工業機器人的運動控制系統探討論文
工業機器人的運動控制系統探討論文
摘要:隨著時代的進步,社會開始普及機器人產品,產品效能直接影響社會發展水平,需要及時改造和創新機器人技術。航空航天、工業生產等行業中已經廣泛應用工業機器人,因此，未來發展研究六自由度工業機器人運動控制系統尤為重要。
關鍵詞:六自由度；工業機器人；運動控制系統
自動化工業系統中工業機器人是一種不可或缺的裝置,為人類社會進步和歷史發展奠定基礎。隨著社會生產力的全面提升,越來越多的勞動力被需要,這就使得逐漸凸顯出重複勞動力的問題,為了有效解決上述問題,機器人是一種良好措施。雖然工業機器人研究方面具備一定成績,但是相比國外發達國家來說,還是具備一定差距,為此需要進一步研究六自由度工業機器人,集中闡述運動控制系統。
1設計運動控制系統基本方案
基於六自由度工業機器人基本系統的基礎上來構建控制系統,六自由度工業機器人運動控制系統主要包括兩個部分：軟體和硬體。軟體主要就是用來完成機器人軌跡規劃、譯碼和解析程式、插補運算,機器人運動學正逆解,驅動機器人末端以及所有關節的動作,屬於系統的核心部位。硬體主要就是為構建運動控制系統提供物質保障[1]。
2設計硬體控制系統
在六自由度工業機器人的前提下,利用ARM工控機來設計系統方案。下位機模組是DMC-2163控制卡。透過乙太網工控機能夠為DMC-2163提供相應的命令,依據命令DMC-2163執行程式,並且能夠發出控制訊號。利用伺服放大器對系統進行放大以後,驅動裝置的所有電機進行運轉,保障所有環節都能夠進行動作。工業機器人透過DMC-2163輸送電機編碼器的位置訊號,然後利用乙太網來進行反饋,確保能夠實時監控和顯示機器人的實際情況。第一,DMC-2163控制卡,設計系統硬體的時候,使用Galil生產的DMC控制器,保障能夠切實滿足設計的效能和精度需求,選擇DMC-2163控制器來設計六自由度工業機器人,依據系統API來二次開發工控機。第二,嵌入式ARM工控機。實際操作中為了滿足系統高效能、可靠、穩定的需求,使用嵌入式FreescaleIMx6工控機,存在1.2GHz主頻率。Cortex-A9作為CPU，擁有豐富的硬體資源,能夠全面滿足設計六自由度機器人的需求[2]。
3設計和實現控制系統軟體
3.1實現NURBS插補依據系統給定的控制頂點、節點向量、權因子來對NURBS曲線進行確定,插補NURBS曲線的關鍵實際上就是利用插補週期範圍內存在的步長折線段來對NURBS曲線進行逼近,因此,想要實現NURBS插補就需要切實解決密化引數和軌跡計算兩方面內容。第一,密化引數。實際上就是依據空間軌跡中給定的補償來對引數空間進行對映,利用給定步長來計算新點座標和引數增量。第二,軌跡計算。實際上就是在具體體現空間回軌跡的時候合理應用引數空間座標進行反向對映,以便於能夠得到對應的對映點,也就是插補軌跡新點座標。為了有效提升插補實時性以及速度,需要進行預處理,確保可以降低計算量。透過阿當姆斯演算法,有機結合前、後向差分來進行計算,保障能夠防止計算隱式、複雜的方程。為了確保可以有效地進行插補計算,設計過程中透過Matlab平臺進行模擬處理[3]。3.2實現ARM工控機基於ARM工控機來展現六自由度工業機器人運動控制系統的軟體,實際操作中開發軟體環境是首要問題,把Linux系統安裝在FreescaleIMx6中,構成ubuntu版本的控制系統,並且系統中移入嵌入式Qt,並且在ubuntu中移入DMC控制器中的Linux庫[4]。利用圖形使用者介面來設計軟體,構件主體框架的時候合理應用QMainWindows,為了能夠全面實現系統所有模組的基本功能,需要合理應用QDialog、QWidget類,透過Qt訊號、配置檔案、事件管理、全域性變數等來展現模組的.資訊交流功能。控制軟體系統包括以下幾方面內容：第一,文件管理模組。文件管理模組能夠儲存檔案、重新構建檔案,是一種可以被DMC-2163解析的文件二字元指令集,以便於能夠簡單控制程式碼測試機器人的軸[5]。第二,與下位機通訊模組,這部分實際上就是透過DMCComandOM()函式來對編碼器數值進行關節轉角資料的獲取,計算運動軌跡的時候應用正逆運動學,同時利用DMCdownloadFile()函式,在控制器中下載運動指令。第三,人機介面模組。這種模組主要就是用來更新和顯示機器人運動狀態的,此外也能夠設定使用者輸入的資料,保障能夠實時監控和控制機器人的基本情況。第四,運動學分析模組,在已經獲取末端連桿姿態和位置的基礎上,來對機器人轉角進行計算的方式就是逆解。在已經計算出關節轉動角度的基礎上,來對空間中機器人姿態和位置進行求解的方式就是運動學正解。機器人想要正確執行的前提就是運動學分析模組,並且對機器人目標點是否符合實際情況進行分析,保障能夠及時更改錯誤。第五,軌跡規劃模組。這種模組可以為完成基本運動作業提供依據,不僅可以完成圓弧運動和直線運動,也能夠進行NURBS插補,保障能夠自由地進行曲線運動。第六,機器人在完成十分複雜的再現和示教操作的時候,利用再現模式介面來對示教動作進行自動操作。第七,設定系統。設計的過程中應該對系統進行合理設定,如限制運動許可權、進入系統的密碼、機器人系統引數等。在設定系統引數的時候,能夠在六自由度工業機器人中來實現控制系統軟體的基本作用,以此來保障控制軟體系統設計的通用性。第八,狀態顯示模組。這種模組可以具體顯示完成作業的進度、機器人安裝的姿態和位置、控制器I/O。第九,設定機器人參數,一般來說主要包括伺服驅動倍頻比/分頻比、運動學DH引數,六自由度工業機器人設計結構取決於DH引數;機器人DMC控制卡輸送單個脈衝過程中的關節轉動角度取決於倍頻比/分頻比[6]。3.3執行系統軟體軟體控制系統設計中成功測試各模組以後,在程式主框架中進行合理應用,以便於設計實現機器人系統。成功測試系統軟體以後具備運動控制系統的基本功能。
4結語
綜上,在基於目前已經存在的六自由度機器人系統上來設計運動控制系統,嵌入式ARM工控機和DMC-2163控制卡是硬體系統設計的關鍵。在Ubuntu的基礎上構建Qt平臺,此時合理科學地設計軟體系統。此外把NUBRS插補計算方式融入到控制系統中,保障在軌跡空間中機器人末端能夠形成自由曲線軌跡。運動控制系統為機器人提供圖形介面,能夠為系統執行提供比較好的擴充套件性、高通用性,並且操作也十分方便,因此這種運動控制系統應用具備廣闊的前景。
參考文獻
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[3]倪受東,丁德健,張敏，等.視覺功能六自由度工業機器人的研製[J].製造業自動化,2012,34(24):1-4,9.
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