六自由度工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法

郭美君

（遼寧工程職業(yè)學(xué)院，遼寧 鐵嶺 112000）

0 引言

在科學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展的時(shí)代背景下，機(jī)器人被廣泛應(yīng)用在各個(gè)行業(yè)中。機(jī)械臂作為機(jī)器人設(shè)備中最關(guān)鍵的執(zhí)行元件得到更多關(guān)注，多角度落實(shí)設(shè)計(jì)規(guī)范，以提升協(xié)調(diào)性和應(yīng)用規(guī)范性。機(jī)器人技術(shù)涉及材料科學(xué)、傳感器技術(shù)、微電子技術(shù)以及人工智能技術(shù)，為了提升其應(yīng)用的科學(xué)性，結(jié)合技術(shù)要點(diǎn)和設(shè)計(jì)方案，本文研究適用于復(fù)雜環(huán)境和任務(wù)的移動(dòng)手臂，從而提高其應(yīng)用效率。

1 硬件控制

對(duì)于機(jī)器人而言，機(jī)械臂系統(tǒng)就是基礎(chǔ)性的機(jī)電一體化處理系統(tǒng)，包括機(jī)械本體和控制驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，為了保證其應(yīng)用的有效性，應(yīng)結(jié)合CAN 總線技術(shù)完成分布式控制應(yīng)用，維持各個(gè)硬件電路運(yùn)行的穩(wěn)定性。

1.1 構(gòu)型設(shè)計(jì)

在六自由度機(jī)械臂設(shè)計(jì)和控制應(yīng)用工作中，要發(fā)揮機(jī)械臂準(zhǔn)確抓取的作用，就要對(duì)位置和姿態(tài)移動(dòng)給定點(diǎn)予以重視，確保其具備一定的自由度，匹配關(guān)鍵參數(shù)，從而提高其通用性。目前，設(shè)置6 個(gè)自由度，在滿足機(jī)器人位姿要求的基礎(chǔ)上，不會(huì)造成較為繁瑣的冗余問題，合理匹配自由度就能形成串聯(lián)運(yùn)動(dòng)連桿的模式。[1]基于此，在實(shí)際構(gòu)型選擇過程中，選取計(jì)量數(shù)值較小且能滿足機(jī)械臂構(gòu)型需求的項(xiàng)目。主要包括3 根基礎(chǔ)相交軸，設(shè)置為3 個(gè)關(guān)節(jié)位置的相交處理，對(duì)應(yīng)的相交點(diǎn)即關(guān)節(jié)的原點(diǎn)，維持末端執(zhí)行器基礎(chǔ)姿態(tài)的穩(wěn)定性，利用關(guān)節(jié)鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)匹配電機(jī)完成驅(qū)動(dòng)工序。

1.2 電機(jī)選擇

電機(jī)類型是選擇的關(guān)鍵。目前，大多工業(yè)機(jī)器人選用交流伺服電機(jī)，借助控制效果較好的直流有刷伺服電機(jī)能大幅提高其應(yīng)用效果。除此之外，還應(yīng)結(jié)合六自由度機(jī)械臂對(duì)應(yīng)關(guān)節(jié)承受最大力矩參數(shù)，保證角速度最大，在全面分析相應(yīng)數(shù)據(jù)后估算匹配的電機(jī)功率。另外，在電機(jī)選擇工作中也要關(guān)注長(zhǎng)度和厚度，電機(jī)低速運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下，力矩參數(shù)較小，應(yīng)借助加減速器進(jìn)行綜合評(píng)估。

2）關(guān)節(jié)功率評(píng)估。六自由度機(jī)械臂的6個(gè)關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)速如下：

第一關(guān)節(jié)，60°/s，為1.05 rad/s；

第二關(guān)節(jié)，30°/s，為0.523 rad/s；

第三關(guān)節(jié)，30°/s，為0.523 rad/s；

第四關(guān)節(jié)，30°/s，為0.523 rad/s；

第五關(guān)節(jié)，30°/s，為0.523 rad/s；

第六關(guān)節(jié)，80°/s，為1.43 rad/s。

利用“功率=轉(zhuǎn)矩×角速度”公式計(jì)算可知6 個(gè)基礎(chǔ)關(guān)節(jié)的功率參數(shù)為：

第一關(guān)節(jié) 14.15 W

第二關(guān)節(jié) 5.38 W

第三關(guān)節(jié) 2.36 W

第四關(guān)節(jié) 1.00 W

第五關(guān)節(jié) 0.20 W

第六關(guān)節(jié) 0.105 W

結(jié)合力矩電機(jī)的應(yīng)用要求，配合電機(jī)減速器和編碼器落實(shí)具體工作。[2]

1.3 硬件設(shè)計(jì)

利用工控機(jī)對(duì)PCI 總線予以控制，匹配總線應(yīng)用規(guī)范，選取PCI-1680CAN 卡，建立對(duì)應(yīng)的控制回路。

結(jié)合電控單元的應(yīng)用要求，完成速度控制、關(guān)節(jié)位置控制以及關(guān)節(jié)力矩算法控制，維持DSP2407 應(yīng)用效果，發(fā)揮CAN 模塊的應(yīng)用價(jià)值。

選取DSP TMS320LF2407 作為整個(gè)關(guān)節(jié)控制器的核心控制單元，基礎(chǔ)時(shí)鐘頻率可達(dá)40 MHz，系統(tǒng)的處理能力較好，資源結(jié)構(gòu)多樣，利用內(nèi)置EVA 和EVB 建立管理器模塊體系，能在節(jié)省電路板空間的同時(shí)，提高抗干擾能力。[3]

CAN 總線設(shè)計(jì)，將PCA82C250 作為控制器和物理總線的基礎(chǔ)接口，結(jié)合差動(dòng)發(fā)送以及接收模式建立應(yīng)用結(jié)構(gòu)。

2 正運(yùn)動(dòng)分析

匹配建模工序進(jìn)行正運(yùn)動(dòng)學(xué)分析工作，有利于打造合理的系統(tǒng)應(yīng)用結(jié)構(gòu)。

2.1 建模

為確保應(yīng)用合理性，將機(jī)械臂作為關(guān)節(jié)連接的連桿系統(tǒng)予以研究，對(duì)機(jī)械手臂的每一個(gè)連桿位置予以坐標(biāo)系處理，提升計(jì)算的針對(duì)性。與此同時(shí)，靈活處理坐標(biāo)系之間相對(duì)位置和運(yùn)行姿態(tài)。一般而言，基礎(chǔ)連桿和下一個(gè)相鄰連桿之間的關(guān)系，利用齊次變換形成A 矩陣，能表述相對(duì)平移和旋轉(zhuǎn)的齊次變換。[4]假設(shè)是整個(gè)連桿系統(tǒng)中基礎(chǔ)坐標(biāo)和基礎(chǔ)位置姿態(tài)，那么，利用作為第二個(gè)連桿，以此類推，就能應(yīng)用對(duì)各個(gè)連桿位置進(jìn)行標(biāo)注。在已知目標(biāo)物為第i 個(gè)連桿位置的坐標(biāo)后，就能對(duì)物體的位置進(jìn)行分析，結(jié)果為對(duì)應(yīng)的六自由度機(jī)械臂設(shè)置為6 個(gè)關(guān)節(jié)空間機(jī)構(gòu)，描述時(shí)應(yīng)關(guān)注末端執(zhí)行器的位置和姿態(tài)，應(yīng)用相對(duì)固定參考坐標(biāo)系分析空間幾何關(guān)系，建立臂的運(yùn)動(dòng)方程。最終完成建模：

2.2 正運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

在正運(yùn)動(dòng)學(xué)分析工作中，對(duì)關(guān)節(jié)變量進(jìn)行集中評(píng)估，從而結(jié)合機(jī)械臂的應(yīng)用要求建立坐標(biāo)系，如圖1 所示，結(jié)合機(jī)械臂的構(gòu)型標(biāo)準(zhǔn)落實(shí)相應(yīng)的算法，從而獲取關(guān)節(jié)變量的實(shí)際參數(shù)。具體關(guān)節(jié)變量參數(shù)如下：

圖1 六自由度機(jī)械臂坐標(biāo)系

第一關(guān)節(jié)θ1=0

第二關(guān)節(jié)θ2=0

第三關(guān)節(jié)θ3=0

第四關(guān)節(jié)θ4=0

第五關(guān)節(jié)θ5=90°

第六關(guān)節(jié)θ6=0[5]

匹配關(guān)節(jié)和連桿參數(shù)，可獲相應(yīng)數(shù)據(jù)：

利用D-H 參數(shù)配合建模方式，以Robot 函數(shù)的方式將機(jī)械臂各個(gè)桿結(jié)構(gòu)和關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)連接在一起，就能維持其運(yùn)動(dòng)效果。[6]

3 軌跡規(guī)劃

完成基礎(chǔ)設(shè)計(jì)工作后，對(duì)六自由度機(jī)械臂的運(yùn)行軌跡進(jìn)行描述，涉及路徑規(guī)劃和運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃。其中，路徑和具體的應(yīng)用時(shí)間關(guān)聯(lián)度不大，關(guān)鍵的是借助機(jī)械臂空間位姿的連續(xù)序列完成描述，相應(yīng)的軌跡是機(jī)械臂位姿與時(shí)間的匹配函數(shù)。需要注意的是，路徑是特定序列，應(yīng)結(jié)合機(jī)械臂和具體的作業(yè)環(huán)境完善描述方式，因此，要匹配幾何學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)等多方面的因素，確保搭建兩個(gè)作業(yè)點(diǎn)之間無(wú)碰撞的運(yùn)行路徑體系。在較為常見的應(yīng)用方法中，人工勢(shì)場(chǎng)法、假設(shè)修正法都能建立對(duì)應(yīng)的路徑點(diǎn)。軌跡是與時(shí)間關(guān)聯(lián)度較高的參數(shù)，在無(wú)沖突、無(wú)碰撞路徑的基礎(chǔ)上，結(jié)合機(jī)器人動(dòng)力學(xué)方程和驅(qū)動(dòng)元件在運(yùn)行中的約束條件進(jìn)行路徑獲取，依據(jù)不同作業(yè)任務(wù)判定點(diǎn)位作業(yè)或連續(xù)路徑作業(yè)，需要結(jié)合關(guān)節(jié)空間進(jìn)行軌跡的規(guī)劃處理。[7]

3.1 關(guān)節(jié)空間

結(jié)合運(yùn)動(dòng)學(xué)方程進(jìn)行路徑點(diǎn)的分析，將其轉(zhuǎn)變?yōu)殛P(guān)節(jié)的角度數(shù)值，映射時(shí)間函數(shù)，確保從起始點(diǎn)到終止點(diǎn)能夠按照有序路徑完成作業(yè)。本文選取三次多項(xiàng)式插值分析方法，設(shè)定4 個(gè)待定系數(shù)，匹配起始點(diǎn)、目標(biāo)點(diǎn)角度以及角速度等，加入對(duì)應(yīng)的時(shí)間函數(shù)，從而獲得關(guān)系式：其中，C0、C1、C2、C3分別表示4 個(gè)待定系數(shù)，對(duì)應(yīng)分析目標(biāo)點(diǎn)和起始點(diǎn)的關(guān)節(jié)角速度。運(yùn)用仿真分析進(jìn)行關(guān)節(jié)插值算法效果研究，獲得的具體參數(shù)如下：

1）起始點(diǎn)位姿。正運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真參數(shù)：theta1=-3.546；theta2=-1.889；theta3=-81.744；theta4=83.634；theta5=83.546；theta6=90.000。

2）路徑點(diǎn)1 位姿。正運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真參數(shù)：theta1=-3.386 ；theta2=13.570 ；theta3=-89.150 ；theta4=75.580 ；theta5=83.396 ；theta6=90.000。

3）路徑點(diǎn)2 位姿。正運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真參數(shù)：theta1=-4.016 ；theta2=19.675 ；theta3=-85.371 ；theta4=65.695 ；theta5=74.015 ；theta6=90.000。

4）目標(biāo)點(diǎn)位姿。正運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真參數(shù)：theta1=-9.259 ；theta2=29.973 ；theta3=-77.657 ；theta4=47.683 ；theta5=69.259 ；theta6=90.000。[8]

在仿真分析模式中，起始點(diǎn)和目標(biāo)點(diǎn)的關(guān)節(jié)角速度設(shè)置為0，中間點(diǎn)的路徑點(diǎn)關(guān)節(jié)角速度應(yīng)結(jié)合瞬時(shí)速率進(jìn)行判定，完成運(yùn)行代碼的分析，獲得最終的軌跡規(guī)劃數(shù)值。

3.2 笛卡兒關(guān)空間

結(jié)合機(jī)械臂的4 個(gè)基礎(chǔ)點(diǎn)進(jìn)行分析，因?yàn)椴煌P(guān)節(jié)本身是連續(xù)的，無(wú)法保證嚴(yán)格的軌跡運(yùn)動(dòng)內(nèi)容，且不能嚴(yán)格約束不同點(diǎn)位姿態(tài)的變化，此時(shí)，為獲得軌跡數(shù)值和參數(shù)，需要將空間直線、圓弧軌跡規(guī)劃算法設(shè)計(jì)融合在一起，建立軌跡規(guī)劃圖。[9]

4 結(jié)語(yǔ)

機(jī)械臂是機(jī)器人應(yīng)用工作中關(guān)鍵的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，為了保證研究工序的合理性和規(guī)范性，應(yīng)結(jié)合人工智能技術(shù)建立對(duì)應(yīng)分析模式。傳統(tǒng)機(jī)械臂多固定在基座位置，操作范圍有限，因此對(duì)動(dòng)態(tài)機(jī)械臂的應(yīng)用研究受到了廣泛關(guān)注。結(jié)合關(guān)節(jié)應(yīng)用參數(shù)對(duì)簡(jiǎn)化流程予以全面處理，利用六自由度機(jī)械臂軌跡計(jì)算方式，運(yùn)用鏈?zhǔn)疥P(guān)節(jié)的特點(diǎn)完成硬件分析和結(jié)構(gòu)處理，綜合判定其運(yùn)動(dòng)軌跡，為更好地應(yīng)用六自由度機(jī)械臂提供保障。