探究六自由度工业机器人的运动控制系统

路宇飞　乔枫

摘 要：随着时代的进步，社会开始普及机器人产品，产品性能直接影响社会发展水平，需要及时改造和创新机器人技术。航空航天、工业生产等行业中已经广泛应用工业机器人，因此，未来发展研究六自由度工业机器人运动控制系统尤为重要。

关键词：六自由度 工业机器人 运动控制系统

中图分类号：TP242.2 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2016）06（b）-0058-02

自动化工业系统中工业机器人是一种不可或缺的设备，为人类社会进步和历史发展奠定基础。随着社会生产力的全面提升，越来越多的劳动力被需要，这就使得逐渐凸显出重复劳动力的问题，为了有效解决上述问题，机器人是一种良好措施。虽然工业机器人研究方面具备一定成绩，但是相比国外发达国家来说，还是具备一定差距，为此需要进一步研究六自由度工业机器人，集中阐述运动控制系统。

1 设计运动控制系统基本方案

基于六自由度工业机器人基本系统的基础上来构建控制系统，六自由度工业机器人运动控制系统主要包括两个部分：软件和硬件。软件主要就是用来完成机器人轨迹规划、译码和解析程序、插补运算，机器人运动学正逆解，驱动机器人末端以及所有关节的动作，属于系统的核心部位。硬件主要就是为构建运动控制系统提供物质保障[1]。

2 设计硬件控制系统

在六自由度工业机器人的前提下，利用ARM工控机来设计系统方案。下位机模块是DMC-2163控制卡。通过以太网工控机能够为DMC-2163提供相应的命令，依据命令DMC-2163执行程序，并且能够发出控制信号。利用伺服放大器对系统进行放大以后，驱动设备的所有电机进行运转，保障所有环节都能够进行动作。工业机器人通过DMC-2163输送电机编码器的位置信号，然后利用以太网来进行反馈，确保能够实时监控和显示机器人的实际情况。第一，DMC-2163控制卡，设计系统硬件的时候，使用Galil生产的DMC控制器，保障能够切实满足设计的性能和精度需求，选择DMC-2163控制器来设计六自由度工业机器人，依据系统API来二次开发工控机。第二，嵌入式ARM工控机。实际操作中为了满足系统高性能、可靠、稳定的需求，使用嵌入式Freescale IMx 6工控机，存在1.2 GHz主频率。Cortex-A9作为CPU，拥有丰富的硬件资源，能够全面满足设计六自由度机器人的需求[2]。

3 设计和实现控制系统软件

3.1 实现NURBS插补

依据系统给定的控制顶点、节点矢量、权因子来对NURBS曲线进行确定，插补NURBS曲线的关键实际上就是利用插补周期范围内存在的步长折线段来对NURBS曲线进行逼近，因此，想要实现NURBS插补就需要切实解决密化参数和轨迹计算两方面内容。第一，密化参数。实际上就是依据空间轨迹中给定的补偿来对参数空间进行映射，利用给定步长来计算新点坐标和参数增量。第二，轨迹计算。实际上就是在具体体现空间回轨迹的时候合理应用参数空间坐标进行反向映射，以便于能够得到对应的映射点，也就是插补轨迹新点坐标。为了有效提升插补实时性以及速度，需要进行预处理，确保可以降低计算量。通过阿当姆斯算法，有机结合前、后向差分来进行计算，保障能够防止计算隐式、复杂的方程。为了确保可以有效地进行插补计算，设计过程中通过Matlab平台进行仿真处理[3]。

3.2 实现ARM工控机

基于ARM工控机来展现六自由度工业机器人运动控制系统的软件，实际操作中开发软件环境是首要问题，把Linux系统安装在Freescale IMx6中，构成ubuntu版本的控制系统，并且系统中移入嵌入式Qt，并且在ubuntu中移入DMC控制器中的Linux库[4]。利用图形用户界面来设计软件，构件主体框架的时候合理应用QMain Windows，为了能够全面实现系统所有模块的基本功能，需要合理应用QDialog、QWidget类，通过Qt信号、配置文件、事件管理、全局变量等来展现模块的信息交流功能。控制软件系统包括以下几方面内容：第一，文档管理模块。文档管理模块能够保存文件、重新构建文件，是一种可以被DMC-2163解析的文档二字符指令集，以便于能够简单控制代码测试机器人的轴[5]。第二，与下位机通讯模块，这部分实际上就是通过DMCComandOM（）函数来对编码器数值进行关节转角数据的获取，计算运动轨迹的时候应用正逆运动学，同时利用DMCdownloadFile（）函数，在控制器中下载运动指令。第三，人机界面模块。这种模块主要就是用来更新和显示机器人运动状态的，此外也能够设置用户输入的数据，保障能够实时监控和控制机器人的基本情况。第四，运动学分析模块，在已经获取末端连杆姿态和位置的基础上，来对机器人转角进行计算的方式就是逆解。在已经计算出关节转动角度的基础上，来对空间中机器人姿态和位置进行求解的方式就是运动学正解。机器人想要正确运行的前提就是运动学分析模块，并且对机器人目标点是否符合实际情况进行分析，保障能够及时更改错误。第五，轨迹规划模块。这种模块可以为完成基本运动作业提供依据，不仅可以完成圆弧运动和直线运动，也能够进行NURBS插补，保障能够自由地进行曲线运动。第六，机器人在完成十分复杂的再现和示教操作的时候，利用再现模式界面来对示教动作进行自动操作。第七，设置系统。设计的过程中应该对系统进行合理设置，如限制运动权限、进入系统的密码、机器人系统参数等。在设置系统参数的时候，能够在六自由度工业机器人中来实现控制系统软件的基本作用，以此来保障控制软件系统设计的通用性。第八，状态显示模块。这种模块可以具体显示完成作业的进度、机器人安装的姿态和位置、控制器I/O。第九，设置机器人参数，一般来说主要包括伺服驱动倍频比/分频比、运动学DH参数，六自由度工业机器人设计结构取决于DH参数；机器人DMC控制卡输送单个脉冲过程中的关节转动角度取决于倍频比/分频比[6]。

3.3 运行系统软件

软件控制系统设计中成功测试各模块以后，在程序主框架中进行合理应用，以便于设计实现机器人系统。成功测试系统软件以后具备运动控制系统的基本功能。

4 结语

综上，在基于目前已经存在的六自由度机器人系统上来设计运动控制系统，嵌入式ARM工控机和DMC-2163控制卡是硬件系统设计的关键。在Ubuntu的基础上构建Qt平台，此时合理科学地设计软件系统。此外把NUBRS插补计算方式融入到控制系统中，保障在轨迹空间中机器人末端能够形成自由曲线轨迹。运动控制系统为机器人提供图形界面，能够为系统运行提供比较好的扩展性、高通用性，并且操作也十分方便，因此这种运动控制系统应用具备广阔的前景。

参考文献

[1] 张鹏程，张铁.基于矢量积法的六自由度工业机器人雅可比矩阵求解及奇异位形的分析[J].机械设计与制造，2011（8）：152-154.

[2] 张鹏程，张铁.基于包络法六自由度工业机器人工作空间的分析[J].机械设计与制造，2010（10）：164-166.

[3] 倪受东，丁德健，张敏，等.视觉功能六自由度工业机器人的研制[J].制造业自动化，2012，34（24）：1-4，9.

[4] 吴应东.六自由度工业机器人结构设计与运动仿真[J].现代电子技术，2014（2）：74-76.

[5] 田东升，胡明，邹平，等.基于ANSYS的六自由度工业机器人模态分析[J].机械与电子，2012（2）：59-62.

[6] 栾本言，孙首群，田科技，等.六自由度工业机器人位姿误差的补偿方法[J].信息技术，2015（1）：191-194.