工業(yè)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

王玉婷

摘要：圍繞機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)展開研究，通過NURBS實(shí)時(shí)插補(bǔ)算法，完成了機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)過程，通過使用嵌入式ARM工控機(jī)作為上位機(jī)完成了機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的開發(fā)。系統(tǒng)采選用C++作為開發(fā)的編程語言，圖形用戶界面開發(fā)跨平臺(tái)的Qt軟件，系統(tǒng)控制核心選用了運(yùn)動(dòng)控制卡DMC，使用MATLAB對基于NURBS插補(bǔ)算法的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了采用NURBS插補(bǔ)算法的控制系統(tǒng)的實(shí)用性和通用性，結(jié)果表明該系統(tǒng)有效實(shí)現(xiàn)了工業(yè)機(jī)器人對復(fù)雜運(yùn)動(dòng)的精確控制過程。

關(guān)鍵詞：工業(yè)機(jī)器人;運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng);NURBS插補(bǔ)算法;實(shí)現(xiàn)路徑

中圖分類號(hào)：TP242.2

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

ResearchonDesignofIndustrialRobotMotionControlSystem

WANGYuting

（

InstituteOffice，YantaiAutomobileEngineeringProfessionalCollege，Yantai265500，China

）

Abstract：Thispapermainlystudiestherobotmotioncontrolsystem.ThedesignandimplementationprocessoftherobotmotioncontrolsystemarecompletedbyusingNURBSrealtimeinterpolationalgorithm.TherobotmotioncontrolsystemiscompletedbyusingtheembeddedARMindustrialcomputerastheuppercomputer.ThesystemadoptsC++asthedevelopmentprogramminglanguage，thegraphicaluserinterfacedevelopscrossplatformQtsoftware，thesystemcontrolcoreselectsDMC，andusesMATLABtosimulatethemotioncontrolsystembasedonNURBSinterpolationalgorithm.TheresultverifiestheuseofNURBSiscorrect.Thepracticabilityandversatilityoftheinterpolationalgorithmcontrolsystemshowthatthesystemeffectivelyrealizestheprecisecontrolprocessofindustrialrobotsforcomplexmotion.

Keywords：industrialrobot;motioncontrolsystem;NURBSinterpolationalgorithm;implementationpath

0引言

隨著信息科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，工業(yè)機(jī)器人在控制質(zhì)量、工作效率、成本等方面表現(xiàn)出了較大的優(yōu)勢，運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定、速度可調(diào)節(jié)、抗疲勞的工業(yè)機(jī)器人能夠替代人工完成相應(yīng)的操作（包括完成一些具備高危險(xiǎn)系數(shù)的工作），將機(jī)器人應(yīng)用到工業(yè)生產(chǎn)中能夠在使生產(chǎn)效率、產(chǎn)品質(zhì)量得以有效提高的同時(shí)顯著降低人工工作量及生產(chǎn)成本，工業(yè)機(jī)器人已經(jīng)成為工業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展的重要支撐工具，在各行業(yè)中得以廣泛使用，作為一項(xiàng)重要的機(jī)電一體化技術(shù)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制已成為工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域的重點(diǎn)研究方向。運(yùn)動(dòng)控制是實(shí)現(xiàn)機(jī)器人功能的基礎(chǔ)和重點(diǎn)，對機(jī)器人的性能起到直接決定作用，工業(yè)機(jī)器人在實(shí)際生產(chǎn)使用過程中易被多種因素干擾（如電、磁等），對工業(yè)機(jī)器人的設(shè)計(jì)方案尤其是各項(xiàng)產(chǎn)品參數(shù)提出了更高的要求，需確保運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)具備高效運(yùn)動(dòng)控制功能及穩(wěn)定的性能，因此本研究主要對機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)。

1需求分析

隨著工業(yè)機(jī)器人在工業(yè)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，對機(jī)器人的控制及操作要求不斷提升，工業(yè)機(jī)器人主要由本體、驅(qū)動(dòng)裝置及控制系統(tǒng)構(gòu)成，在軌跡空間中工業(yè)機(jī)器人需完成除基本運(yùn)動(dòng)（包括直線、圓弧等）外較為復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)，具備擬人功能的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)（一種機(jī)械電子裝置）作為工業(yè)機(jī)器人的核心構(gòu)成部分集合了多種現(xiàn)代先進(jìn)技術(shù)（包括網(wǎng)絡(luò)計(jì)算機(jī)、人工智能、電子機(jī)械、傳感器等），通過運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人復(fù)雜的軌跡運(yùn)動(dòng)，在實(shí)現(xiàn)復(fù)雜幾何造型上NURBS方法因具備較大的優(yōu)勢而得以在CAD中廣泛應(yīng)用，因此充分運(yùn)用NURBS插補(bǔ)算法實(shí)時(shí)可靠的優(yōu)勢，在研究了NURBS軌跡規(guī)劃的基礎(chǔ)上對機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)具有較高的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。目前國內(nèi)已有工業(yè)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)大多存在擴(kuò)展性和通用性方面的不足，導(dǎo)致使用方面的局限性，大多只適用于特定的機(jī)器人[1]。本研究針對UPR100本體工業(yè)機(jī)器人（6自由度）在現(xiàn)有研究的基礎(chǔ)上完成了運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)過程，采用模塊化的設(shè)計(jì)原則，通過使用DMC運(yùn)動(dòng)控制卡實(shí)現(xiàn)主要控制功能，結(jié)合運(yùn)用了抗干擾能力強(qiáng)（防潮、防塵、防振）、穩(wěn)定可擴(kuò)展的工控機(jī)，實(shí)現(xiàn)對機(jī)器人運(yùn)動(dòng)過程的精準(zhǔn)控制。

2工業(yè)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

作為一項(xiàng)較為復(fù)雜的系統(tǒng)工程，基于人工智能裝置的完整機(jī)器人主要由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)裝置（由驅(qū)動(dòng)器、減速器、檢測元件構(gòu)成）、控制系統(tǒng)（主要由傳感器和電子計(jì)算機(jī)構(gòu)成，）等構(gòu)成，模仿人類手臂動(dòng)作的操作機(jī)主要負(fù)責(zé)完成各類實(shí)操作業(yè)（主要由機(jī)座、末端執(zhí)行器、機(jī)械臂構(gòu)成），驅(qū)動(dòng)裝置負(fù)責(zé)完成電能到機(jī)械能的轉(zhuǎn)換從而將動(dòng)力提供給操作機(jī)（可采取電力、液壓、氣壓幾種驅(qū)動(dòng)方式）;控制系統(tǒng)負(fù)責(zé)完成對機(jī)器人的檢測和操作控制過程以完成規(guī)定的動(dòng)作，包括對機(jī)器人運(yùn)動(dòng)參數(shù)的檢測控制及反饋控制;人工智能系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)完成邏輯判斷、模式識(shí)別及操作等功能（主要由實(shí)現(xiàn)感知功能的傳感系統(tǒng)以及決策、規(guī)劃、專家系統(tǒng)構(gòu)成）。本研究構(gòu)建的移動(dòng)控制系統(tǒng)基于現(xiàn)有6自由度工業(yè)機(jī)器人完成，硬件部分負(fù)責(zé)執(zhí)行軟件部分規(guī)劃的操作，軟件部分主要功能在于完成機(jī)器人程序的解譯、插補(bǔ)運(yùn)算、軌跡規(guī)劃（包括運(yùn)動(dòng)學(xué)正逆解），驅(qū)動(dòng)機(jī)器人不同關(guān)節(jié)及末端裝置的運(yùn)動(dòng)。

2.1設(shè)計(jì)思路

機(jī)器人操作的順利完成離不開運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的發(fā)展經(jīng)歷主要包括集中控制（所有控制功能均通過一個(gè)CPU實(shí)現(xiàn)）、主從控制（由主、從CPU構(gòu)成，分別負(fù)責(zé)變換坐標(biāo)并生成軌跡、控制機(jī)械手動(dòng)作）、分級(jí)控制（由上級(jí)主控計(jì)算機(jī)和下級(jí)多個(gè)微處理器構(gòu)成，分別負(fù)責(zé)完成包括坐標(biāo)變換、生成軌跡在內(nèi)的系統(tǒng)管理以及對機(jī)械手關(guān)節(jié)坐標(biāo)及伺服控制的分管與處理）。應(yīng)用廣泛的機(jī)器人對運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的研究和設(shè)計(jì)過程提出更高的要求，為適用不同種類機(jī)器人需采用開放式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，同時(shí)采用模塊化設(shè)計(jì)方式（即將系統(tǒng)劃分成實(shí)現(xiàn)不同子任務(wù)的多個(gè)功能模塊）提高系統(tǒng)的實(shí)用性和可靠性，多個(gè)機(jī)器人的協(xié)同控制需通過具備網(wǎng)絡(luò)通訊功能的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)（包括資源共享）;通過直觀形象的人機(jī)接口及操作界面提升系統(tǒng)的人機(jī)交互性[2]。工業(yè)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)主要由上位機(jī)、驅(qū)動(dòng)裝置、執(zhí)行控制器構(gòu)成，由上位機(jī)負(fù)責(zé)機(jī)器人管理和實(shí)時(shí)監(jiān)控，將位姿指令傳遞至區(qū)域控制器進(jìn)行運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)計(jì)算，由區(qū)域控制器實(shí)現(xiàn)對機(jī)器人各關(guān)節(jié)坐標(biāo)及軌跡的變換和生成，再由執(zhí)行控制器在完成機(jī)器人位姿及工作狀態(tài)的檢測和實(shí)時(shí)采集的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)對各關(guān)節(jié)伺服運(yùn)動(dòng)的有效控制過程。

2.2控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本研究所設(shè)計(jì)的運(yùn)動(dòng)控制方案分別采用嵌入式ARM工控機(jī)（FreescaleIMX6）和DMC控制卡（Galil公司）作為系統(tǒng)的上位機(jī)和下位機(jī)，控制系統(tǒng)硬件架構(gòu)，如圖1所示。

針對6自由度工業(yè)機(jī)器人通過由DMC運(yùn)動(dòng)控制器提供的API實(shí)現(xiàn)了在工控機(jī)上根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行二次開發(fā)的功能。ARM工控機(jī)以Cortex核心處理器作為CPU，具備豐富的硬件資源，有效的滿足了控制系統(tǒng)的需求，工控機(jī)同DMC間采用以太網(wǎng)完成控制命令的接收與發(fā)送，DMC接收到程序命令后會(huì)據(jù)此發(fā)出相應(yīng)的電機(jī)控制指令信號(hào)，在經(jīng)伺服放大器放大后完成對機(jī)器人各電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)過程的驅(qū)動(dòng)進(jìn)而實(shí)現(xiàn)各關(guān)節(jié)的按要求運(yùn)動(dòng);工控機(jī)同樣通過以太網(wǎng)收到各關(guān)節(jié)經(jīng)DMC反饋的位置信號(hào)（通過相應(yīng)的電機(jī)編碼器），從而實(shí)現(xiàn)機(jī)器人狀態(tài)的實(shí)時(shí)顯示與監(jiān)控管理，并且使數(shù)控設(shè)備有效滿足精度與性能的要求[3]。

3控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

3.1NURBS插補(bǔ)功能的實(shí)現(xiàn)

針對NURBS曲線軌跡，假設(shè)，控制頂點(diǎn)

由Pi表示其中i∈[0，n]，同控制頂點(diǎn)對應(yīng)的權(quán)因子由wi表示，t表示參數(shù)，k次B樣條基函數(shù)由Bi，k（t）表示，取n+k+1個(gè)節(jié)點(diǎn)值（分別由u0，u1，…，un+k表示）組成節(jié)點(diǎn)向量通常u0、u1，…，uk的取值為0，un、un+1，…，un+k的取值為1，定義其在空間中的有理分式如式（1）[3]。

P（t）=∑ni=0wiPiBi，k（t）∑ni=0wiBi，k（t）

（1）

假設(shè)，t的變化范圍表示為[t1，t2]=[uk，un]，令：

Bi，0（t）=1，t∈[ui.ui+1]

0，t[ui.ui+1]

在此基礎(chǔ)上定義Bi，j（t）如式（2）（分母為0作為其中分式的值為0）。

Bi，j（t）=（t-ui）ui+j-uiBi，j（t）+（ui+j-t）ui+j+1-ui+jBi+1，j-1（t）

（2）

（1）NURBS插補(bǔ)算法

通過插補(bǔ)前的預(yù)處理操作（即確定NURBS的軌跡表達(dá)式）可使插補(bǔ)計(jì)算量顯著降低，進(jìn)而確保了曲線的插補(bǔ)速度及實(shí)時(shí)性，以給定的Pi、wi及節(jié)點(diǎn)矢量為依據(jù)即可實(shí)現(xiàn)NURBS曲線的唯一確定，NURBS曲線插補(bǔ)的實(shí)質(zhì)為將到NURBS曲線本身的近似逼近過程通過步長折線段（屬于一個(gè)插補(bǔ)周期內(nèi)）的使用完成，實(shí)現(xiàn)NURBS插補(bǔ)功能需要重點(diǎn)解決的問題為：密化參數(shù)，ΔL和Δu分別表示進(jìn)給步長和相應(yīng)的參數(shù)增量，即在完成ΔL由軌跡空間到參數(shù)空間映射的基礎(chǔ)上，完成Δu及新點(diǎn)的參數(shù)坐標(biāo)（表示為ui+1=ui+Δu）的求解[4]。計(jì)算軌跡，完成計(jì)算所獲取的坐標(biāo)值到軌跡空間的反向映射及插補(bǔ)軌跡的新坐標(biāo)點(diǎn)（表示為pi+1=p（ui+1））的獲取。在實(shí)際應(yīng)用中通常采用3次由分段參數(shù)構(gòu)成的NURBS曲線，各段曲線的分子/母的系數(shù)會(huì)參數(shù)u的變化而改變，對應(yīng)各段如式（3）[5]。

pi（u）=C0（t1）+C1（t1）t2+C2（t1）t22+C3（t1）t32C′0（t1）+C′1（t1）t2+C″2（t1）t22+C′3（t1）t32（0≤t≤1，i=3，4，…，n）

（3）

本研究通過使用阿當(dāng)姆斯算法解決參數(shù)密化問題，并采用前、后向差分結(jié)合的方法運(yùn)算和求解過程的復(fù)雜程度顯著降低，所獲取的新插補(bǔ)點(diǎn)的參數(shù)估計(jì)值如式（4）。

i+1=14（9ui-6ui-1+ui-2）

（4）

計(jì)算軌跡使在求得參數(shù)ui+1的基礎(chǔ)上完成其到ti+1的轉(zhuǎn)換，然后帶入分段表達(dá)式即可得到下個(gè)插補(bǔ)點(diǎn)位置如式（5）。

i+1=p（i+1）

（5）

在各插補(bǔ)周期內(nèi)通過上述方法即可獲取下一個(gè)插補(bǔ)點(diǎn)，重復(fù)操作直至插補(bǔ)結(jié)束后獲取整個(gè)曲線的插補(bǔ)軌跡。在規(guī)劃軌跡和插補(bǔ)過程中，獲取曲線上各插補(bǔ)點(diǎn)的位置和姿態(tài)通過給出機(jī)器人在曲線中部分關(guān)鍵點(diǎn)的位置和姿態(tài)并結(jié)合插補(bǔ)算法及運(yùn)動(dòng)學(xué)正逆解實(shí)現(xiàn)。

（2）算法仿真

使用Matlab平臺(tái)對本研究設(shè)計(jì)的插補(bǔ)算法進(jìn)行仿真，控制節(jié)點(diǎn)在（0，1）間，控制頂點(diǎn)共有50個(gè)，權(quán)值取1，據(jù)此完成3階NURBS曲線的確定，插補(bǔ)參數(shù)設(shè)置為：插補(bǔ)周期為1ms，最大進(jìn)給速度及初始進(jìn)給速度（由fmax、fs表示）分別為18mm/min和0，加速度上限為2500mm/s2，弓高誤差上限及步長誤差上限分別為1μm和0.001，最大法向進(jìn)給加速度及最大加速度分別為0.8g和50000mm/s3，仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2、圖3所示，生成的插補(bǔ)點(diǎn)同規(guī)劃軌跡相吻合[6]。

3.2軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

在ARM工控機(jī)上實(shí)現(xiàn)軟件部分，控制軟件系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)，如圖4所示。

將Linux系統(tǒng)安裝于FreescaleIMX6上（版本為ubuntu）后完成嵌入式Qt的移植，并在ubuntu中移植DMC控制卡的對應(yīng)庫，軟件圖形用戶界面的主框架通過QMainWindow類的使用完成構(gòu)建，各模塊功能則通過QWidget/Dialog類的使用實(shí)現(xiàn)，通過Qt實(shí)現(xiàn)各模塊間的信交流。將各編碼

器的值通過ComandOM（）函數(shù)進(jìn)行讀取后實(shí)現(xiàn)機(jī)器人各關(guān)

節(jié)轉(zhuǎn)角的獲取，以供運(yùn)動(dòng)學(xué)計(jì)算和軌跡規(guī)劃;運(yùn)動(dòng)控制指令通過DownloadFile（）函數(shù)完成到DMC的下載。文檔中的二字符指令集用于代碼級(jí)別的測試與簡單控制。運(yùn)動(dòng)學(xué)分析模塊通過運(yùn)動(dòng)學(xué)正解和運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解實(shí)現(xiàn)機(jī)器人各關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)的角度同空間中位置和姿態(tài)的相互對應(yīng)，據(jù)此實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的正確運(yùn)行及其目標(biāo)點(diǎn)情況的檢測[7]。機(jī)器人的作業(yè)任務(wù)通過軌跡規(guī)劃模塊確定所需使用的基本運(yùn)動(dòng)形式（包括直線、圓弧運(yùn)動(dòng)插補(bǔ)及NURBS軌跡插補(bǔ)），進(jìn)而實(shí)現(xiàn)自由曲線運(yùn)動(dòng)過程。

（1）機(jī)器人參數(shù)設(shè)置，據(jù)此完成對決定工業(yè)機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)DH參數(shù)、伺服驅(qū)動(dòng)相關(guān)的決定對應(yīng)機(jī)器人關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)角度的分頻比/倍頻比的設(shè)置。（2）機(jī)器人軌跡規(guī)劃，DMC運(yùn)動(dòng)控制器可有效解決復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)問題，其所包含的輪廓模式提供位置時(shí)間曲線（在1～6軸內(nèi)）的自定義功能，據(jù)此可實(shí)現(xiàn)對通過計(jì)算機(jī)產(chǎn)生軌跡的有效追蹤。在控制系統(tǒng)中，通過工控機(jī)提供的算法實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)學(xué)正逆解和空間運(yùn)動(dòng)軌跡的規(guī)劃，并通過DMC協(xié)調(diào)控制各關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)情況，具體流程為：先建立空間軌跡參數(shù)方程，運(yùn)動(dòng)軌跡空間坐標(biāo)向量（x，y，z）每32ms（運(yùn)動(dòng)軌跡的插補(bǔ)周期）計(jì)算獲取，通過運(yùn)動(dòng)學(xué)反解末端空間坐標(biāo)即可獲取對應(yīng)關(guān)節(jié)變量，據(jù)此計(jì)算得到電機(jī)軸的脈沖量（即各軸的脈沖增量），并記錄到相應(yīng)的軌跡規(guī)劃文本中，軌跡規(guī)劃流程，如圖5所示。

接下來通過DMC中的DownloadFile（）函數(shù)的調(diào)用完成軌跡規(guī)劃文本到DMC的下載，在此基礎(chǔ)上調(diào)用Command（）執(zhí)行命令完成自定義軌跡動(dòng)作。（3）機(jī)器人示教作業(yè)，實(shí)現(xiàn)了包括MOVJ、NURBS、延時(shí)、數(shù)字運(yùn)算等在內(nèi)的運(yùn)動(dòng)指令集，將機(jī)器人末端通過軸控制按鈕根據(jù)所選擇的合適坐標(biāo)系（以運(yùn)動(dòng)指令及指令參數(shù)為依據(jù)）完成到目標(biāo)位置點(diǎn)運(yùn)動(dòng)的控制[8]。

4總結(jié)

智能化及自動(dòng)化水平不斷提高的工業(yè)生產(chǎn)過程對工業(yè)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)和控制提出了更高的要求，為使工業(yè)機(jī)器人空間中的復(fù)雜軌跡運(yùn)動(dòng)得以高效準(zhǔn)確的實(shí)現(xiàn)，本研究以UPR100機(jī)器人本體作為研究對象完成了機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，硬件主要使用DMC控制卡和ARM工控機(jī)作為硬件構(gòu)

成，結(jié)合運(yùn)用Qt環(huán)境（通過ubuntu平臺(tái)搭建）和NURBS插

補(bǔ)算法完成了控制軟件的設(shè)計(jì)，通過控制系統(tǒng)操作界面即可實(shí)現(xiàn)機(jī)器人末端的自由曲線軌跡運(yùn)動(dòng)過程，該控制系統(tǒng)具備良好的擴(kuò)展性、可靠性，為機(jī)器人控制領(lǐng)域的完善提供參考。

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（收稿日期：2019.07.22）