工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)動控制系統(tǒng)探討論文
摘要:隨著時代的進(jìn)步,社會開始普及機(jī)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(jī)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(jī)器人,因此，未來發(fā)展研究六自由度工業(yè)機(jī)器人運(yùn)動控制系統(tǒng)尤為重要。
關(guān)鍵詞:六自由度；工業(yè)機(jī)器人；運(yùn)動控制系統(tǒng)
自動化工業(yè)系統(tǒng)中工業(yè)機(jī)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(jī)器人是一種良好措施。雖然工業(yè)機(jī)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(jī)器人,集中闡述運(yùn)動控制系統(tǒng)。
1設(shè)計運(yùn)動控制系統(tǒng)基本方案
基于六自由度工業(yè)機(jī)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(jī)器人運(yùn)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(jī)器人軌跡規(guī)劃、譯碼和解析程序、插補(bǔ)運(yùn)算,機(jī)器人運(yùn)動學(xué)正逆解,驅(qū)動機(jī)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(yùn)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(jī)器人的前提下,利用ARM工控機(jī)來設(shè)計系統(tǒng)方案。下位機(jī)模塊是DMC-2163控制卡。通過以太網(wǎng)工控機(jī)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(jī)進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn),保障所有環(huán)節(jié)都能夠進(jìn)行動作。工業(yè)機(jī)器人通過DMC-2163輸送電機(jī)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(jī)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(jī)器人,依據(jù)系統(tǒng)API來二次開發(fā)工控機(jī)。第二,嵌入式ARM工控機(jī)。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FreescaleIMx6工控機(jī),存在1.2GHz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(jī)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(bǔ)依據(jù)系統(tǒng)給定的控制頂點(diǎn)、節(jié)點(diǎn)矢量、權(quán)因子來對NURBS曲線進(jìn)行確定,插補(bǔ)NURBS曲線的關(guān)鍵實際上就是利用插補(bǔ)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(bǔ)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(bǔ)償來對參數(shù)空間進(jìn)行映射,利用給定步長來計算新點(diǎn)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(diǎn),也就是插補(bǔ)軌跡新點(diǎn)坐標(biāo)。為了有效提升插補(bǔ)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(jī)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(bǔ)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(jī)基于ARM工控機(jī)來展現(xiàn)六自由度工業(yè)機(jī)器人運(yùn)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FreescaleIMx6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QMainWindows,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(jī)器人的軸[5]。第二,與下位機(jī)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(yùn)動軌跡的時候應(yīng)用正逆運(yùn)動學(xué),同時利用DMCdownloadFile()函數(shù),在控制器中下載運(yùn)動指令。第三,人機(jī)界面模塊。這種模塊主要就是用來更新和顯示機(jī)器人運(yùn)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(jī)器人的基本情況。第四,運(yùn)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(jī)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(jī)器人姿態(tài)和位置進(jìn)行求解的方式就是運(yùn)動學(xué)正解。機(jī)器人想要正確運(yùn)行的前提就是運(yùn)動學(xué)分析模塊,并且對機(jī)器人目標(biāo)點(diǎn)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(yùn)動作業(yè)提供依據(jù),不僅可以完成圓弧運(yùn)動和直線運(yùn)動,也能夠進(jìn)行NURBS插補(bǔ),保障能夠自由地進(jìn)行曲線運(yùn)動。第六,機(jī)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(yùn)動權(quán)限、進(jìn)入系統(tǒng)的密碼、機(jī)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(jī)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(jī)器人安裝的姿態(tài)和位置、控制器I/O。第九,設(shè)置機(jī)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(yùn)動學(xué)DH參數(shù),六自由度工業(yè)機(jī)器人設(shè)計結(jié)構(gòu)取決于DH參數(shù);機(jī)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(yùn)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(jī)器人系統(tǒng)。成功測試系統(tǒng)軟件以后具備運(yùn)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(jī)器人系統(tǒng)上來設(shè)計運(yùn)動控制系統(tǒng),嵌入式ARM工控機(jī)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(bǔ)計算方式融入到控制系統(tǒng)中,保障在軌跡空間中機(jī)器人末端能夠形成自由曲線軌跡。運(yùn)動控制系統(tǒng)為機(jī)器人提供圖形界面,能夠為系統(tǒng)運(yùn)行提供比較好的擴(kuò)展性、高通用性,并且操作也十分方便,因此這種運(yùn)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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