● 摘要
随着控制系统复杂度的提升，以嵌入式处理器为核心的工业机器人控制系统已广泛应用于工业生产中。工业机器人控制系统的设计面临两个明显突出的问题：（1）由于系统中控制软件所占的比重越来越大。如何高效、可靠地构建适应各行业需求的控制系统体系，减少（甚至避免）重复开发，增强系统中各部件的可重用性成为工业机器人控制系统要解决的主要问题。（2）控制系统软件设计的分层体系，可以降低控制系统的设计难度，明确划分任务，同时也满足系统对实时性的需求。如何在控制器系统设计的各个层面，自顶至下地考虑系统的实时性，做到实时性的上层可规划，底层可保证，成为控制系统软件设计的难点。 本文从基于软件组件的体系结构入手，针对工业机器人控制器系统的设计需求，提出控制系统的软件开发思路，建立功能组件模型图。在系统底层，利用微内核µC/OS-Ⅱ的实时平台，为功能组件设计提供支撑；在系统上层，提出基于实时组件的模型驱动设计方法。在此理论下，系统软件被划分为不同层次。这种层次化设计，确保了控制系统各功能组件的重用性。 在系统中间层，分析了实时操作系统特性及性能指标。建模并分析了操作系统中断延迟特性，给出系统中断最长响应延迟时间表达式。以此为基础对控制器的实时控制平台进行了分析。 同时，提出了以ARM（Advanced RISC Machine）微处理器PXA270芯片为主处理器、以单片机和FPGA（Field Programmable Gate Array）为协处理器的工业机器人控制器功能组件的总体方案。在此方案中，PXA270微处理器运行嵌入式µC/OS-Ⅱ操作系统和控制器功能组件，负责任务调度和决策规划等，是系统控制核心。单片机协处理器扩展键盘扫描等功能，FPGA协处理器扩展I/O和电机脉冲信号等功能。同时，论文讨论了工业机器人控制器的系统软件实现，详细介绍了功能组件的软件设计结构，操作系统的移植，各个接口模块的设计。 通过试验方式，在控制器系统平台上验证本文所描述方法的正确性和易用性。 最后，对本研究工作做出了总结和展望。总结了本研究工作取得的成果，并指出了研究中的不足之处，提出了下一步工作的着重点。 关键词：工业机器人控制系统，实时性，功能组件，嵌入式系统