān)控周圍環(huán)境。焊接的參數(shù)主要有焊接電壓和焊接電流。焊接速度即為移動(dòng)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)速度；焊槍的擺動(dòng)參數(shù)包括擺動(dòng)頻率、擺動(dòng)幅度和停留時(shí)間；對云臺(tái)攝像頭的控制包括云臺(tái)的運(yùn)動(dòng)以及圖像放大縮小的指令?，F(xiàn)有的手持式控制器不能直接應(yīng)用于爬行式焊接機(jī)器人這是因?yàn)榫徒涌趤碚f，焊接機(jī)器人和手持式控制器的通訊端口是基于CAN總線，因此其應(yīng)用層的通訊協(xié)議是自定義的特殊協(xié)議；另外，十字滑塊和擺動(dòng)器的移動(dòng)、移動(dòng)平臺(tái)本體的移動(dòng)，都是焊接機(jī)器人獨(dú)有的控制方式，現(xiàn)有的手持式控制器不改變軟件功能很難直接應(yīng)用。
發(fā)明內(nèi)容為了克服現(xiàn)有的手持式控制器存在的上述問題，現(xiàn)在特別提出一種能夠獲取控制人員指令，顯示當(dāng)前控制狀態(tài)和設(shè)置參數(shù)、并且能夠與爬行式焊接機(jī)器人中央控制器進(jìn)行實(shí)時(shí)通訊的一種基于嵌入式系統(tǒng)的爬行式焊接機(jī)器人手持式控制器。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型采取以下技術(shù)方案[0008]一種基于嵌入式系統(tǒng)的爬行式焊接機(jī)器人手持式控制器，包括整體框架，其特征在于所述整體框架包括基于ARM Cotex-M3架構(gòu)的中央處理模塊、控制指令輸入模塊以及基于IXD液晶屏的顯不|旲塊；所述中央處理模塊包括中央處理器和外圍接口模塊，所述中央處理器為32位的ARM單片機(jī)；外圍接口模塊包括包含CAN總線通訊模塊、GPI0、并行數(shù)字IO接口和AD模數(shù)轉(zhuǎn)換；中央處理器與外圍接口模塊信號連通；接收由指令輸入模塊傳回的控制指令，經(jīng)過分析和處理后再通過外圍接口發(fā)送控制信號給爬行式機(jī)器人的主控制器，所述CAN總線通信模塊連接中央控制模塊與被控對象，控制命令通過CAN總線通信模塊傳送到爬行式焊接機(jī)器人的中央控制器； 所述指令輸入模塊包括按鈕開關(guān)及電位器旋鈕，它們與中央控制模塊通過GPIO和AD模數(shù)傳感器相連接；所述LCD液晶屏與中央控制模塊的并行數(shù)字IO接口相連接，實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前控制對象、狀態(tài)及參數(shù)信息；軟件部分包括嵌入式μ COS-II控制系統(tǒng)、硬件驅(qū)動(dòng)程序以及在控制系統(tǒng)上運(yùn)行的應(yīng)用程序。所述中央控制模塊的處理器采用TI的32位LM3S5749單片機(jī)，主頻50MHz，其內(nèi)核架構(gòu)支持μ cos-π嵌入式操作系統(tǒng)。所述手持控制器的外設(shè)和接口包括FLASH閃存、RAM隨機(jī)存儲(chǔ)單元、UART通用串行接口、CAN總線接口、USB總線接口、IIC接口、SD卡接口 ；所述IXD液晶屏采用HS 12864-15C模塊，分辨率128 X 64，自帶簡體中文字庫，支持串行和并行數(shù)字I/o。所述軟件部分應(yīng)用可裁剪的μ COS-II 2. 52作為其操作系統(tǒng)。所述應(yīng)用軟件包含讀取按鍵、讀取AD、數(shù)據(jù)處理、顯示、通訊多個(gè)實(shí)時(shí)任務(wù)，任務(wù)之間通過操作系統(tǒng)提供的互斥型事件服務(wù)進(jìn)行信息交互。本實(shí)用新型由于采取以上技術(shù)方案，具備以下特點(diǎn)I、本實(shí)用新型針對爬行式焊接機(jī)器人的應(yīng)用，采用嵌入式系統(tǒng)。具備良好的安全性、穩(wěn)定性及可靠性，具備較強(qiáng)的可擴(kuò)展性。2、本實(shí)用新型采用基于ARM Cotex_M3架構(gòu)的微處理器，在使用性能、兼容性、可擴(kuò)展性及成本等要素之間找到了平衡點(diǎn)。針對于爬行式焊接機(jī)器人手持式控制器的應(yīng)用，模塊具有工作性能高、功耗低、成本低的優(yōu)點(diǎn)。3、 本實(shí)用新型嵌入了針對本應(yīng)用需要特殊裁剪的μ COS-II操作系統(tǒng)。通過操作系統(tǒng)提供的合理的任務(wù)調(diào)度、功能強(qiáng)大的互斥型事件機(jī)制，提高了軟件的可靠性?；诙嗳蝿?wù)的應(yīng)用程序可移植性強(qiáng)，開發(fā)難度和成本也大大降低。4、 針對控制對象的特點(diǎn)，本實(shí)用新型的核心程序?yàn)榛讦?COS-II的多任務(wù)應(yīng)用程序，實(shí)現(xiàn)了控制指令檢測獲取、數(shù)據(jù)處理、狀態(tài)顯示、命令發(fā)送等多個(gè)功能實(shí)時(shí)運(yùn)行，能夠保證用戶指令和參數(shù)以最快的響應(yīng)準(zhǔn)確發(fā)送到爬行式焊接機(jī)器人的主控制器上。5、本實(shí)用新型的手持式控制器與爬行式焊接機(jī)器人中央控制模塊之間采用CAN總線連接，避免了復(fù)雜布線與可能出現(xiàn)的接口沖突。同時(shí)CAN總線的傳輸機(jī)制保證了數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性。

圖I是本實(shí)用新型系統(tǒng)整體框架示意圖。圖2是本實(shí)用新型軟件整體架構(gòu)示意圖。附圖中中央控制模塊1，指令輸入模塊2，顯示模塊3，手持式控制器應(yīng)用程序4，硬件驅(qū)動(dòng)5，μ COSII操作系統(tǒng)內(nèi)核6，爬行式焊接機(jī)器人中央控制器7 ；中央控制器電路11，輸入端數(shù)字IO接口 12，輸出端數(shù)字IO接口 13，AD模數(shù)轉(zhuǎn)換14，CAN總線通訊模塊15 ；按鈕開關(guān)21，電位器旋鈕22。
具體實(shí)施方式
·一種基于嵌入式系統(tǒng)的爬行式焊接機(jī)器人手持式控制器，包括整體框架，硬件部分和軟件部分，其特征在于所述整體框架包括基于ARM Cotex-M3架構(gòu)的中央處理模塊、控制指令輸入模塊以及基于LCD液晶屏的顯示模塊；所述中央處理模塊包括中央處理器和外圍接口模塊，所述中央處理器為32位的ARM單片機(jī)；外圍接口模塊包括包含CAN總線通訊模塊、GPI0、并行數(shù)字IO接口和AD模數(shù)轉(zhuǎn)換；中央處理器與外圍接口模塊信號連通；接收由指令輸入模塊傳回的控制指令，經(jīng)過分析和處理后再通過外圍接口發(fā)送控制信號給爬行式機(jī)器人的主控制器，所述CAN總線通信模塊連接中央控制模塊與被控對象，控制命令通過CAN總線通信模塊傳送到爬行式焊接機(jī)器人的中央控制器；所述指令輸入模塊包括按鈕開關(guān)及電位器旋鈕，它們與中央控制模塊通過GPIO和AD模數(shù)傳感器相連接；所述LCD液晶屏與中央控制模塊的并行數(shù)字IO接口相連接，實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前控制對象、狀態(tài)及參數(shù)信息；軟件部分包括嵌入式μ COS-II控制系統(tǒng)、硬件驅(qū)動(dòng)程序以及在控制系統(tǒng)上運(yùn)行的應(yīng)用程序。所述中央控制模塊的處理器采用TI的32位LM3S5749單片機(jī)，主頻50MHz，其內(nèi)核架構(gòu)支持μ cos-π嵌入式操作系統(tǒng)。所述手持控制器的外設(shè)和接口包括FLASH閃存、RAM隨機(jī)存儲(chǔ)單元、UART通用串行接口、CAN總線接口、USB總線接口、IIC接口、SD卡接口 ；所述IXD液晶屏采用HS 12864-15C模塊，分辨率128 X 64，自帶簡體中文字庫，支持串行和并行數(shù)字I/o。所述軟件部分應(yīng)用可裁剪的μ COS-II 2. 52作為其操作系統(tǒng)。所述應(yīng)用軟件包含讀取按鍵、讀取AD、數(shù)據(jù)處理、顯示、通訊多個(gè)實(shí)時(shí)任務(wù)，任務(wù)之間通過操作系統(tǒng)提供的互斥型事件服務(wù)進(jìn)行信息交互。
以下結(jié)合附圖對本實(shí)用新型進(jìn)行更為詳細(xì)的描述。如圖I所示，本實(shí)用新型整體框架包括基于ARM CotexM3架構(gòu)的中央控制模塊I、指令輸入模塊2和基于LCD液晶屏的顯示模塊3。本實(shí)用新型硬件部分主要包括中央控制器電路11、外圍接口電路(輸入端數(shù)字IO接口 12、輸出端數(shù)字IO接口 13、AD模數(shù)轉(zhuǎn)換14、CAN總線通訊模塊15)、顯示模塊3、按鈕開關(guān)21以及電位器旋鈕22。中央處理器11通過外圍接口獲取由按鈕開關(guān)21及電位器旋鈕22發(fā)送回來的數(shù)字信號和模擬信號，進(jìn)過處理后通過外圍接口將部分?jǐn)?shù)據(jù)發(fā)送到顯示模塊3，同時(shí)將控制指令封裝成命令形式通過外圍接口發(fā)送給下層的爬行式焊接機(jī)器人中央控制器7。本實(shí)用新型中，中央處理器11采用LM3S5749芯片，主頻50MHz，支持μ COSII嵌入式操作系統(tǒng)，外設(shè)和接口包括FLASH閃存、RAM隨機(jī)存儲(chǔ)單元、UART通用串行接口、CAN總線接口、USB總線接口、IIC接口、SD卡接口等。本實(shí)用新型在IIC接口上擴(kuò)展了一片2KB的EEPR0M,以便保存一些常用焊接參數(shù)，方便用戶操作。指令輸入模塊2包括按鈕開關(guān)21和電位器旋鈕22，其中按鈕開關(guān)21通過數(shù)字IO接口 12與中央處理器11相連，電位器旋鈕22則通過AD模數(shù)轉(zhuǎn)換接口 14與中央處理器11相連。
·[0047]顯示模塊3包含一塊型號為HS 1286415C的IXD顯示屏及其附屬電路，它與中央處理器11通過并行數(shù)字GPIO接口 13相連。中央處理器11通過CAN總線通訊模塊15與下層的爬行式焊接機(jī)器人中央控制器進(jìn)行控制命令發(fā)送與信息交互。本實(shí)用新型的軟件部分包括可裁剪的嵌入式μ COSII操作系統(tǒng)、硬件驅(qū)動(dòng)程序以及具備較強(qiáng)擴(kuò)展性的應(yīng)用程序。如圖2所示，軟件部分可以分為兩層，底層為yCOSII操作系統(tǒng)內(nèi)核6和硬件驅(qū)動(dòng)5。其中μ COSII操作系統(tǒng)內(nèi)核6負(fù)責(zé)時(shí)間管理、任務(wù)調(diào)度、事件控制、內(nèi)存管理等底層服務(wù)，硬件驅(qū)動(dòng)5負(fù)責(zé)驅(qū)動(dòng)單片機(jī)相應(yīng)的外設(shè)、接口以及LCD液晶屏。上層則為實(shí)現(xiàn)爬行式焊接機(jī)器人控制功能的手持式控制器應(yīng)用程序4。本實(shí)用新型軟件部分的應(yīng)用程序軟件架構(gòu)主要由5個(gè)不同的功能任務(wù)組成。5個(gè)功能任務(wù)之間通過操作系統(tǒng)提供的消息郵箱服務(wù)進(jìn)行任務(wù)切換和信息交互。一個(gè)全局變量塊用來存放提供給多個(gè)任務(wù)進(jìn)行讀寫操作的數(shù)據(jù)變量，通過操作系統(tǒng)提供的互斥型事件機(jī)制來規(guī)避多任務(wù)同時(shí)讀寫同一變量可能出現(xiàn)的競爭冒險(xiǎn)現(xiàn)象。AD讀取與轉(zhuǎn)換任務(wù)獲取從處理器外圍接口 AD模數(shù)轉(zhuǎn)換器讀回的旋轉(zhuǎn)電位器電平，并將其處理后轉(zhuǎn)化為數(shù)字存儲(chǔ)在全局變量塊的相應(yīng)設(shè)置參數(shù)中。按鍵讀取任務(wù)獲取手持式控制器各個(gè)按鈕狀態(tài)，并發(fā)送消息郵件給其他任務(wù)。由于急停響應(yīng)比較特殊，它的優(yōu)先級要高于其他所有按鍵響應(yīng)，并且急停按鈕抬起之前不再響應(yīng)其它任何信息，因此為急停按鈕專門分配一個(gè)任務(wù)急停按鍵狀態(tài)讀取任務(wù)，用來實(shí)時(shí)獲取其開關(guān)狀態(tài)。當(dāng)沒有消息郵件時(shí)，LCD液晶屏顯示任務(wù)每隔固定時(shí)間刷新一次，如果出現(xiàn)其它任務(wù)發(fā)送的消息郵件，LCD液晶屏顯示任務(wù)立刻刷新，通過讀取全局變量塊中的參數(shù)來確定屏幕顯示內(nèi)容，以保證其顯示的實(shí)時(shí)性。當(dāng)沒有消息郵件時(shí)，命令處理與通訊任務(wù)掛起并等待，以減小系統(tǒng)資源的開銷，如果出現(xiàn)其它任務(wù)發(fā)送的消息郵件，命令處理與通訊任務(wù)立刻激活，通過讀取全局變量塊中的參數(shù)并對其進(jìn)行處理得到發(fā)送命令，通過CAN總線發(fā)送給被控對象，以保證對用戶指令響應(yīng)的實(shí)時(shí)性。[0056]GPIO是通用數(shù)字10。盡管為說明目的公開了本實(shí)用新型的具體實(shí)施方式
和附圖，其目的在于幫助理解本實(shí)用新型的內(nèi)容并據(jù)以實(shí)施，但是本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以理解在不脫離本實(shí)用新型及所附的權(quán)利要求的精神和范圍內(nèi)，各種替換、變化和修改都是可能的。因此 ，本實(shí)用新型不應(yīng)局限具體實(shí)施方式
和附圖所公開的內(nèi)容。
權(quán)利要求1.一種基于嵌入式系統(tǒng)的爬行式焊接機(jī)器人手持式控制器，包括整體框架，其特征在于所述整體框架包括基于ARM Cotex-M3架構(gòu)的中央處理模塊、控制指令輸入模塊(2)以及基于IXD液晶屏的顯示模塊(3)； 所述中央處理模塊包括中央處理器和外圍接口模塊，所述中央處理器為32位的ARM單片機(jī)；外圍接口模塊包括包含CAN總線通訊模塊(15)、GPI0、并行數(shù)字IO接口和AD模數(shù)轉(zhuǎn)換；中央處理器與外圍接口模塊信號連通。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種基于嵌入式系統(tǒng)的爬行式焊接機(jī)器人手持式控制器，其特征在于所述CAN總線通信模塊連接中央控制模塊(I)與被控對象，控制命令通過CAN總線通信模塊傳送到爬行式焊接機(jī)器人的中央控制器(J)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種基于嵌入式系統(tǒng)的爬行式焊接機(jī)器人手持式控制器，其特征在于所述指令輸入模塊(2)包括按鈕開關(guān)(21)及電位器旋鈕(22)，它們與中央控制模塊(I)通過GPIO和AD模數(shù)傳感器相連接。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種基于嵌入式系統(tǒng)的爬行式焊接機(jī)器人手持式控制器，其特征在于所述LCD液晶屏與中央控制模塊(I)的并行數(shù)字IO接口相連接，實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前控制對象、狀態(tài)及參數(shù)信息。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種基于嵌入式系統(tǒng)的爬行式焊接機(jī)器人手持式控制器，其特征在于所述中央控制模塊(I)的處理器采用TI的32位LM3S5749單片機(jī)，主頻50MHz，其內(nèi)核架構(gòu)支持μ COS-II嵌入式操作系統(tǒng)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種基于嵌入式系統(tǒng)的爬行式焊接機(jī)器人手持式控制器，其特征在于所述手持控制器的外設(shè)和接口包括FLASH閃存、RAM隨機(jī)存儲(chǔ)單元、UART通用串行接口、CAN總線接口、USB總線接口、IIC接口、SD卡接口。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種基于嵌入式系統(tǒng)的爬行式焊接機(jī)器人手持式控制器，其特征在于所述LCD液晶屏采用HS12864-15C模塊，分辨率128X64，自帶簡體中文字庫，支持串行和并行數(shù)字I/O。
專利摘要本實(shí)用新型屬于爬行式焊接機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域，特別是關(guān)于一種基于嵌入式系統(tǒng)的爬行式焊接機(jī)器人手持式控制器，包括整體框架，整體框架包括基于ARMCotex-M3架構(gòu)的中央處理模塊、控制指令輸入模塊以及基于LCD液晶屏的顯示模塊；中央處理模塊包括中央處理器和外圍接口模塊，所述中央處理器為32位的ARM單片機(jī)；外圍接口模塊包括包含CAN總線通訊模塊、GPIO、并行數(shù)字IO接口和AD模數(shù)轉(zhuǎn)換；中央處理器與外圍接口模塊信號連通。本實(shí)用新型由于采取以上技術(shù)方案，針對爬行式焊接機(jī)器人的應(yīng)用，采用嵌入式系統(tǒng)。具備良好的安全性、穩(wěn)定性及可靠性，具備較強(qiáng)的可擴(kuò)展性。
文檔編號B25J13/00GK202684923SQ20122026586
公開日2013年1月23日 申請日期2012年6月7日 優(yōu)先權(quán)日2012年6月7日
發(fā)明者賀驥, 蒲曉珉, 李永龍, 金之鉑, 范傳康, 姜周, 肖唐杰, 桂仲成, 董娜 申請人:中國東方電氣集團(tuán)有限公司