基于VC的平面并联机器人控制软件设计

韦鹭阳，李成刚，李佳璇，尹万新

(南京航空航天大学 机电学院，江苏 南京 210016)

基于VC的平面并联机器人控制软件设计

韦鹭阳，李成刚，李佳璇，尹万新

(南京航空航天大学 机电学院，江苏 南京 210016)

针对平面并联机器人结构，分析其逆运动学并提出一种轨迹规划方案。采用VC6.0设计一款人机交互软件，其包含图形界面、列表界面等功能模块，采用OpenGL编写三维图形仿真界面。软件通过调用PMAC的动态链接库实现与下位机的通讯，从而控制机器人按目标轨迹运动。最后通过实验证明了该软件的实用性与合理性。

平面并联机器人；运动学；轨迹规划；人机交互

近年来，随着机器人应用领域的不断扩大，适用于搬运、分拣等作业的平面并联机器人由于其具有刚度大、速度快等优点，逐渐受到国内外学者的重视[1-2]。天津大学从该机器人结构分析、运动学标定等方面进行研究[2]，研制的Diamond机械手已应用于锂电池分拣生产线[3]。文献[4]从教学型机械手的需要出发，进行了平面并联机器人工作控制系统建造等研究。

目前平面并联机器人的操作控制一般采用人工示教或离线编程实现，对操作人员的技术要求较高，且更新工作任务周期长，既增加生产成本，又降低生产效率。为简化并联机器人的控制操作，提高机器人运动规划和任务更新效率，本文针对自行设计的全铰链平面并联机器人提出一种控制软件设计方案，可增强机器人的可操作性和用户界面的友好性。

1 平面并联机器人

1.1平面并联机器人结构

自行设计的平面并联机器人如图1所示。机器人包含机架、动平台及2个结构相同的支链，每个支链中的杆件组成2个平行四边形，各杆件间运动副都是与电机轴同向的转动副，当安装在机架上的两台伺服电机带动主动臂转动时，各运动杆件联动，最终实现动平台的二自由度平动。

1.2机器人逆运动学

研究机器人的逆运动学是研究其控制软件的理论基础。由于支链中存在平行四边形结构，机器人的运动学实际是由主动臂、从动臂和机架组成的平面五杆并联机构运动学[5]，如图2所示。

图1 平面并联机器人

应用平面几何知识及余弦定理推导出平面五杆并联机构的逆运动学公式

(1)

式中：

图2 平面五杆并联机构简图

1.3轨迹规划

一般地，机器人在其工作空间内运动，期望操作臂的运动是平滑的，为此要进行轨迹规划，定义一个连续且具有连续一阶导数甚至有连续二阶导数的运动函数。通常用户在操作机器人时关心的是末端执行器路径，即用笛卡尔位姿关于时间的函数来描述路径形状，最常见的路径形状为直线。为保证末端执行器运动平滑，本文采用末端速度关于时间的三次多项式函数进行轨迹规划，其在{s-t}坐标系中的曲线如图3所示。

图3 末端期望路径曲线

由图3中可以看出，机器人末端直线段运动有加速、匀速、减速3个运动阶段，速度的表达式为

(2)

a.当0≤t≤t1时，机器人末端为加速运动，其中

(3)

将式(3)代入式(2)中，联立方程组求得速度表达式系数

(4)

从而得到加速阶段速度表达式

(5)

b．当t1

(6)

c．当tf-t2

(7)

将式(7)代入式(2)中，联立方程组求得速度表达式系数

(8)

从而得到减速阶段速度表达式

(9)

联立式(5)、(6)、(9)得速度表达式

(10)

式中：t1为用户给定的加速时间；t2为给定的减速时间；vmax为给定的运动速度；tf为运动总时间。

对式(10)关于时间t积分，整理得位移表达式

(11)

将t=tf代入式(11)得

(12)

解得

(13)

式中：(x0,y0)为用户给定的路径起始点坐标；(x1,y1)为用户给定的路径终止点坐标。

分解位移表达式可得坐标表达式

(14)

将式(11)、(13)代入式(14)，即得末端轨迹坐标表达式。

在笛卡尔空间生成路径后，需要应用逆运动学公式实时求解各关节角度。由于平面并联机器人逆运动学相对简单，且PMAC提供样条插值运动模式，所以笛卡尔空间轨迹规划方法能有效应用于平面并联机器人。

2 软件操作界面设计

2.1功能模块划分

考虑到机器人控制软件既要有完善的功能又要有友好的操作界面，因此软件运行环境为装有Windows操作系统的IPC，开发环境采用VC6.0编程工具、基于对话框的框架形式。整个操作主界面划分为图形界面、列表界面、监控界面及控制界面4个功能模块。整个系统的工作流程如图4所示。

图形界面：用于显示和修改机器人末端轨迹情况，与用户有良好的交互性。

列表界面：用于显示和修改机器人所有路径信息。

监控界面：主要显示机器人关节的运动情况。

控制界面：主要负责给下位机发送指令，控制机器人运动。

图4 控制系统结构图

2.2三维图形仿真

为避免机器人在实际运行中发生不可预测的碰撞，本文采用基于OpenGL的三维绘图方法，旨在将平面并联机器人末端沿目标轨迹的运动模拟展示给用户，使机器人运动更直观。由于三维图形仿真界面为控制软件的辅助功能模块，因此该模块建立在非模态子对话框的基础上。三维仿真模块的具体流程如图5所示。

图5 三维仿真模块流程图

2.3上位机与下位机通讯

PMAC是美国Delta Tau公司推出的多轴运动控制器，具有实时性强、稳定性好、效率高等优点，用来与下层执行机构进行数据通信，同时其配套PComm32驱动程序作为与上层应用程序的通讯桥梁[6]。使用该通信驱动程序常用的方法是加载其动态链接库PComm32.dll到程序内存中。由于多自由度工业机器人运动学的复杂性，为了保证机器人运行不受计算耗时和通讯延迟的影响，工程上常用的方法是使用上位机做运动学解算，通过双端口RAM通信把各关节的运动信息发送至下位机。另外，还有一种方法是上位机把末端路径信息发送至下位机，下位机通过预先编好的运动学解算程序计算出各轴的运动状态[7]。本文采用第二种方法，把机器人轨迹规划方程和运动学逆解方程写成PMAC的运动程序文件，并保存至控制软件的工程目录下。在控制软件的初始化函数中载入DLL文件，并使用其提供的PmacDownloadA()函数把运动程序文件下载至PMAC的程序缓冲区中。当操作人员在软件界面中创建或修改机器人末端路径时，程序通过PmacSendCommandA ()函数将路径信息保存至PMAC的全局变量中，在PMAC获得上位机发来的执行运动程序指令后，PMAC执行轨迹规划和逆运动学解算，并控制机器人各关节运动。

2.4软件封装

在VC6.0中，按下F7或点击Build *.exe菜单后，系统自动编译并生成EXE可执行程序。把EXE文件、DLL文件和三维图形文件放在同一个目录中，使用安装包制作工具完成控制软件的封装。

3 实例运行

运行软件，鼠标按下图形界面旁的“直线”按钮，在图形界面中单击鼠标左键，此时软件自动创建新路径。新路径的起始点为机器人初始点或上一段路径终止点，新路径的终止点为鼠标当前位置，路径为两节点间的直线段，加减速时间和运动速度均为默认值。同时，新路径的所有信息显示在列表界面中，并且机器人两个电机的期望转角曲线绘制在监控界面中。双击列表界面中要修改的路径信息，输入新路径信息并回车，此时图形界面和监控界面重绘图形。控制软件主界面如图6所示。

图6 控制软件主界面

按下图形界面的“3D”按钮，弹出三维图形仿真界面，此时可查看机器人在给定路径下的模拟运行状态，如图7所示。按下主界面的运行按钮，机器人开始沿目标轨迹运动。机器人两个电机的期望转角和实际转角曲线如图8所示。由图可以看出，实际转角曲线和期望转角曲线基本一致，由此推断机器人沿期望轨迹运行。

图7 三维仿真界面

图8 实例运行的电机转角曲线

4 结束语

本文针对一种平面并联机器人，应用VC6.0与OpenGL开展其控制软件的研究，实现了以图形操作为主的控制方式，采用功能模块划分的设计思路，使操作环境更友好更简单,使用PMAC作为下位机接收路径信息，进行轨迹规划和逆运动学解算。相对传统的机器人离线编程，该控制软件更具有针对性、交互性、高效性，可为工业机器人交互软件的发展提供参考。

[1] 赵永杰. 高速轻型并联机械手动态设计理论与方法[D].天津： 天津大学, 2006.

[2] 李占贤. 高速轻型并联机械手关键技术及样机建造[D]. 天津：天津大学, 2004.

[3] 梅江平. Diamond高速并联机械手[J]. 天津科技,2007,34(4): 23-25.

[4] 周兰菊，梅江平，陈志刚. 基于Diamond机械手的实验设备研究与实现[J]. 组合机床与自动化加工技术，2008(9): 85-87.

[5] 辛洪兵，余跃庆. 平面五杆并联机器人运动学导论[M]. 北京: 国防工业出版社, 2007.

[6] 刘蕾，唐为义，原所先. 基于VC++与PMAC的机器人控制软件的开发[J]. 微计算机信息， 2008(5): 203-205.

[7] 朱俊华. 基于PMAC的五杆机构控制系统研究[D]. 武汉：武汉科技大学, 2006.

DevelopmentofVC-basedcontrolsystemfortheplanarparallelrobot

WEI Luyang, LI Chenggang, LI Jiaxuan, YIN Wanxin

(Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Jiangsu Nanjing, 210016, China)

Aiming at the structure of planar parallel robot, it analyzes its inverse kinematics and proposes a trajectory planning scheme, designs a human-computer interactive software based on VC6.0, applies a 3D graphics simulation interface with OpenGL to develop the interactive software, which includes function modules such as graphic interface, list interface etc. Through calling the dynamic link library of PMAC, the software can communicate with the lower computer to ensure the robot for the target trajectory movement. It takes the experiment to prove the practicability and rationality of the software.

planar parallel robot; kinematics; trajectory planning; human-computer interaction

10.3969/j.issn.2095-509X.2014.12.003

2014-12-04

中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(NZ2013307)；国家自然科学基金资助项目(51405237)

韦鹭阳(1987—)，男，广西武鸣人，南京航空航天大学硕士研究生，主要研究方向为工业机器人技术。

TP311

A

2095-509X(2014)12-0011-05