探究六自由度工業機器人的運動控制系統

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展水平，需要及時改造和創新機器人技術。航空航天、工業生產等行業中已經廣泛應用工業機器人，因此，未來發展研究六自由度工業機器人運動控制系統尤為重要。

關鍵詞：六自由度 工業機器人 運動控制系統

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

自動化工業系統中工業機器人是一種不可或缺的設備，為人類社會進步和歷史發展奠定基礎。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。雖然工業機器人研究方面具備一定成績，但是相比國外發達國家來說，還是具備一定差距，為此需要進一步研究六自由度工業機器人，集中闡述運動控制系統。

1 設計運動控制系統基本方案

基于六自由度工業機器人基本系統的基礎上來構建控制系統，六自由度工業機器人運動控制系統主要包括兩個部分：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的動作，屬于系統的核心部位。硬件主要就是為構建運動控制系統提供物質保障[1]。

2 設計硬件控制系統

在六自由度工業機器人的前提下，利用ARM工控機來設計系統方案。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，依據命令DMC-2163執行程序，并且能夠發出控制信號。利用伺服放大器對系統進行放大以后，驅動設備的所有電機進行運轉，保障所有環節都能夠進行動作。工業機器人通過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，確保能夠實時監控和顯示機器人的實際情況。第一，DMC-2163控制卡，設計系統硬件的時候，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機器人，依據系統API來二次開發工控機。第二，嵌入式ARM工控機。實際操作中為了滿足系統高性能、可靠、穩定的需求，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 設計和實現控制系統軟件

3.1 實現NURBS插補

依據系統給定的控制頂點、節點矢量、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NURBS插補就需要切實解決密化參數和軌跡計算兩方面內容。第一，密化參數。實際上就是依據空間軌跡中給定的補償來對參數空間進行映射，利用給定步長來計算新點坐標和參數增量。第二，軌跡計算。實際上就是在具體體現空間回軌跡的時候合理應用參數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。為了確保可以有效地進行插補計算，設計過程中通過Matlab平臺進行仿真處理[3]。

3.2 實現ARM工控機

基于ARM工控機來展現六自由度工業機器人運動控制系統的軟件，實際操作中開發軟件環境是首要問題，把Linux系統安裝在Freescale IMx6中，構成ubuntu版本的控制系統，并且系統中移入嵌入式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，為了能夠全面實現系統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、全局變量等來展現模塊的信息交流功能。控制軟件系統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（）函數來對編碼器數值進行關節轉角數據的獲取，計算運動軌跡的時候應用正逆運動學，同時利用DMCdownloadFile（）函數，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的，此外也能夠設置用戶輸入的數據，保障能夠實時監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。在已經計算出關節轉動角度的基礎上，來對空間中機器人姿態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，軌跡規劃模塊。這種模塊可以為完成基本運動作業提供依據，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和示教操作的時候，利用再現模式界面來對示教動作進行自動操作。第七，設置系統。設計的過程中應該對系統進行合理設置，如限制運動權限、進入系統的密碼、機器人系統參數等。在設置系統參數的時候，能夠在六自由度工業機器人中來實現控制系統軟件的基本作用，以此來保障控制軟件系統設計的通用性。第八，狀態顯示模塊。這種模塊可以具體顯示完成作業的進度、機器人安裝的姿態和位置、控制器I/O。第九，設置機器人參數，一般來說主要包括伺服驅動倍頻比/分頻比、運動學DH參數，六自由度工業機器人設計結構取決于DH參數；機器人DMC控制卡輸送單個脈沖過程中的關節轉動角度取決于倍頻比/分頻比[6]。

3.3 運行系統軟件

軟件控制系統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，以便于設計實現機器人系統。成功測試系統軟件以后具備運動控制系統的基本功能。

4 結語

綜上，在基于目前已經存在的六自由度機器人系統上來設計運動控制系統，嵌入式ARM工控機和DMC-2163控制卡是硬件系統設計的關鍵。在Ubuntu的基礎上構建Qt平臺，此時合理科學地設計軟件系統。此外把NUBRS插補計算方式融入到控制系統中，保障在軌跡空間中機器人末端能夠形成自由曲線軌跡。運動控制系統為機器人提供圖形界面，能夠為系統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機器人的研制[J].制造業自動化，2012，34（24）：1-4，9.

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

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

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