工业机器人运动控制系统的设计与实现

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1、工业机器人运动控制系统的设计与实现施文龙;闵华松【摘要】为实现工业机器人的末端能在轨迹空间中进行复杂的运动，对NURBS实 时插补算法进行了研究,并设计和实现了工业机器人运动控制系统.该控制系统使用 数字运动卡DMC为控制核心、以嵌入式ARM工控机为上位机，以跨平台的Qt作 为图形用户界面软件开发环境，使用C+编程语言开发在将NURBS插补算法融入 到系统中之前，使用MAT-LAB工具对其仿真，最后在工控机上开发了基于Qt的工 业机器人运动控制系统实验证明,研究的NURBS插补算法具备实时性和可靠性，设 计的控制系统能够对工业机器人进行精确的运动控制,其扩展性、通用性等优点使 其在机器人控制领

2、域有一定的应用价值.期刊名称】 自动化与仪表年(卷),期】 2015(030)005【总页数】5页(P37-41)【关键词】工业机器人;嵌入式；ARM工控机;Qt;NURBS插补算法;控制系统【作 者】 施文龙;闵华松【作者单位】 武汉科技大学冶金自动化及检测技术教育部工程研究中心,武汉430081;武汉科技大学冶金自动化及检测技术教育部工程研究中心,武汉 430081【正文语种】 中 文中图分类】 TP242工业机器人1广泛应用于工业领域。除机器人本体、驱动装置之外，控制系统2 是工业机器人最重要的组成部分。工业机器人在轨迹空间中的运动，除直线、圆弧 等基本的运动之外，有时需要进行比较复杂的

3、运动。由于 NURBS 方法在复杂的几 何造型等方面的优势，其在CAD/CAM中被广泛应用。因此，研究NURBS轨迹 规划3，采用实时性好可靠性强的NURBS插补算法，具有现实意义。利用工控 机4的稳定性高、防潮、防尘、防振以及可扩展等优点，再以DMC-2163运动控 制卡5为控制核心，可保证控制系统在硬件上的强劲和可靠。目前国内已有的特定的工业机器人控制系统只能用于特定的机器人，扩展性和通用 性有待提高。本文在已有6自由度工业机器人UPR100本体的基础上设计和实现 的运动控制系统，不仅可精确可靠地完成对机器人的运动控制，通过修改控制系统 中关于机器人的参数，可用于控制其它的6自由度机器人，

4、极大增强了通用性。 控制系统采用模块化的设计原则，提高了功能扩展性。1 控制系统总体方案在已有 6 自由度工业机器人机械本体的基础上，本文设计并实现了整套控制系统 该控制系统包含硬件和软件2部分。硬件部分为整个控制系统提供良好的物质基 础，用于执行软件部分所规定的操作。软件部分作为控制系统的灵魂，需要完成包 括但不仅限于以下任务：1）机器人运动学正逆解6；2）机器人程序的解析与译码、轨迹规划、插补运算；3）驱动机器人各关节运动和机器人末端相应装置的动作。2 控制系统硬件设计针对6自由度工业机器人，本文采用基于ARM工控机的运动控制方案。使用DMC-2163控制卡作为下位机模块。工控机通过以太网

5、向DMC-2163发出控制 命令，DMC-2163根据命令执行相应的程序发出电机控制信号。指令信号经过伺 服放大器放大之后，驱动工业机器人的各个电机转动，从而使各个关节运动；机器 人各个关节对应的电机编码器能够将位置信号经DMC-2163通过以太网反馈给工 控机，这样机器人的状态就可以被实时地显示和监控。控制系统硬件架构如图1 所示。2.1 DMC-2163运动控制卡Galil公司研发和生产的DMC系列控制器，能很好地满足数控设备的精度与性能 需要。本文针对的是6自由度的工业机器人，选用DMC-2163运动控制器。同时 使用提供的API，可以在工控机上对其进行二次开发。图 1 控制系统硬件架构

6、 Fig.1 Hardware structure of the robot control system 2.2嵌入式ARM工控机针对硬件系统需要的稳定、可靠和高性能等特点，系统选用嵌入式的Freescale IMX6工控机，其CPU为Cortex-A9核心处理器，主频高达1.2 GHz，最高支持 到32G的存储器。工控机上硬件资源丰富，完全满足作为机器人控制系统上位机 的要求。3 控制系统软件设计与实现3.1 NURBS插补实现在空间中的NURBS曲线的有理分式形式7可定义为式中：Pi(i二0,1，n)为控制顶点；wi为对应控制顶点的权因子；Bi,k(t) 为k次B样条基函数，其定义为取u

7、0,u1,., un+k共n+k+1个节点值组成 节点向量(u0,u1,., un+k)(般取 u0 = u1 = . = uk = 0 , un 二 un + 1 二 二 un + k二 1)。令：式中，参数t的变化范围为t1,t2二uk,un。则Bi,j(t)可定义为式中，当分母为0时，定义式中的分式的值为0。3.1.1 NURBS 插补算法由给定的控制顶点、与控制顶点相对应的权因子以及节点矢量可唯一确定NURBS 曲线。而NURBS曲线的插补，其实质在于使用一个插补周期内的步长折线段去近 似地逼近NURBS曲线本身。所以NURBS插补的实现需要至少解决2个基本问题:1 )密化参数，也就是

8、把轨迹空间中的进给步长AL映射到参数空间，求出相应的 参数增量Au及新点的参数坐标ui + 1 = ui+Au; 2)计算轨迹，也就是将得到的参 数空间中的坐标值反向映射回轨迹空间，得到对应的映射点pi+1二p ( ui+1), 即插补轨迹的新的坐标点。3.1.1.1 插补前的预处理为提高NURBS曲线的插补速度、保证实时性，在插补前进行预处理以减少插补的 计算量。预处理是指在插补前确定NURBS的轨迹表达式，这将通过控制顶点、对 应的权因子以及节点矢量来完成。NURBS曲线是分段参数曲线，实际应用中常采 用3次NURBS曲线，其每一段可表示为式中，当参数u变化时，每段曲线的分子、分母的系数也

9、会随着改变。3.1.1.2 参数密化 针对参数密化问题，本文的解决思路是采用阿当姆斯算法，同时利用前、后向差分 结合代替微分的方法来避免复杂的隐式方程求解和微分运算。最终，可得到新插补 点的参数估计值为3.1.1.3 轨迹计算 针对轨迹计算问题，先求得参数u i + 1,再将其转换为ti + 1,然后带入式（4）得 到下一个插补点的位置：通过这种参数密化和轨迹计算的方法，可在每一个插补周期内得到下一个插补点， 重复这种方式直到插补结束，可得到整个NURBS曲线的插补轨迹。在机器人的轨迹规划和插补中，给出曲线中几个关键点的机器人的位置和姿态，按 照上述的基本插补算法和机器人的运动学正逆解就可得到

10、曲线上各插补点的位置和 姿态。3.1.2 NURBS 插补算法的 Matlab 仿真为证实本文选用8的插补算法的有效性，使用Matlab平台进行算法仿真。由50 个控制顶点、权值为1、在0和1之间的控制节点确定的3阶NURBS曲线， Matlab仿真时的插补参数为最大进给速度fmax二18mm/min ;初始进给速度fs 二0 ；插补周期T二1ms ;弓高误差上限hmax二1 pm;最大法向进给加速度为 0.8 g ;步长误差上限Smax = 0.001 ;最大加加速度J = 50000 mm/s3 ;加速度 上限 Amax 二 2500 mm/s2。仿真结果如图2和图3所示。图 2 NURB

11、S 曲线插补轨迹 Fig.2 Interpolation trajectory图3进给速度Fig.3 Feed speed从图2和图3可知，生成的插补点均在规划好轨迹之上，插补速度等指标都在理 论允许范围之内。3.2 ARM工控机上软件设计与实现工业机器人运动控制系统的软件部分在ARM工控机9上实现。首先需要配置软 件开发环境：在Freescale IMX6上面安装Linux系统的ubuntu版本，移植嵌入 式Qt10，并将DMC控制卡的Linux下的库移植到ubuntu中。控制软件采用图形用户界面，使用QMainWindow类构建主框架，使用 QWidget类、QDialog类实现各个模块的

12、功能，各模块之间的信息交流通过Qt 的信号/槽机制、全局变量、事件管理、配置文件等方式实现。控制软件系统框图 如图4所示。图 4 控制系统软件框图 Fig.4 Block diagram of software system1）与下位机通讯模块。主要利用DMCComandOM （）函数读取各编码器的值， 获取机器人各关节转角，用于后续的正逆运动学计算和轨迹规划；另外用 DMCDownloadFile （）函数把运动控制指令下载到DMC-2183运动控制卡中。2 ）文档管理模块。该模块可进行新建、保存文档等操作，文档中是能被DMC- 2163控制卡解析的二字符指令集，用于对机器人各轴进行代码级别

13、的测试与简单 控制。3）运动学分析模块。已知机器人各关节转动的角度，求机器人末端在空间中的位 置和姿态，这称为运动学正解。若末端连杆的位置和姿态已知，反求机器人各关节 转动的角度则称为运动学逆解。这是整个控制软件实现机器人正确运行的基础，同 时检验机器人是否已达到目标点，以便设计人员及时发现错误。4）人机界面模块。人机界面主要用于机器人运动状态数据的显示与更新，以及用 户输入相关设置参数，使用户能实时监控机器人状态并对其进行相应控制。5）轨迹规划模块。为机器人的作业任务中需要使用到的基本运动形式打下基础。 除实现最基本的直线运动和圆弧运动插补外，还完成NURBS轨迹插补，实现自由 的曲线运动。

14、6）示教再现模块。完成机器人复杂作业的示教模式和再现模式操作界面，示教完 成之后通过再现模式界面自动重现示教动作。7）系统设置。设置系统进入密码、机器人本体参数、机器人各轴运动的极限位置 等。其中，通过设置机器人本体参数，可以使本控制系统软件用于其它的基于同样 硬件架构的6自由度工业机器人，这体现了设计的控制系统的通用性。8 ）状态显示模块。完成控制卡I/O状态、机器人位姿状态、作业完成进展等重要 信息的显示。3.2.1 机器人参数设置机器人参数包括了运动学方面D-H参数、伺服驱动相关的分频比/倍频比。其中 D-H参数决定了 6自由度工业机器人的本体结构。分频比/倍频比决定了工控机通 过DMC

15、控制卡发送单个脉冲时对应机器人关节的转动角度。3.2.2 机器人轨迹规划Galil公司DMC系列运动控制器种类齐全，适合解决复杂的运动问题。DMC- 2163控制器的轮廓模式使用户可在1 6轴内定义自由的位置一时间曲线，因而 可非常理想地跟踪通过计算机产生的轨迹。在设计的机器人运动控制系统中，空间 运动规划以及机器人的运动学正逆解将由工控机内的算法完成，通过DMC-2163 的轮廓模式完成各关节的运动协调控制，空间运动轨迹的插补周期为32 ms。流程如下：首先，将空间轨迹的参数方程建立出来，每隔32 ms算出运动轨迹的 空间坐标，坐标向量表示为（x,y,z）。而机器人末端空间坐标向量经机器人运

16、 动学反解后，即可计算得到对应的各关节的关节变量。电机轴的脉冲量需由上述得 到的各关节变量变换求出，这是因为DMC的各电机控制变量是通过发送一定的脉 冲量来完成。当前各轴的脉冲增量通过计算得到，相应的轨迹规划文本*.dmc记 录各脉冲增量。轨迹规划流程图如图5所示。图 5 DMC 上实现轨迹规划的流程 Fig.5 Flow chart of trajectory planning in the DMC然后通过调用DMC-2163提供的API函数库中的文件下载函数DownloadFile （）,将上述产生的轨迹规划文本*.dmc下载到DMC中。最后，调用 Command （ ）执行文本中的命令，

17、使机器人的末端完成由用户自己定义的轨迹。3.2.3 机器人示教作业机器人通过设计的控制系统完成特定的作业，采用示教和再现模式。在示教界面选 择合适的坐标系，通过轴控制按钮控制机器人末端运动到位置点，再选择具体的运 动指令及指令参数，使机器人末端按照直线、圆弧或其他自由形状的轨迹运动到目 标点。示教模块中实现了基本的运动指令集，包括 MOVJ、MOVL、MOVC、 MOVS、NURBS 等，以及包括延时、数字运算等在内的其他指令。使用机器人的 运动学求解结果，得到机器人各关节需要转动的角度，发送命令给DMC控制卡， 从而完成对机器人作业的操作。3.3 软件系统运行 设计的控制软件系统各模块完成并

18、测试成功后，融入应用程序主框架，最终完成系 统的设计和实现。控制软件系统测试成功后，得到的运行效果如图6所示，系统 顺利运行，达到了设计效果。4 结语本文针对已有UPR100机器人本体，设计和实现了其控制系统。该控制系统在硬 件方面以DMC-2163控制卡和嵌入式ARM工控机为核心；在工控机的ubuntu 平台下搭建Qt环境，并在此基础上设计和开发了控制软件。控制系统融入了 NURBS插补算法，使得机器人的末端可在轨迹空间中完成自由曲线的轨迹。控制 系统提供图形界面，操作方便，通用性高、扩展性强，具有一定的实用价值。图 6 系统运行效果 Fit.6 Running effect of the

19、system参考文献：1 蔡自兴机器人学M.北京：清华大学出版社，2000.2 徐达，郝琢，李华，等弹药自动装填机器人控制系统开发平台设计J.计算机测 量与控制，2011，19（4）：125-127.3 邱宁佳，隋振，李明哲，等六自由度机器人空间划线轨迹规划算法J.吉林大学 学报：工学版，2013，43(5)：160-166.4 Vernier M A，Wensing P M，Morin C E，et al.Design of a fullfeatured robot controller for use in a first-year robotics design projectC/121

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