六自由度机器人运动控制与分析研究

洪伟程,韩成浩，张译心，张师

(1.吉林建筑大学研究生院，吉林 长春 130000；2.东北电力大学电气工程学院，吉林 吉林 132012)

1 引言

随着中国制造2025的提出与智能变电站的发展，机器人在电力设备巡检、数据分析与处理等方面的作用日益凸显，人们的生产、生活未来也将更需要机器人的参与[1-3]。未来机器人的发展必将辅助中国电网向智能化、现代化建设迈进一大步。六自由度机器人的有序工作，高度依赖于合理的运动方案和高效的运动算法，因此，对六自由度机器人运动进行控制与分析是一项值得研究的工作。

目前，国内外关于六自由度机器人控制方面的研究已经取得了一些成果：文献[4]以六自由度机器人为研究对象，进行运动学分析，设计并优化逆解算法，最后仿真验证了该算法能够正确地得到运动学逆解，关节角度变化曲线平滑连续，为机器人后续的轨迹规划和运动控制研究提供了可靠的依据。文献[5]为了更加精准地控制工业机器人，使其能按照预定轨迹完成规定任务，以典型的六自由度串联机器人为研究对象，对其运动学进行分析和研究。文献[6]为提高并联机器人机构和运动控制设计的效率和准确性,以6-UPU并联机器人为研究对象进行运动仿真分析，验证其结构设计的合理性和控制算法的有效性。文献[7]对六自由度机器人的机械臂进行正向运动学建模，运用解析法进行逆运动学求解，运用蒙特卡罗法分析其工作空间，并验证模型的合理性。

基于以上分析，本文将对六自由度机器人进行运动控制研究，并进行正运动、你运动分析，最后基于机器人定位实验进行有效性验证。

2 六自由度机器人运动控制设计

六自由度机器人运动控制系统主要包括上位PC机、运动控制器、伺服系统和限位报警传感器等部分组成，控制系统图如图1所示[8]。PC机的主要作用是可视化处理与参数计算，让使用者能够实时了解机器人的运动状态。运动控制器由STM32与PC机连接，将接收到的机器人实时运动数据送入寄存器，并由寄存器对信号进行处理与控制。伺服系统可以辅助对机器人进行精确的位置控制。此外，STM32还通过达林顿管将信号传给继电器。

图1 控制系统图

运动控制器硬件采用STM32+FPGA的结构，基于STM32的高速SPI接口扩展W5500以太网控制器，实现运动控制器和PC机的以太网通信。

基于PC机+运动控制器结构组成的机器人控制系统软件设计，可分为 PC 机应用程序软件设计和运动控制器软件设计两部分。其中STM32程序主要包括通信模块程序、数据处理模块程序、初始化参数设置模块程序、电机控制模块程序、通用 I/O 控制模块程序五部分。

3 六自由度机器人运动分析

六自由度机器人D-H坐标系如图2所示。

图2 六自由度D-H坐标系

六自由度机器人位姿变换矩阵可以表示为：

(1)

式中的TA、TB、TC、TD可以表示为：

(2)

(3)

(4)

(5)

式中：θi为连杆转角；αi-1为连杆扭角；di为连杆偏距。

根据式(1)可以得到机器人末端坐标系相对于基坐标系的位姿矩阵，也就是将每一个关节变换矩阵相乘，得到最后结果：

(6)

式中：nx、ny、nz、ox、oy、oz、ax、ay、az、px、py、pz均为关于θi、αi-1和di的函数。

通过采用以上分析可以实现六自由度度机器人的精准定位。

4 六自由度机器人定位实验

采用机器人对三个点进行精确定位实验，每个点实验五次，得到结果如图3～图5所示。

图3 测量点1实验结果

图4 测量点2实验结果

图5 测量点3实验结果

通过对六自由度机器人进行重复定位精度测量实验结果可以看出，六自由度机器人运动控制器设计是有效的，可以使机器人精确定位，误差在0.1mm以内，满足使用要求。

5 结论

本文对六自由度机器人的运动控制系统进行设计，并基于D-H坐标系研究了六自由度机器人的运动控制，并采用重复定位实验验证了机器人运动控制方法的有效性。