路宇飛　喬楓

摘 要：隨著時代的進(jìn)步，社會開始普及機器人產(chǎn)品，產(chǎn)品性能直接影響社會發(fā)展水平，需要及時改造和創(chuàng)新機器人技術(shù)。航空航天、工業(yè)生產(chǎn)等行業(yè)中已經(jīng)廣泛應(yīng)用工業(yè)機器人，因此，未來發(fā)展研究六自由度工業(yè)機器人運動控制系統(tǒng)尤為重要。

關(guān)鍵詞：六自由度 工業(yè)機器人 運動控制系統(tǒng)

中圖分類號：TP242.2 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2016）06（b）-0058-02

自動化工業(yè)系統(tǒng)中工業(yè)機器人是一種不可或缺的設(shè)備，為人類社會進(jìn)步和歷史發(fā)展奠定基礎(chǔ)。隨著社會生產(chǎn)力的全面提升，越來越多的勞動力被需要，這就使得逐漸凸顯出重復(fù)勞動力的問題，為了有效解決上述問題，機器人是一種良好措施。雖然工業(yè)機器人研究方面具備一定成績，但是相比國外發(fā)達(dá)國家來說，還是具備一定差距，為此需要進(jìn)一步研究六自由度工業(yè)機器人，集中闡述運動控制系統(tǒng)。

1 設(shè)計運動控制系統(tǒng)基本方案

基于六自由度工業(yè)機器人基本系統(tǒng)的基礎(chǔ)上來構(gòu)建控制系統(tǒng)，六自由度工業(yè)機器人運動控制系統(tǒng)主要包括兩個部分：軟件和硬件。軟件主要就是用來完成機器人軌跡規(guī)劃、譯碼和解析程序、插補運算，機器人運動學(xué)正逆解，驅(qū)動機器人末端以及所有關(guān)節(jié)的動作，屬于系統(tǒng)的核心部位。硬件主要就是為構(gòu)建運動控制系統(tǒng)提供物質(zhì)保障[1]。

2 設(shè)計硬件控制系統(tǒng)

在六自由度工業(yè)機器人的前提下，利用ARM工控機來設(shè)計系統(tǒng)方案。下位機模塊是DMC-2163控制卡。通過以太網(wǎng)工控機能夠為DMC-2163提供相應(yīng)的命令，依據(jù)命令DMC-2163執(zhí)行程序，并且能夠發(fā)出控制信號。利用伺服放大器對系統(tǒng)進(jìn)行放大以后，驅(qū)動設(shè)備的所有電機進(jìn)行運轉(zhuǎn)，保障所有環(huán)節(jié)都能夠進(jìn)行動作。工業(yè)機器人通過DMC-2163輸送電機編碼器的位置信號，然后利用以太網(wǎng)來進(jìn)行反饋，確保能夠?qū)崟r監(jiān)控和顯示機器人的實際情況。第一，DMC-2163控制卡，設(shè)計系統(tǒng)硬件的時候，使用Galil生產(chǎn)的DMC控制器，保障能夠切實滿足設(shè)計的性能和精度需求，選擇DMC-2163控制器來設(shè)計六自由度工業(yè)機器人，依據(jù)系統(tǒng)API來二次開發(fā)工控機。第二，嵌入式ARM工控機。實際操作中為了滿足系統(tǒng)高性能、可靠、穩(wěn)定的需求，使用嵌入式Freescale IMx 6工控機，存在1.2 GHz主頻率。Cortex-A9作為CPU，擁有豐富的硬件資源，能夠全面滿足設(shè)計六自由度機器人的需求[2]。

3 設(shè)計和實現(xiàn)控制系統(tǒng)軟件

3.1 實現(xiàn)NURBS插補

依據(jù)系統(tǒng)給定的控制頂點、節(jié)點矢量、權(quán)因子來對NURBS曲線進(jìn)行確定，插補NURBS曲線的關(guān)鍵實際上就是利用插補周期范圍內(nèi)存在的步長折線段來對NURBS曲線進(jìn)行逼近，因此，想要實現(xiàn)NURBS插補就需要切實解決密化參數(shù)和軌跡計算兩方面內(nèi)容。第一，密化參數(shù)。實際上就是依據(jù)空間軌跡中給定的補償來對參數(shù)空間進(jìn)行映射，利用給定步長來計算新點坐標(biāo)和參數(shù)增量。第二，軌跡計算。實際上就是在具體體現(xiàn)空間回軌跡的時候合理應(yīng)用參數(shù)空間坐標(biāo)進(jìn)行反向映射，以便于能夠得到對應(yīng)的映射點，也就是插補軌跡新點坐標(biāo)。為了有效提升插補實時性以及速度，需要進(jìn)行預(yù)處理，確?？梢越档陀嬎懔?。通過阿當(dāng)姆斯算法，有機結(jié)合前、后向差分來進(jìn)行計算，保障能夠防止計算隱式、復(fù)雜的方程。為了確保可以有效地進(jìn)行插補計算，設(shè)計過程中通過Matlab平臺進(jìn)行仿真處理[3]。

3.2 實現(xiàn)ARM工控機

基于ARM工控機來展現(xiàn)六自由度工業(yè)機器人運動控制系統(tǒng)的軟件，實際操作中開發(fā)軟件環(huán)境是首要問題，把Linux系統(tǒng)安裝在Freescale IMx6中，構(gòu)成ubuntu版本的控制系統(tǒng)，并且系統(tǒng)中移入嵌入式Qt，并且在ubuntu中移入DMC控制器中的Linux庫[4]。利用圖形用戶界面來設(shè)計軟件，構(gòu)件主體框架的時候合理應(yīng)用QMain Windows，為了能夠全面實現(xiàn)系統(tǒng)所有模塊的基本功能，需要合理應(yīng)用QDialog、QWidget類，通過Qt信號、配置文件、事件管理、全局變量等來展現(xiàn)模塊的信息交流功能?？刂栖浖到y(tǒng)包括以下幾方面內(nèi)容：第一，文檔管理模塊。文檔管理模塊能夠保存文件、重新構(gòu)建文件，是一種可以被DMC-2163解析的文檔二字符指令集，以便于能夠簡單控制代碼測試機器人的軸[5]。第二，與下位機通訊模塊，這部分實際上就是通過DMCComandOM（）函數(shù)來對編碼器數(shù)值進(jìn)行關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角數(shù)據(jù)的獲取，計算運動軌跡的時候應(yīng)用正逆運動學(xué)，同時利用DMCdownloadFile（）函數(shù)，在控制器中下載運動指令。第三，人機界面模塊。這種模塊主要就是用來更新和顯示機器人運動狀態(tài)的，此外也能夠設(shè)置用戶輸入的數(shù)據(jù)，保障能夠?qū)崟r監(jiān)控和控制機器人的基本情況。第四，運動學(xué)分析模塊，在已經(jīng)獲取末端連桿姿態(tài)和位置的基礎(chǔ)上，來對機器人轉(zhuǎn)角進(jìn)行計算的方式就是逆解。在已經(jīng)計算出關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動角度的基礎(chǔ)上，來對空間中機器人姿態(tài)和位置進(jìn)行求解的方式就是運動學(xué)正解。機器人想要正確運行的前提就是運動學(xué)分析模塊，并且對機器人目標(biāo)點是否符合實際情況進(jìn)行分析，保障能夠及時更改錯誤。第五，軌跡規(guī)劃模塊。這種模塊可以為完成基本運動作業(yè)提供依據(jù)，不僅可以完成圓弧運動和直線運動，也能夠進(jìn)行NURBS插補，保障能夠自由地進(jìn)行曲線運動。第六，機器人在完成十分復(fù)雜的再現(xiàn)和示教操作的時候，利用再現(xiàn)模式界面來對示教動作進(jìn)行自動操作。第七，設(shè)置系統(tǒng)。設(shè)計的過程中應(yīng)該對系統(tǒng)進(jìn)行合理設(shè)置，如限制運動權(quán)限、進(jìn)入系統(tǒng)的密碼、機器人系統(tǒng)參數(shù)等。在設(shè)置系統(tǒng)參數(shù)的時候，能夠在六自由度工業(yè)機器人中來實現(xiàn)控制系統(tǒng)軟件的基本作用，以此來保障控制軟件系統(tǒng)設(shè)計的通用性。第八，狀態(tài)顯示模塊。這種模塊可以具體顯示完成作業(yè)的進(jìn)度、機器人安裝的姿態(tài)和位置、控制器I/O。第九，設(shè)置機器人參數(shù)，一般來說主要包括伺服驅(qū)動倍頻比/分頻比、運動學(xué)DH參數(shù)，六自由度工業(yè)機器人設(shè)計結(jié)構(gòu)取決于DH參數(shù)；機器人DMC控制卡輸送單個脈沖過程中的關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動角度取決于倍頻比/分頻比[6]。

3.3 運行系統(tǒng)軟件

軟件控制系統(tǒng)設(shè)計中成功測試各模塊以后，在程序主框架中進(jìn)行合理應(yīng)用，以便于設(shè)計實現(xiàn)機器人系統(tǒng)。成功測試系統(tǒng)軟件以后具備運動控制系統(tǒng)的基本功能。

4 結(jié)語

綜上，在基于目前已經(jīng)存在的六自由度機器人系統(tǒng)上來設(shè)計運動控制系統(tǒng)，嵌入式ARM工控機和DMC-2163控制卡是硬件系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵。在Ubuntu的基礎(chǔ)上構(gòu)建Qt平臺，此時合理科學(xué)地設(shè)計軟件系統(tǒng)。此外把NUBRS插補計算方式融入到控制系統(tǒng)中，保障在軌跡空間中機器人末端能夠形成自由曲線軌跡。運動控制系統(tǒng)為機器人提供圖形界面，能夠為系統(tǒng)運行提供比較好的擴展性、高通用性，并且操作也十分方便，因此這種運動控制系統(tǒng)應(yīng)用具備廣闊的前景。

參考文獻(xiàn)

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