王 冉

(西安職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 西安 710032)

機(jī)器人運(yùn)動(dòng)分析及控制研究

王 冉

(西安職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 西安 710032)

對(duì)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行分析，并對(duì)其控制進(jìn)行研究通過研究機(jī)器人空間坐標(biāo)建立及姿態(tài)描述方法。采用關(guān)節(jié)坐標(biāo)系建立D-H參數(shù)表，對(duì)空間6R機(jī)械臂正運(yùn)動(dòng)進(jìn)行分析，研究機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，確定機(jī)械臂的初始位置，進(jìn)而設(shè)定其運(yùn)動(dòng)軌跡。通過直流電機(jī)的建模，分析轉(zhuǎn)矩特性及機(jī)械特性，并進(jìn)行matlab驗(yàn)證，同時(shí)建立機(jī)械臂關(guān)節(jié)控制系統(tǒng)，為進(jìn)一步研究機(jī)器人系統(tǒng)打好基礎(chǔ)。

空間坐標(biāo)；電機(jī)建模；控制系統(tǒng)

1 機(jī)器人空間坐標(biāo)建立及姿態(tài)描述

1.1 機(jī)器人系統(tǒng)常用坐標(biāo)系

機(jī)器人在編程的過程中需要確定抓取的位置，這就需要計(jì)算其坐標(biāo)，而機(jī)器人坐標(biāo)通常有以下幾種[1]：a基坐標(biāo)系，坐標(biāo)系的z軸和機(jī)器人的第1關(guān)節(jié)軸重合，常用于簡(jiǎn)單任務(wù)的編程；b世界坐標(biāo)系，多臺(tái)機(jī)器人共同協(xié)作，選擇共同的世界坐標(biāo)系，有利于機(jī)器人程序的交互；c用戶坐標(biāo)系，每個(gè)工作臺(tái)上的坐標(biāo)系；d工件坐標(biāo)系；e腕坐標(biāo)系，其z軸和機(jī)器人的第6根軸重合；f關(guān)節(jié)坐標(biāo)系，用來(lái)描述機(jī)器人每個(gè)獨(dú)立關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)。

本文分析機(jī)器人主要采用基坐標(biāo)系，機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制分析主要采用的是關(guān)節(jié)坐標(biāo)系，假設(shè)將機(jī)械臂末端移動(dòng)到期望位置，則可在關(guān)節(jié)坐標(biāo)系下，依次驅(qū)動(dòng)各關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)，從而引導(dǎo)機(jī)械臂末端達(dá)到指定位置[2]。

1.2 位置的描述

圖1 M點(diǎn)位置矢量

1.3 姿態(tài)的描述

空間的剛體不僅要表示其在空間的位置，還要表示出其在空間的姿態(tài)，本文采用方向余弦法來(lái)進(jìn)行機(jī)器人空間姿態(tài)描述。為了描述動(dòng)坐標(biāo)系{B}相對(duì)于定坐標(biāo)系{A}的姿態(tài)，先假設(shè)兩坐標(biāo)原點(diǎn)重合，如圖2所示。

圖2 姿態(tài)方向余弦描述

2 機(jī)器人運(yùn)動(dòng)分析

2.1 機(jī)器人運(yùn)動(dòng)描述

工業(yè)上常用的機(jī)器人多屬于串聯(lián)結(jié)構(gòu)，通常第一個(gè)桿件稱為機(jī)器人基座，最后一個(gè)桿件稱為末端執(zhí)行器，其運(yùn)動(dòng)鏈?zhǔn)怯梢幌盗袟U件通過不同的運(yùn)動(dòng)副或者關(guān)節(jié)連接而成，關(guān)節(jié)連接兩個(gè)桿件。

關(guān)節(jié)有兩種基本形式，即轉(zhuǎn)動(dòng)副R和移動(dòng)副P，本文采用約定形式：桿件的編號(hào)順序?yàn)?，1，2，…，n，各關(guān)節(jié)編號(hào)順序?yàn)?，2，…，n，其中第i個(gè)關(guān)節(jié)連接第i-1和第i個(gè)連桿，這樣，n自由度的機(jī)器人就由n+1個(gè)桿件和n各關(guān)節(jié)組成。

2.2 D-H坐標(biāo)系及參數(shù)建立

1) D-H坐標(biāo)系的建立規(guī)則：首先確定各坐標(biāo)系z(mì)軸，再進(jìn)一步確定坐標(biāo)系的x軸方向和坐標(biāo)原點(diǎn)。

2) D-H坐標(biāo)系下的參數(shù)主要包括：連桿長(zhǎng)度、連桿扭角、連桿偏距以及關(guān)節(jié)角。

2.3 空間6R機(jī)械臂正運(yùn)動(dòng)分析

空間6R機(jī)械臂構(gòu)型，包括7個(gè)連桿，編號(hào)為0～6，可建立7個(gè)坐標(biāo)系編號(hào)為1～7，坐標(biāo)系的建立遵循D-H坐標(biāo)系的建立規(guī)則，一般情況下，最后一個(gè)坐標(biāo)系的z軸方向與最后一個(gè)關(guān)節(jié)的z軸方向一致，其原點(diǎn)位于機(jī)械臂末端夾持器設(shè)定的操作點(diǎn)，根據(jù)所建立的坐標(biāo)系，得到D-H參數(shù)表，通過計(jì)算可獲得準(zhǔn)確的初始位置坐標(biāo)原點(diǎn)。

3 機(jī)器人控制分析

3.1 直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩特性及機(jī)械特性

直流電機(jī)的轉(zhuǎn)矩特性是指其他條件不變，當(dāng)負(fù)載變化時(shí)，電磁轉(zhuǎn)矩隨負(fù)載電流的變化規(guī)律[4]。

1) 并勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)

2) 串勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)

串勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁電流隨著負(fù)載的變化而變化，

理想狀態(tài)下主磁通不受負(fù)載的影響，其轉(zhuǎn)矩特性如圖3所示，其機(jī)械特性如圖4所示[5]。

圖3 直流電機(jī)轉(zhuǎn)矩特性曲線

圖4 直流電機(jī)機(jī)械特性曲線

轉(zhuǎn)矩特性測(cè)試代碼如下：

>> 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機(jī)械特性測(cè)試代碼如下：

>> 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 機(jī)器人獨(dú)立關(guān)節(jié)控制

通過分析機(jī)械臂結(jié)構(gòu)及其運(yùn)動(dòng)原理，進(jìn)而建立機(jī)械臂獨(dú)立關(guān)節(jié)控制系統(tǒng)模型，其原理如圖5所示。

如果每個(gè)關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)采用直流電機(jī)控制，永磁直流電機(jī)是自動(dòng)控制系統(tǒng)中常用的執(zhí)行元件，可將輸入的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)軸的角位移或者角度輸出，一般要求直流電機(jī)機(jī)電時(shí)間常數(shù)小、調(diào)速范圍寬等優(yōu)良的快速響應(yīng)特性。

圖5 機(jī)械臂獨(dú)立關(guān)節(jié)控制原理

4 結(jié) 論

通過分析空間坐標(biāo)體系、機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)及控制規(guī)律，建立機(jī)器人獨(dú)立關(guān)節(jié)控制的原理圖建立機(jī)器人自動(dòng)控制系統(tǒng)模型，通過理論分析即可進(jìn)行編程以控制機(jī)械臂準(zhǔn)確動(dòng)作，明顯提高工作效率，避免誤操作。

[1] 牛海清, 謝運(yùn)祥. 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)及其控制技術(shù)的發(fā)展[J]. 微電機(jī), 2012, 35(5): 36-38.

[2] 任美玲, 陶大錦. 機(jī)械臂的研究與進(jìn)展[J]. 出國(guó)與就業(yè): 就業(yè)教育, 2012(2): 84.

[3] 夏長(zhǎng)亮, 張茂華. 永磁無(wú)刷直流電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制[J]. 中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2013, 28(6): 104-109.

[4] 涂俊杰. 多變環(huán)境下移動(dòng)機(jī)器人智能控制方法的研究[D]. 北京: 北方工業(yè)大學(xué), 2014.

[5] 劉金琨. 機(jī)器人控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與MATLAB仿真[M]. 北京: 清華大學(xué)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

西安職業(yè)技術(shù)學(xué)院2017年度基金項(xiàng)目(2017QN01)

王冉(1985-)，女，陜西西安人，講師，研究方向：電子電路設(shè)計(jì)、單片機(jī)、自動(dòng)控制原理，手機(jī)：13359207639，E-mail：409432746@qq.com.

TP242

A

10.14101/j.cnki.issn.1002-4336.2017.02.039