机器人运动分析及控制研究

王 冉

(西安职业技术学院，陕西 西安 710032)

机器人运动分析及控制研究

王 冉

(西安职业技术学院，陕西 西安 710032)

对机器人的运动进行分析，并对其控制进行研究通过研究机器人空间坐标建立及姿态描述方法。采用关节坐标系建立D-H参数表，对空间6R机械臂正运动进行分析，研究机械臂的运动规律，确定机械臂的初始位置，进而设定其运动轨迹。通过直流电机的建模，分析转矩特性及机械特性，并进行matlab验证，同时建立机械臂关节控制系统，为进一步研究机器人系统打好基础。

空间坐标；电机建模；控制系统

1 机器人空间坐标建立及姿态描述

1.1 机器人系统常用坐标系

机器人在编程的过程中需要确定抓取的位置，这就需要计算其坐标，而机器人坐标通常有以下几种[1]：a基坐标系，坐标系的z轴和机器人的第1关节轴重合，常用于简单任务的编程；b世界坐标系，多台机器人共同协作，选择共同的世界坐标系，有利于机器人程序的交互；c用户坐标系，每个工作台上的坐标系；d工件坐标系；e腕坐标系，其z轴和机器人的第6根轴重合；f关节坐标系，用来描述机器人每个独立关节的运动。

本文分析机器人主要采用基坐标系，机器人运动控制分析主要采用的是关节坐标系，假设将机械臂末端移动到期望位置，则可在关节坐标系下，依次驱动各关节运动，从而引导机械臂末端达到指定位置[2]。

1.2 位置的描述

图1 M点位置矢量

1.3 姿态的描述

空间的刚体不仅要表示其在空间的位置，还要表示出其在空间的姿态，本文采用方向余弦法来进行机器人空间姿态描述。为了描述动坐标系{B}相对于定坐标系{A}的姿态，先假设两坐标原点重合，如图2所示。

图2 姿态方向余弦描述

2 机器人运动分析

2.1 机器人运动描述

工业上常用的机器人多属于串联结构，通常第一个杆件称为机器人基座，最后一个杆件称为末端执行器，其运动链是由一系列杆件通过不同的运动副或者关节连接而成，关节连接两个杆件。

关节有两种基本形式，即转动副R和移动副P，本文采用约定形式：杆件的编号顺序为0，1，2，…，n，各关节编号顺序为1，2，…，n，其中第i个关节连接第i-1和第i个连杆，这样，n自由度的机器人就由n+1个杆件和n各关节组成。

2.2 D-H坐标系及参数建立

1) D-H坐标系的建立规则：首先确定各坐标系z轴，再进一步确定坐标系的x轴方向和坐标原点。

2) D-H坐标系下的参数主要包括：连杆长度、连杆扭角、连杆偏距以及关节角。

2.3 空间6R机械臂正运动分析

空间6R机械臂构型，包括7个连杆，编号为0～6，可建立7个坐标系编号为1～7，坐标系的建立遵循D-H坐标系的建立规则，一般情况下，最后一个坐标系的z轴方向与最后一个关节的z轴方向一致，其原点位于机械臂末端夹持器设定的操作点，根据所建立的坐标系，得到D-H参数表，通过计算可获得准确的初始位置坐标原点。

3 机器人控制分析

3.1 直流电动机的转矩特性及机械特性

直流电机的转矩特性是指其他条件不变，当负载变化时，电磁转矩随负载电流的变化规律[4]。

1) 并励直流电动机

2) 串励直流电动机

串励直流电动机的励磁电流随着负载的变化而变化，

理想状态下主磁通不受负载的影响，其转矩特性如图3所示，其机械特性如图4所示[5]。

图3 直流电机转矩特性曲线

图4 直流电机机械特性曲线

转矩特性测试代码如下：

>> Cm=10；Ra=1.8；k=0.1；k1=0.2；>>Ia=0∶0.01∶15；>>Temb=Cm*k1*Ia；>> plot(Ia，Temb，’k’)

>> hold on>>axis([0，20，0，60])>>Temc=Cm*k*Ia.^2；>> plot(Ia；Temc；’b’)>> hold on机械特性测试代码如下：

>> U=220；Ra=0.17；p=2；N=398；a=1；psi=0.010 3；Cpsi=0.001 3；>>Te=0∶0.1∶5；>> Ce=p*N/60/a；

>> Cm=p*N/2/pi/a；>> n=U/Ce/psi-Ra*Te/Ce/Cm/psi^2；>>subplot(2，1，1)>> plot(Te，n，’k’)

>> hold on>> C1=1/Ce*(Cm/Cpsi)^.5；>> C2=1/Ce/Cpsi；>> n=C1*U*(Te+0.001).^(-.5)-C2*Ra；

>>subplot(2，1，2)>> plot(Te，n，’b’)>> hold on>> axis([0，5，0，60 000])

3.2 机器人独立关节控制

通过分析机械臂结构及其运动原理，进而建立机械臂独立关节控制系统模型，其原理如图5所示。

如果每个关节驱动采用直流电机控制，永磁直流电机是自动控制系统中常用的执行元件，可将输入的电压信号转换成转轴的角位移或者角度输出，一般要求直流电机机电时间常数小、调速范围宽等优良的快速响应特性。

图5 机械臂独立关节控制原理

4 结 论

通过分析空间坐标体系、机械臂运动及控制规律，建立机器人独立关节控制的原理图建立机器人自动控制系统模型，通过理论分析即可进行编程以控制机械臂准确动作，明显提高工作效率，避免误操作。

[1] 牛海清, 谢运祥. 无刷直流电动机及其控制技术的发展[J]. 微电机, 2012, 35(5): 36-38.

[2] 任美玲, 陶大锦. 机械臂的研究与进展[J]. 出国与就业: 就业教育, 2012(2): 84.

[3] 夏长亮, 张茂华. 永磁无刷直流电机直接转矩控制[J]. 中国电机工程学报, 2013, 28(6): 104-109.

[4] 涂俊杰. 多变环境下移动机器人智能控制方法的研究[D]. 北京: 北方工业大学, 2014.

[5] 刘金琨. 机器人控制系统的设计与MATLAB仿真[M]. 北京: 清华大学出版社, 2008.

A Control Research of Robot Motion

WANG Ran

(Xi’anVocationalandTechnicalCollege,Xi’an,Shanxi710032,China)

This paper has made an analysis of the movement of the robot, the which of its control is studied by the description method of robot posture and the establishment of spatial coordinates. Table joint coordinate system is adopted to establish D-H parameters to analyze the space of 6R manipulator that is moving to study the movement of mechanical arm and determine the initial position of mechanical arm. Then, it sets its trajectory. Through the analysis of the modeling of dc motor torque characteristics and mechanical properties, it has verified Matlab to establish a mechanical arm in joint control system. At the same time, it provided a basis for further research on robot system.

Spatial coordinates; Motor modeling; Control system

2017-01-11

西安职业技术学院2017年度基金项目(2017QN01)

王冉(1985-)，女，陕西西安人，讲师，研究方向：电子电路设计、单片机、自动控制原理，手机：13359207639，E-mail：409432746@qq.com.

TP242

A

10.14101/j.cnki.issn.1002-4336.2017.02.039