探究六自由度工業(yè)機器人的運動控制系統(tǒng)

路宇飛　喬楓

摘 要：隨著時代的進步，社會開始普及機器人產品，產品性能直接影響社會發(fā)展水平，需要及時改造和創(chuàng)新機器人技術。航空航天、工業(yè)生產等行業(yè)中已經廣泛應用工業(yè)機器人，因此，未來發(fā)展研究六自由度工業(yè)機器人運動控制系統(tǒng)尤為重要。

關鍵詞：六自由度 工業(yè)機器人 運動控制系統(tǒng)

中圖分類號：TP242.2 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2016）06（b）-0058-02

自動化工業(yè)系統(tǒng)中工業(yè)機器人是一種不可或缺的設備，為人類社會進步和歷史發(fā)展奠定基礎。隨著社會生產力的全面提升，越來越多的勞動力被需要，這就使得逐漸凸顯出重復勞動力的問題，為了有效解決上述問題，機器人是一種良好措施。雖然工業(yè)機器人研究方面具備一定成績，但是相比國外發(fā)達國家來說，還是具備一定差距，為此需要進一步研究六自由度工業(yè)機器人，集中闡述運動控制系統(tǒng)。

1 設計運動控制系統(tǒng)基本方案

基于六自由度工業(yè)機器人基本系統(tǒng)的基礎上來構建控制系統(tǒng)，六自由度工業(yè)機器人運動控制系統(tǒng)主要包括兩個部分：軟件和硬件。軟件主要就是用來完成機器人軌跡規(guī)劃、譯碼和解析程序、插補運算，機器人運動學正逆解，驅動機器人末端以及所有關節(jié)的動作，屬于系統(tǒng)的核心部位。硬件主要就是為構建運動控制系統(tǒng)提供物質保障[1]。

2 設計硬件控制系統(tǒng)

在六自由度工業(yè)機器人的前提下，利用ARM工控機來設計系統(tǒng)方案。下位機模塊是DMC-2163控制卡。通過以太網工控機能夠為DMC-2163提供相應的命令，依據(jù)命令DMC-2163執(zhí)行程序，并且能夠發(fā)出控制信號。利用伺服放大器對系統(tǒng)進行放大以后，驅動設備的所有電機進行運轉，保障所有環(huán)節(jié)都能夠進行動作。工業(yè)機器人通過DMC-2163輸送電機編碼器的位置信號，然后利用以太網來進行反饋，確保能夠實時監(jiān)控和顯示機器人的實際情況。第一，DMC-2163控制卡，設計系統(tǒng)硬件的時候，使用Galil生產的DMC控制器，保障能夠切實滿足設計的性能和精度需求，選擇DMC-2163控制器來設計六自由度工業(yè)機器人，依據(jù)系統(tǒng)API來二次開發(fā)工控機。第二，嵌入式ARM工控機。實際操作中為了滿足系統(tǒng)高性能、可靠、穩(wěn)定的需求，使用嵌入式Freescale IMx 6工控機，存在1.2 GHz主頻率。Cortex-A9作為CPU，擁有豐富的硬件資源，能夠全面滿足設計六自由度機器人的需求[2]。

3 設計和實現(xiàn)控制系統(tǒng)軟件

3.1 實現(xiàn)NURBS插補

依據(jù)系統(tǒng)給定的控制頂點、節(jié)點矢量、權因子來對NURBS曲線進行確定，插補NURBS曲線的關鍵實際上就是利用插補周期范圍內存在的步長折線段來對NURBS曲線進行逼近，因此，想要實現(xiàn)NURBS插補就需要切實解決密化參數(shù)和軌跡計算兩方面內容。第一，密化參數(shù)。實際上就是依據(jù)空間軌跡中給定的補償來對參數(shù)空間進行映射，利用給定步長來計算新點坐標和參數(shù)增量。第二，軌跡計算。實際上就是在具體體現(xiàn)空間回軌跡的時候合理應用參數(shù)空間坐標進行反向映射，以便于能夠得到對應的映射點，也就是插補軌跡新點坐標。為了有效提升插補實時性以及速度，需要進行預處理，確保可以降低計算量。通過阿當姆斯算法，有機結合前、后向差分來進行計算，保障能夠防止計算隱式、復雜的方程。為了確?？梢杂行У剡M行插補計算，設計過程中通過Matlab平臺進行仿真處理[3]。

3.2 實現(xiàn)ARM工控機

基于ARM工控機來展現(xiàn)六自由度工業(yè)機器人運動控制系統(tǒng)的軟件，實際操作中開發(fā)軟件環(huán)境是首要問題，把Linux系統(tǒng)安裝在Freescale IMx6中，構成ubuntu版本的控制系統(tǒng)，并且系統(tǒng)中移入嵌入式Qt，并且在ubuntu中移入DMC控制器中的Linux庫[4]。利用圖形用戶界面來設計軟件，構件主體框架的時候合理應用QMain Windows，為了能夠全面實現(xiàn)系統(tǒng)所有模塊的基本功能，需要合理應用QDialog、QWidget類，通過Qt信號、配置文件、事件管理、全局變量等來展現(xiàn)模塊的信息交流功能?？刂栖浖到y(tǒng)包括以下幾方面內容：第一，文檔管理模塊。文檔管理模塊能夠保存文件、重新構建文件，是一種可以被DMC-2163解析的文檔二字符指令集，以便于能夠簡單控制代碼測試機器人的軸[5]。第二，與下位機通訊模塊，這部分實際上就是通過DMCComandOM（）函數(shù)來對編碼器數(shù)值進行關節(jié)轉角數(shù)據(jù)的獲取，計算運動軌跡的時候應用正逆運動學，同時利用DMCdownloadFile（）函數(shù)，在控制器中下載運動指令。第三，人機界面模塊。這種模塊主要就是用來更新和顯示機器人運動狀態(tài)的，此外也能夠設置用戶輸入的數(shù)據(jù)，保障能夠實時監(jiān)控和控制機器人的基本情況。第四，運動學分析模塊，在已經獲取末端連桿姿態(tài)和位置的基礎上，來對機器人轉角進行計算的方式就是逆解。在已經計算出關節(jié)轉動角度的基礎上，來對空間中機器人姿態(tài)和位置進行求解的方式就是運動學正解。機器人想要正確運行的前提就是運動學分析模塊，并且對機器人目標點是否符合實際情況進行分析，保障能夠及時更改錯誤。第五，軌跡規(guī)劃模塊。這種模塊可以為完成基本運動作業(yè)提供依據(jù)，不僅可以完成圓弧運動和直線運動，也能夠進行NURBS插補，保障能夠自由地進行曲線運動。第六，機器人在完成十分復雜的再現(xiàn)和示教操作的時候，利用再現(xiàn)模式界面來對示教動作進行自動操作。第七，設置系統(tǒng)。設計的過程中應該對系統(tǒng)進行合理設置，如限制運動權限、進入系統(tǒng)的密碼、機器人系統(tǒng)參數(shù)等。在設置系統(tǒng)參數(shù)的時候，能夠在六自由度工業(yè)機器人中來實現(xiàn)控制系統(tǒng)軟件的基本作用，以此來保障控制軟件系統(tǒng)設計的通用性。第八，狀態(tài)顯示模塊。這種模塊可以具體顯示完成作業(yè)的進度、機器人安裝的姿態(tài)和位置、控制器I/O。第九，設置機器人參數(shù)，一般來說主要包括伺服驅動倍頻比/分頻比、運動學DH參數(shù)，六自由度工業(yè)機器人設計結構取決于DH參數(shù)；機器人DMC控制卡輸送單個脈沖過程中的關節(jié)轉動角度取決于倍頻比/分頻比[6]。

3.3 運行系統(tǒng)軟件

軟件控制系統(tǒng)設計中成功測試各模塊以后，在程序主框架中進行合理應用，以便于設計實現(xiàn)機器人系統(tǒng)。成功測試系統(tǒng)軟件以后具備運動控制系統(tǒng)的基本功能。

4 結語

綜上，在基于目前已經存在的六自由度機器人系統(tǒng)上來設計運動控制系統(tǒng)，嵌入式ARM工控機和DMC-2163控制卡是硬件系統(tǒng)設計的關鍵。在Ubuntu的基礎上構建Qt平臺，此時合理科學地設計軟件系統(tǒng)。此外把NUBRS插補計算方式融入到控制系統(tǒng)中，保障在軌跡空間中機器人末端能夠形成自由曲線軌跡。運動控制系統(tǒng)為機器人提供圖形界面，能夠為系統(tǒng)運行提供比較好的擴展性、高通用性，并且操作也十分方便，因此這種運動控制系統(tǒng)應用具備廣闊的前景。

參考文獻

[1] 張鵬程，張鐵.基于矢量積法的六自由度工業(yè)機器人雅可比矩陣求解及奇異位形的分析[J].機械設計與制造，2011（8）：152-154.

[2] 張鵬程，張鐵.基于包絡法六自由度工業(yè)機器人工作空間的分析[J].機械設計與制造，2010（10）：164-166.

[3] 倪受東，丁德健，張敏，等.視覺功能六自由度工業(yè)機器人的研制[J].制造業(yè)自動化，2012，34（24）：1-4，9.

[4] 吳應東.六自由度工業(yè)機器人結構設計與運動仿真[J].現(xiàn)代電子技術，2014（2）：74-76.

[5] 田東升，胡明，鄒平，等.基于ANSYS的六自由度工業(yè)機器人模態(tài)分析[J].機械與電子，2012（2）：59-62.

[6] 欒本言，孫首群，田科技，等.六自由度工業(yè)機器人位姿誤差的補償方法[J].信息技術，2015（1）：191-194.