六自由度機器人運動控制與分析研究

洪偉程,韓成浩，張譯心，張師

(1.吉林建筑大學研究生院，吉林 長春 130000；2.東北電力大學電氣工程學院，吉林 吉林 132012)

1 引言

隨著中國制造2025的提出與智能變電站的發展，機器人在電力設備巡檢、數據分析與處理等方面的作用日益凸顯，人們的生產、生活未來也將更需要機器人的參與[1-3]。未來機器人的發展必將輔助中國電網向智能化、現代化建設邁進一大步。六自由度機器人的有序工作，高度依賴于合理的運動方案和高效的運動算法，因此，對六自由度機器人運動進行控制與分析是一項值得研究的工作。

目前，國內外關于六自由度機器人控制方面的研究已經取得了一些成果：文獻[4]以六自由度機器人為研究對象，進行運動學分析，設計并優化逆解算法，最后仿真驗證了該算法能夠正確地得到運動學逆解，關節角度變化曲線平滑連續，為機器人后續的軌跡規劃和運動控制研究提供了可靠的依據。文獻[5]為了更加精準地控制工業機器人，使其能按照預定軌跡完成規定任務，以典型的六自由度串聯機器人為研究對象，對其運動學進行分析和研究。文獻[6]為提高并聯機器人機構和運動控制設計的效率和準確性,以6-UPU并聯機器人為研究對象進行運動仿真分析，驗證其結構設計的合理性和控制算法的有效性。文獻[7]對六自由度機器人的機械臂進行正向運動學建模，運用解析法進行逆運動學求解，運用蒙特卡羅法分析其工作空間，并驗證模型的合理性。

基于以上分析，本文將對六自由度機器人進行運動控制研究，并進行正運動、你運動分析，最后基于機器人定位實驗進行有效性驗證。

2 六自由度機器人運動控制設計

六自由度機器人運動控制系統主要包括上位PC機、運動控制器、伺服系統和限位報警傳感器等部分組成，控制系統圖如圖1所示[8]。PC機的主要作用是可視化處理與參數計算，讓使用者能夠實時了解機器人的運動狀態。運動控制器由STM32與PC機連接，將接收到的機器人實時運動數據送入寄存器，并由寄存器對信號進行處理與控制。伺服系統可以輔助對機器人進行精確的位置控制。此外，STM32還通過達林頓管將信號傳給繼電器。

圖1 控制系統圖

運動控制器硬件采用STM32+FPGA的結構，基于STM32的高速SPI接口擴展W5500以太網控制器，實現運動控制器和PC機的以太網通信。

基于PC機+運動控制器結構組成的機器人控制系統軟件設計，可分為 PC 機應用程序軟件設計和運動控制器軟件設計兩部分。其中STM32程序主要包括通信模塊程序、數據處理模塊程序、初始化參數設置模塊程序、電機控制模塊程序、通用 I/O 控制模塊程序五部分。

3 六自由度機器人運動分析

六自由度機器人D-H坐標系如圖2所示。

圖2 六自由度D-H坐標系

六自由度機器人位姿變換矩陣可以表示為：

(1)

式中的TA、TB、TC、TD可以表示為：

(2)

(3)

(4)

(5)

式中：θi為連桿轉角；αi-1為連桿扭角；di為連桿偏距。

根據式(1)可以得到機器人末端坐標系相對于基坐標系的位姿矩陣，也就是將每一個關節變換矩陣相乘，得到最后結果：

(6)

式中：nx、ny、nz、ox、oy、oz、ax、ay、az、px、py、pz均為關于θi、αi-1和di的函數。

通過采用以上分析可以實現六自由度度機器人的精準定位。

4 六自由度機器人定位實驗

采用機器人對三個點進行精確定位實驗，每個點實驗五次，得到結果如圖3～圖5所示。

圖3 測量點1實驗結果

圖4 測量點2實驗結果

圖5 測量點3實驗結果

通過對六自由度機器人進行重復定位精度測量實驗結果可以看出，六自由度機器人運動控制器設計是有效的，可以使機器人精確定位，誤差在0.1mm以內，滿足使用要求。

5 結論

本文對六自由度機器人的運動控制系統進行設計，并基于D-H坐標系研究了六自由度機器人的運動控制，并采用重復定位實驗驗證了機器人運動控制方法的有效性。