对六自由度机械臂智能控制系统设计分析

钱甦阳 周平

摘 要：加强六自由度机械臂智能控制的研究，对于机械臂的平稳运行具有重要的作用。而在设计过程中，涉及到控制算法设计、软件优化和硬件优化设计以及机械设计等内容，其中各个环节之间还存在一定的联系，为此需要从整体入手，进行科学的协调控制。除此之外，根据机械臂运动状态来看，想要促进机械臂的自由运动，至少需要六自由度力学模型，文章就此进行了相关研究设计。

关键词：六自由度;机械臂;智能控制;系统设计

关于六自由度机械臂的智能控制系统来说，主要的研究工作就是为了能够促进机械臂根据相关操作人员的命令指示实现各种规定动作，为此需要科学规划机械臂的轨迹动作，随后在其中的所有关节轴位置通过科学控制方式让机械臂实现预期动作。而控制算法则是让机械臂保持准、平滑动作的重要步骤。控制算法设计过程中通常是以运动学模型为基础，本文以六自由度机械臂动力模型为基础进行了设计与研究。

一、六自由度机械臂控制系统的算法设计

1.建立模型

如图1所示，六自由度机械臂中的机械结构主要包括六种自由度，是一种三维开环链式的结构，自下而上可以分成旋转臂、富养臂和基座等部分构成，而机械臂中的这些结构又由六种不同的旋转关节作为连接体，也就是腕部回转、腕部偏转、腕部俯仰、肘部仰俯、肩部仰俯和肩部回转等。通过对上述六种状态进行全面准确控制，就能够让机械臂在相应的工作环境内实现自由的状态变化。

图 1 机械臂模型

针对上述文中提到的六种关节运动模式，参考D-H原则和右手规则，建立起运动坐标系，随后结合机械臂内部互相连接的杆件之间所拥有的一种空间几何联系，建立起针对六自由度机械臂运行过程的方程式，从而能够将机械尾端位置和机械关节坐标之间的联系性准确展示出来，其中比较常见的就是逆运动学模式。同时自动化的机械臂控制器还能以逆运动学理论为基础，在设计完美运动轨迹的过程中，让機械臂内部各种关节能够实现目标角度值，随后在通过合理调整关机位置，对机械臂进行科学控制。在建立机械臂构型后，还应该明确相应的运动学参数。在六自由度机械臂中，本文主要通过D-H规则来科学选定运动参数，并通过齐次方程对六自由度机械臂中的连杆在坐标系中的几何关系进行确定。利用齐次矩阵对相邻连杆之间的几何联系通过齐次矩阵进行准确描述，随后就可以推理出机械臂在参考坐标系中的末端位置。

2.规划算法

规划轨迹属于一种能够控制六自由度机械臂整个运动状态的重要步骤，在各种形式不同的运动方式下，需要使用合理的轨迹规划算法，从而了解到恰当的轨迹曲线属于一项较为简便的规范轨迹算法。但是这种单一的规划轨迹算法，不能够完全满足智能化六自由度机械臂在运动过程中的柔性冲击和刚性冲击。在未来发展过程中，需要结合不同的规划曲线发展特征设计出合成模式的规划曲线，在利用这一轨迹规划算法的过程中，通常是通过分段函数算法进行计算，在各个函数段中，相应的拐直点应该和运动的参数状态进行有效连接。文章中还涉及到了其他运动模式下的控制算法，其中包括TEACH MODE以及AUTO MODE等运转模式，不但能够让系统根据制定出的运动轨迹进行运动，同时还能够对系统进行实时调控。在使用TRIAL MODE的运动模式进行设计工作时，通常会通过阶梯形分割曲线进行设计，同时要求在各个采样周期中进行分层规划。除此之外，还应该对插补算法下的运行轨迹进行有效约束。

3.算法的调试

在完成六自由度机械臂中的控制算法设计工作后，建立机械臂的实验模型前，应该对机械臂算法进行科学编写，随后对软件系统进行科学调试，通过解算函数算法进行准确验证，从而为函数算法的控制逻辑有效性以及可行性提供基础保障。文章中主要是以WINCE平台为基础来建立机械臂的智能化控制系统，并通过C语言来编制相应的算法代码，为控制器的运行打好基础，在选择软件框架时，应该尽量使用MFC框架结构，并对程序框架进行科学设计，其中的主要功能包括坐标系参数、运行参数、工具参数以及机械参数等内容，同时还能保证对其中各种运动模型进行仿真验证。

二、六自由度机械臂硬件系统设计

在设计机械臂的过程中还应该充分结合系统内部的机电耦合联系，随后将设计过程综合划分成控制系统设计和机械结构设计两部分内容，在设计其中的硬件结构时，应该先对机械臂中的基础参数进行拟合筛选，随后将其组装成各种部件，随后通过推算其中的关机力矩来科学选择电机功率。

为了让机械臂能够在指定空间环境内完成预期的动作目标，从而将物品准确转移到指定位置当中，并实现姿态移动，需要让机械臂满足相应的自由度要求。而机械臂中选择构型结构是设计机械臂的基础工作，随着自由度的提高，机械臂所具有的灵活程度也就越高，但随之而来的是内部控制结构复杂程度的提高。为此，应该根据具体的任务条件，科学选择机械臂的自由度。文章中以六自由度条件下机械臂运动模型为基础，设计出拥有六种活动关节的机械臂，为了能够让机械臂实现封闭解，需要让其中互相连接的三种关节轴线融汇于一点当中，为此在决定定位结构的过程中，可以通过九十度角或是零度角模式的简化结构连杆。而机械臂内部所拥有的六种关节主要可以通过六种力矩电机作为动力源。

能够推动机械臂进行关节运动的驱动电机拥有多种类型可以选择，在本文设计过程中，主要是选择直流伺服电机，这种电机在控制过程中较为便捷，同时整体结构也较为简单。除此之外，为了能够让机械臂实现各种类型的运动要求，还应该结合机械臂中各种关节所能承受的最大角度以及电机的最高负荷，在正常条件下，电机选择中的核心参考指标就是电机在运行峰值中的堵转功率。各个关节之间的动力参数是选择机械臂中传动元件和各个关节驱动元件的主要参考，为此可以通过动力学方法和静力学方法对机械臂运行过程中所产生的动力参数进行准确计算。静力学的计算方法其实就是单纯计算静负载，随后忽视其中的动态化影响。而动力学的计算方法就是在对其中的动态负载和静态负载进行同时计算。在假设连杆中的核心承载连杆和节点中心位置的承载关节后，就可以对各个关节中的力矩要求进行计算。

1.电源电路

相关控制芯片需要在一定的环境状态下进行各项工作，为此需要让控制芯片的工作环境保持3.3V的稳定电压状态，通过对电源进行开关，随后将B050LS模块进行连接，从而能够让产生的3.3V电压保持一种稳定的输出状态，预防因为电压不稳而对控制芯片的运行状态产生不良影响。

2.时钟电路

尽管在DSP TMS320LF2407中拥有振荡器，但是为了能够促进时钟控制稳定性和整体精度的有效提高，正常情况下会将有源晶振连接到外部当中。因为机械臂控制系统在运行过程中对时钟质量提出了较高的要求，因此可以选择四管脚模式的有源晶振。除此之外，DSP TMS320LF2407中還能利用锁相环模式进行运转，让外部时钟源能够实现倍频，从而获得一种比较平稳的时钟信号。

3.外接SRAM电路

DSP TMS320LF2407芯片内部的外部数据控制最大为64K，而其中最多外部寻址空间是64K外部程序空间。在此次设计方案之中，控制算法的运行需要相适应的储存空间，而DSP TMS320LF2407芯片中的储存空间无法满足相应的要求，为此系统可以通过外部扩充模式，使用RAM CY7C1021C33，其中的存储空间是64K，16bit，这一芯片使用过程中具有能够在所有周期内进行飞速运行的优势特点。

4.CAN总线

DSP TMS320LF2407芯片中，利用PCA82C250来推动通信接口的，从而能够促进系统发挥出相应的差动收发功能。在此次设计工作中，主要是利用电平转换模块设计来为PCA82C250内部电源电压的稳定运行提供基础保证的，为了促进电路的有效简化，通常都是通过最简电阻进行分压，从而对电平进行科学转化，为了促进数据通信系统相关安全性和抗干扰能力的有效提高，可以将具有迅速恢复能力的两个匹配终端电阻和1N5219肖特基二极管连接到这一模块当中。

三、六自由度机械臂软件系统设计

1.PID控制算法

DSP TMS320LF2407是其中的主要控制芯片，其中的位置环双闭环和速度环都是通过PID积分分离的方式进行科学控制的，除此之外，为了让系统内部控制工作能够实现稳定运行，还应该参考现实运行状态调试系统中的控制规律，在找准电机的具体位置后，应该充分结合增量编码器中Z通道输出信号和零位霍尔开关。PID这种控制方法在应用过程中比较简便，同时拥有较强的适用性。操作原理也较为简单。在PID控制器运行过程中，其中的输出U（T）和输入E（T）之间的关系如下，

在上述公式中能够调节比例的参数是Kp，而它的主要功能是通过调整系统来个降低超调量，除此之外，还能对其中的速度调节起到有效的控制作用。但是在参数超标的情况下，会降低系统的整体稳定性。积分调节参数还能够消除其中的稳态误差，同时还能对系统中的各种变化进行及时反应，从而实现系统超前控制，能够有效提高系统动态性。

2.通信软件设计

机械臂在活动控制过程中，不仅会和其中的六种下位机通信，同时还会和I/O板之间进行信息的交互活动，从而对其中的液压装置以及推进装置进行科学控制，这些内容都需要经过CAN通信这一步骤，CAN通信平台中使用的是标准帧格式和数据帧类型。其中上位机中传输出来的数据信息包括I/O控制量、PID参数、关节中的重力矩、预期速度以及期望角度等。至于接收到的信息包括目前机械臂中的推进装置、各轴合成角度和传感器中的位移数值等。下位机之间通常不会进行通信，而是和上位机之间进行交互。为此可以借助上位机协调管理下位机，上位机属于一种主动状态，而下位机是一种从动状态，只有下位机接收了相应的指令以及帧数据时，才会出现数据反应。

3.上位机软件设计

在此次方案设计过程中，主要时将PC机当作是上位机，在操作系统当中设计监控程序，随后能够实现控制运动算法、轨迹规划以及信息通讯等功能。上位机还能对其中的界面操作进行反应，在INI数据库文件当中提取适合的参数，随后结合用户的需要设定关节位置和机械臂的轨迹规划，和各个关节以及通信总线之间进行通信，将控制命令发送出去，推动电机的运行。为了让软件系统中的功能可以同步实现，可以使用多线程方法设计，将响应桌面功能作为其中的主线程，在软件开启后，正式进行各项工作，一直等到软件系统关闭，将消费传输到相关目标对象或是组件当中。

四、结语

综上所述，目前在我国的工业领域当中，机械臂得到了广泛的应用，能够促进工业的稳定生产。此次设计过程中，结合了机械臂使用过程中的动作特征，以六自由度机械臂动力模型为基础进行了设计工作，同时在计算关节力矩推动机械臂运动过程中所需要的电机类型，为了能够让各个部位之间能够进行顺畅通信，将各个控制关节器和工控机连接到CAN总线当中，通过PID方法控制调节系统的整体性能与状态，从而提高系统反应。

参考文献：

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