工業(yè)機器人運動控制系統(tǒng)設(shè)計探討

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1、工業(yè)機器人運動控制系統(tǒng)設(shè)計探討 摘要 隨著信息科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，工業(yè)機器人在控制質(zhì)量、工作效率、成本等方面表現(xiàn)出了較大的優(yōu)勢，運動穩(wěn)定、速度可調(diào)節(jié)、抗疲勞的工業(yè)機器人能夠替代人工完成相應(yīng)的操作(包括完 　　隨著信息科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，工業(yè)機器人在控制質(zhì)量、工作效率、成本等方面表現(xiàn)出了較大的優(yōu)勢，運動穩(wěn)定、速度可調(diào)節(jié)、抗疲勞的工業(yè)機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系數(shù)的工作)，將機器人應(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顯著降低人工工作量及生產(chǎn)成本，工業(yè)機器人已經(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，

2、作為一項重要的機電一體化技術(shù)機器人運動控制已成為工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域的重點研究方向。運動控制是實現(xiàn)機器人功能的基礎(chǔ)和重點，對機器人的性能起到直接決定作用，工業(yè)機器人在實際生產(chǎn)使用過程中易被多種因素干擾(如電、磁等)，對工業(yè)機器人的設(shè)計方案尤其是各項產(chǎn)品參數(shù)提出了更高的要求，需確保運動控制系統(tǒng)具備高效運動控制功能及穩(wěn)定的性能，因此本研究主要對機器人運動控制系統(tǒng)進行了設(shè)計。 　　1需求分析 　　隨著工業(yè)機器人在工業(yè)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，對機器人的控制及操作要求不斷提升，工業(yè)機器人主要由本體、驅(qū)動裝置及控制系統(tǒng)構(gòu)成，在軌跡空間中工業(yè)機器人需完成除基本運動(包括直線、圓弧等)外較為復(fù)雜

3、的運動，具備擬人功能的運動控制系統(tǒng)(一種機械電子裝置)作為工業(yè)機器人的核心構(gòu)成部分集合了多種現(xiàn)代先進技術(shù)(包括網(wǎng)絡(luò)計算機、人工智能、電子機械、傳感器等)，通過運動控制系統(tǒng)實現(xiàn)機器人復(fù)雜的軌跡運動，在實現(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，因此充分運用NURBS插補算法實時可靠的優(yōu)勢，在研究了NURBS軌跡規(guī)劃的基礎(chǔ)上對機器人運動控制系統(tǒng)進行設(shè)計具有較高的實際應(yīng)用價值。目前國內(nèi)已有工業(yè)機器人運動控制系統(tǒng)大多存在擴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器人[1]。本研究針對UPR100本體工業(yè)機器人(6自由度)在現(xiàn)有研究的基礎(chǔ)上完成了運

4、動控制系統(tǒng)的設(shè)計和實現(xiàn)過程，采用模塊化的設(shè)計原則，通過使用DMC運動控制卡實現(xiàn)主要控制功能，結(jié)合運用了抗干擾能力強(防潮、防塵、防振)、穩(wěn)定可擴展的工控機，實現(xiàn)對機器人運動過程的精準(zhǔn)控制。 　　2工業(yè)機器人運動控制系統(tǒng)設(shè)計 　　作為一項較為復(fù)雜的系統(tǒng)工程，基于人工智能裝置的完整機器人主要由執(zhí)行機構(gòu)、驅(qū)動裝置(由驅(qū)動器、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算機構(gòu)成，)等構(gòu)成，模仿人類手臂動作的操作機主要負責(zé)完成各類實操作業(yè)(主要由機座、末端執(zhí)行器、機械臂構(gòu)成)，驅(qū)動裝置負責(zé)完成電能到機械能的轉(zhuǎn)換從而將動力提供給操作機(可采取電力、液壓、氣壓幾種驅(qū)動方式)

5、;控制系統(tǒng)負責(zé)完成對機器人的檢測和操作控制過程以完成規(guī)定的動作，包括對機器人運動參數(shù)的檢測控制及反饋控制;人工智能系統(tǒng)主要負責(zé)完成邏輯判斷、模式識別及操作等功能(主要由實現(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)建的移動控制系統(tǒng)基于現(xiàn)有6自由度工業(yè)機器人完成，硬件部分負責(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器人程序的解譯、插補運算、軌跡規(guī)劃(包括運動學(xué)正逆解)，驅(qū)動機器人不同關(guān)節(jié)及末端裝置的運動。2.1設(shè)計思路機器人操作的順利完成離不開運動控制系統(tǒng)，運動控制系統(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CPU實現(xiàn))、主從控制(由主、從CPU構(gòu)成，分別負責(zé)

6、變換坐標(biāo)并生成軌跡、控制機械手動作)、分級控制(由上級主控計算機和下級多個微處理器構(gòu)成，分別負責(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)用廣泛的機器人對運動控制系統(tǒng)的研究和設(shè)計過程提出更高的要求，為適用不同種類機器人需采用開放式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，同時采用模塊化設(shè)計方式(即將系統(tǒng)劃分成實現(xiàn)不同子任務(wù)的多個功能模塊)提高系統(tǒng)的實用性和可靠性，多個機器人的協(xié)同控制需通過具備網(wǎng)絡(luò)通訊功能的運動控制系統(tǒng)實現(xiàn)(包括資源共享);通過直觀形象的人機接口及操作界面提升系統(tǒng)的人機交互性[2]。工業(yè)機器人運動控制系統(tǒng)主要由上位機、驅(qū)動裝置、執(zhí)行控制器構(gòu)成，由上位機負責(zé)機器人管

7、理和實時監(jiān)控，將位姿指令傳遞至區(qū)域控制器進行運動協(xié)調(diào)計算，由區(qū)域控制器實現(xiàn)對機器人各關(guān)節(jié)坐標(biāo)及軌跡的變換和生成，再由執(zhí)行控制器在完成機器人位姿及工作狀態(tài)的檢測和實時采集的基礎(chǔ)上實現(xiàn)對各關(guān)節(jié)伺服運動的有效控制過程。2.2控制系統(tǒng)硬件設(shè)計本研究所設(shè)計的運動控制方案分別采用嵌入式ARM工控機(FreescaleIMX6)和DMC控制卡(Galil公司)作為系統(tǒng)的上位機和下位機，控制系統(tǒng)硬件架構(gòu)，如圖1所示。圖1系統(tǒng)硬件架構(gòu)示意圖針對6自由度工業(yè)機器人通過由DMC運動控制器提供的API實現(xiàn)了在工控機上根據(jù)實際需要進行二次開發(fā)的功能。ARM工控機以Cortex核心處理器作為CPU，具備豐富的硬件資源，有

8、效的滿足了控制系統(tǒng)的需求，工控機同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據(jù)此發(fā)出相應(yīng)的電機控制指令信號，在經(jīng)伺服放大器放大后完成對機器人各電機轉(zhuǎn)動過程的驅(qū)動進而實現(xiàn)各關(guān)節(jié)的按要求運動;工控機同樣通過以太網(wǎng)收到各關(guān)節(jié)經(jīng)DMC反饋的位置信號(通過相應(yīng)的電機編碼器)，從而實現(xiàn)機器人狀態(tài)的實時顯示與監(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)的實現(xiàn) 　　3.1NURBS插補功能的實現(xiàn) 　　針對NURBS曲線軌跡，假設(shè)，控制頂點由Pi表示其中i∈[0，n]，同控制頂點對應(yīng)的權(quán)因子由wi表示，t表示參數(shù)

9、，k次B樣條基函數(shù)由Bi，k(t)表示，取n+k+1個節(jié)點值(分別由u0，u1，…，un+k表示)組成節(jié)點向量通常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]。(1)NURBS插補算法通過插補前的預(yù)處理操作(即確定NURBS的軌跡表達式)可使插補計算量顯著降低，進而確保了曲線的插補速度及實時性，以給定的Pi、wi及節(jié)點矢量為依據(jù)即可實現(xiàn)NURBS曲線的唯一確定，NURBS曲線插補的實質(zhì)為將到NURBS曲線本身的近似逼近過程通過步長折線段(屬于一個插補周期內(nèi))的使用完成，實現(xiàn)NURBS插補功能需要重點解決的問題為：密化參數(shù)，&D

10、elta;L和Δu分別表示進給步長和相應(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及新點的參數(shù)坐標(biāo)(表示為ui+1=ui+Δu)的求解[4]。計算軌跡，完成計算所獲取的坐標(biāo)值到軌跡空間的反向映射及插補軌跡的新坐標(biāo)點(表示為pi+1=p(ui+1))的獲取。在實際應(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)會參數(shù)u的變化而改變，對應(yīng)各段如式(3)[5]。使用Matlab平臺對本研究設(shè)計的插補算法進行仿真，控制節(jié)點在(0，1)間，控制頂點共有50個，權(quán)值取1，據(jù)此完成3階NURBS曲線的確定，插補

11、參數(shù)設(shè)置為：插補周期為1ms，最大進給速度及初始進給速度(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，最大法向進給加速度及最大加速度分別為0.8g和50000mm/s3，仿真實驗結(jié)果如圖2、圖3所示，生成的插補點同規(guī)劃軌跡相吻合[6]。 　　3.2軟件設(shè)計與實現(xiàn) 　　在ARM工控機上實現(xiàn)軟件部分，控制軟件系統(tǒng)功能設(shè)計，如圖4所示。將Linux系統(tǒng)安裝于FreescaleIMX6上(版本為ubun-tu)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

12、界面的主框架通過QMainWin-dow類的使用完成構(gòu)建，各模塊功能則通過QWidget/Dialog類的使用實現(xiàn)，通過Qt實現(xiàn)各模塊間的信交流。將各編碼器的值通過ComandOM()函數(shù)進行讀取后實現(xiàn)機器人各關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角的獲取，以供運動學(xué)計算和軌跡規(guī)劃;運動控制指令通過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別的測試與簡單控制。運動學(xué)分析模塊通過運動學(xué)正解和運動學(xué)逆解實現(xiàn)機器人各關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動的角度同空間中位置和姿態(tài)的相互對應(yīng)，據(jù)此實現(xiàn)機器人的正確運行及其目標(biāo)點情況的檢測[7]。機器人的作業(yè)任務(wù)通過軌跡規(guī)劃模塊確定所需使用的基本運動形式(包括直線、圓弧運動插補

13、及NURBS軌跡插補)，進而實現(xiàn)自由曲線運動過程。(1)機器人參數(shù)設(shè)置，據(jù)此完成對決定工業(yè)機器人本體結(jié)構(gòu)的運動學(xué)D-H參數(shù)、伺服驅(qū)動相關(guān)的決定對應(yīng)機器人關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動角度的分頻比/倍頻比的設(shè)置。(2)機器人軌跡規(guī)劃，DMC運動控制器可有效解決復(fù)雜的運動問題，其所包含的輪廓模式提供位置-時間曲線(在1～6軸內(nèi))的自定義功能，據(jù)此可實現(xiàn)對通過計算機產(chǎn)生軌跡的有效追蹤。在控制系統(tǒng)中，通過工控機提供的算法實現(xiàn)運動學(xué)正逆解和空間運動軌跡的規(guī)劃，并通過DMC協(xié)調(diào)控制各關(guān)節(jié)的運動情況，具體流程為：先建立空間軌跡參數(shù)方程，運動軌跡空間坐標(biāo)向量(x，y，z)每32ms(運動軌跡的插補周期)計算獲取，通過運動學(xué)反解末端

14、空間坐標(biāo)即可獲取對應(yīng)關(guān)節(jié)變量，據(jù)此計算得到電機軸的脈沖量(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作。(3)機器人示教作業(yè)，實現(xiàn)了包括MOVJ、NURBS、延時、數(shù)字運算等在內(nèi)的運動指令集，將機器人末端通過軸控制按鈕根據(jù)所選擇的合適坐標(biāo)系(以運動指令及指令參數(shù)為依據(jù))完成到目標(biāo)位置點運動的控制[8]。 　　4總結(jié) 　　智能化及自動化水平不斷提高的工業(yè)生產(chǎn)過程對工業(yè)機器人運動和控制提出了更高的要求，為使工業(yè)機器人空間中的復(fù)雜軌跡運動得以高效準(zhǔn)確的實現(xiàn)，本研究以UPR100機器人本體作為研究對象完成了機器人運動控制系統(tǒng)的設(shè)計，硬件主要使用DMC控制卡和ARM工控機作為硬件構(gòu)成，結(jié)合運用Qt環(huán)境(通過ubuntu平臺搭建)和NURBS插補算法完成了控制軟件的設(shè)計，通過控制系統(tǒng)操作界面即可實現(xiàn)機器人末端的自由曲線軌跡運動過程，該控制系統(tǒng)具備良好的擴展性、可靠性，為機器人控制領(lǐng)域的完善提供參考。 　　《工業(yè)機器人運動控制系統(tǒng)設(shè)計探討》來源：《微型電腦應(yīng)用》，作者：王玉婷