對(duì)六自由度機(jī)械臂智能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析

錢(qián)甦陽(yáng) 周平

摘 要：加強(qiáng)六自由度機(jī)械臂智能控制的研究，對(duì)于機(jī)械臂的平穩(wěn)運(yùn)行具有重要的作用。而在設(shè)計(jì)過(guò)程中，涉及到控制算法設(shè)計(jì)、軟件優(yōu)化和硬件優(yōu)化設(shè)計(jì)以及機(jī)械設(shè)計(jì)等內(nèi)容，其中各個(gè)環(huán)節(jié)之間還存在一定的聯(lián)系，為此需要從整體入手，進(jìn)行科學(xué)的協(xié)調(diào)控制。除此之外，根據(jù)機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)狀態(tài)來(lái)看，想要促進(jìn)機(jī)械臂的自由運(yùn)動(dòng)，至少需要六自由度力學(xué)模型，文章就此進(jìn)行了相關(guān)研究設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：六自由度;機(jī)械臂;智能控制;系統(tǒng)設(shè)計(jì)

關(guān)于六自由度機(jī)械臂的智能控制系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，主要的研究工作就是為了能夠促進(jìn)機(jī)械臂根據(jù)相關(guān)操作人員的命令指示實(shí)現(xiàn)各種規(guī)定動(dòng)作，為此需要科學(xué)規(guī)劃?rùn)C(jī)械臂的軌跡動(dòng)作，隨后在其中的所有關(guān)節(jié)軸位置通過(guò)科學(xué)控制方式讓機(jī)械臂實(shí)現(xiàn)預(yù)期動(dòng)作。而控制算法則是讓機(jī)械臂保持準(zhǔn)、平滑動(dòng)作的重要步驟?？刂扑惴ㄔO(shè)計(jì)過(guò)程中通常是以運(yùn)動(dòng)學(xué)模型為基礎(chǔ)，本文以六自由度機(jī)械臂動(dòng)力模型為基礎(chǔ)進(jìn)行了設(shè)計(jì)與研究。

一、六自由度機(jī)械臂控制系統(tǒng)的算法設(shè)計(jì)

1.建立模型

如圖1所示，六自由度機(jī)械臂中的機(jī)械結(jié)構(gòu)主要包括六種自由度，是一種三維開(kāi)環(huán)鏈?zhǔn)降慕Y(jié)構(gòu)，自下而上可以分成旋轉(zhuǎn)臂、富養(yǎng)臂和基座等部分構(gòu)成，而機(jī)械臂中的這些結(jié)構(gòu)又由六種不同的旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)作為連接體，也就是腕部回轉(zhuǎn)、腕部偏轉(zhuǎn)、腕部俯仰、肘部仰俯、肩部仰俯和肩部回轉(zhuǎn)等。通過(guò)對(duì)上述六種狀態(tài)進(jìn)行全面準(zhǔn)確控制，就能夠讓機(jī)械臂在相應(yīng)的工作環(huán)境內(nèi)實(shí)現(xiàn)自由的狀態(tài)變化。

圖 1 機(jī)械臂模型

針對(duì)上述文中提到的六種關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)模式，參考D-H原則和右手規(guī)則，建立起運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系，隨后結(jié)合機(jī)械臂內(nèi)部互相連接的桿件之間所擁有的一種空間幾何聯(lián)系，建立起針對(duì)六自由度機(jī)械臂運(yùn)行過(guò)程的方程式，從而能夠?qū)C(jī)械尾端位置和機(jī)械關(guān)節(jié)坐標(biāo)之間的聯(lián)系性準(zhǔn)確展示出來(lái)，其中比較常見(jiàn)的就是逆運(yùn)動(dòng)學(xué)模式。同時(shí)自動(dòng)化的機(jī)械臂控制器還能以逆運(yùn)動(dòng)學(xué)理論為基礎(chǔ)，在設(shè)計(jì)完美運(yùn)動(dòng)軌跡的過(guò)程中，讓機(jī)械臂內(nèi)部各種關(guān)節(jié)能夠?qū)崿F(xiàn)目標(biāo)角度值，隨后在通過(guò)合理調(diào)整關(guān)機(jī)位置，對(duì)機(jī)械臂進(jìn)行科學(xué)控制。在建立機(jī)械臂構(gòu)型后，還應(yīng)該明確相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)。在六自由度機(jī)械臂中，本文主要通過(guò)D-H規(guī)則來(lái)科學(xué)選定運(yùn)動(dòng)參數(shù)，并通過(guò)齊次方程對(duì)六自由度機(jī)械臂中的連桿在坐標(biāo)系中的幾何關(guān)系進(jìn)行確定。利用齊次矩陣對(duì)相鄰連桿之間的幾何聯(lián)系通過(guò)齊次矩陣進(jìn)行準(zhǔn)確描述，隨后就可以推理出機(jī)械臂在參考坐標(biāo)系中的末端位置。

2.規(guī)劃算法

規(guī)劃軌跡屬于一種能夠控制六自由度機(jī)械臂整個(gè)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的重要步驟，在各種形式不同的運(yùn)動(dòng)方式下，需要使用合理的軌跡規(guī)劃算法，從而了解到恰當(dāng)?shù)能壽E曲線屬于一項(xiàng)較為簡(jiǎn)便的規(guī)范軌跡算法。但是這種單一的規(guī)劃軌跡算法，不能夠完全滿(mǎn)足智能化六自由度機(jī)械臂在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的柔性沖擊和剛性沖擊。在未來(lái)發(fā)展過(guò)程中，需要結(jié)合不同的規(guī)劃曲線發(fā)展特征設(shè)計(jì)出合成模式的規(guī)劃曲線，在利用這一軌跡規(guī)劃算法的過(guò)程中，通常是通過(guò)分段函數(shù)算法進(jìn)行計(jì)算，在各個(gè)函數(shù)段中，相應(yīng)的拐直點(diǎn)應(yīng)該和運(yùn)動(dòng)的參數(shù)狀態(tài)進(jìn)行有效連接。文章中還涉及到了其他運(yùn)動(dòng)模式下的控制算法，其中包括TEACH MODE以及AUTO MODE等運(yùn)轉(zhuǎn)模式，不但能夠讓系統(tǒng)根據(jù)制定出的運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，同時(shí)還能夠?qū)ο到y(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)控。在使用TRIAL MODE的運(yùn)動(dòng)模式進(jìn)行設(shè)計(jì)工作時(shí)，通常會(huì)通過(guò)階梯形分割曲線進(jìn)行設(shè)計(jì)，同時(shí)要求在各個(gè)采樣周期中進(jìn)行分層規(guī)劃。除此之外，還應(yīng)該對(duì)插補(bǔ)算法下的運(yùn)行軌跡進(jìn)行有效約束。

3.算法的調(diào)試

在完成六自由度機(jī)械臂中的控制算法設(shè)計(jì)工作后，建立機(jī)械臂的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ颓埃瑧?yīng)該對(duì)機(jī)械臂算法進(jìn)行科學(xué)編寫(xiě)，隨后對(duì)軟件系統(tǒng)進(jìn)行科學(xué)調(diào)試，通過(guò)解算函數(shù)算法進(jìn)行準(zhǔn)確驗(yàn)證，從而為函數(shù)算法的控制邏輯有效性以及可行性提供基礎(chǔ)保障。文章中主要是以WINCE平臺(tái)為基礎(chǔ)來(lái)建立機(jī)械臂的智能化控制系統(tǒng)，并通過(guò)C語(yǔ)言來(lái)編制相應(yīng)的算法代碼，為控制器的運(yùn)行打好基礎(chǔ)，在選擇軟件框架時(shí)，應(yīng)該盡量使用MFC框架結(jié)構(gòu)，并對(duì)程序框架進(jìn)行科學(xué)設(shè)計(jì)，其中的主要功能包括坐標(biāo)系參數(shù)、運(yùn)行參數(shù)、工具參數(shù)以及機(jī)械參數(shù)等內(nèi)容，同時(shí)還能保證對(duì)其中各種運(yùn)動(dòng)模型進(jìn)行仿真驗(yàn)證。

二、六自由度機(jī)械臂硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)機(jī)械臂的過(guò)程中還應(yīng)該充分結(jié)合系統(tǒng)內(nèi)部的機(jī)電耦合聯(lián)系，隨后將設(shè)計(jì)過(guò)程綜合劃分成控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)和機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)兩部分內(nèi)容，在設(shè)計(jì)其中的硬件結(jié)構(gòu)時(shí)，應(yīng)該先對(duì)機(jī)械臂中的基礎(chǔ)參數(shù)進(jìn)行擬合篩選，隨后將其組裝成各種部件，隨后通過(guò)推算其中的關(guān)機(jī)力矩來(lái)科學(xué)選擇電機(jī)功率。

為了讓機(jī)械臂能夠在指定空間環(huán)境內(nèi)完成預(yù)期的動(dòng)作目標(biāo)，從而將物品準(zhǔn)確轉(zhuǎn)移到指定位置當(dāng)中，并實(shí)現(xiàn)姿態(tài)移動(dòng)，需要讓機(jī)械臂滿(mǎn)足相應(yīng)的自由度要求。而機(jī)械臂中選擇構(gòu)型結(jié)構(gòu)是設(shè)計(jì)機(jī)械臂的基礎(chǔ)工作，隨著自由度的提高，機(jī)械臂所具有的靈活程度也就越高，但隨之而來(lái)的是內(nèi)部控制結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度的提高。為此，應(yīng)該根據(jù)具體的任務(wù)條件，科學(xué)選擇機(jī)械臂的自由度。文章中以六自由度條件下機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)模型為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)出擁有六種活動(dòng)關(guān)節(jié)的機(jī)械臂，為了能夠讓機(jī)械臂實(shí)現(xiàn)封閉解，需要讓其中互相連接的三種關(guān)節(jié)軸線融匯于一點(diǎn)當(dāng)中，為此在決定定位結(jié)構(gòu)的過(guò)程中，可以通過(guò)九十度角或是零度角模式的簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)連桿。而機(jī)械臂內(nèi)部所擁有的六種關(guān)節(jié)主要可以通過(guò)六種力矩電機(jī)作為動(dòng)力源。

能夠推動(dòng)機(jī)械臂進(jìn)行關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)擁有多種類(lèi)型可以選擇，在本文設(shè)計(jì)過(guò)程中，主要是選擇直流伺服電機(jī)，這種電機(jī)在控制過(guò)程中較為便捷，同時(shí)整體結(jié)構(gòu)也較為簡(jiǎn)單。除此之外，為了能夠讓機(jī)械臂實(shí)現(xiàn)各種類(lèi)型的運(yùn)動(dòng)要求，還應(yīng)該結(jié)合機(jī)械臂中各種關(guān)節(jié)所能承受的最大角度以及電機(jī)的最高負(fù)荷，在正常條件下，電機(jī)選擇中的核心參考指標(biāo)就是電機(jī)在運(yùn)行峰值中的堵轉(zhuǎn)功率。各個(gè)關(guān)節(jié)之間的動(dòng)力參數(shù)是選擇機(jī)械臂中傳動(dòng)元件和各個(gè)關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)元件的主要參考，為此可以通過(guò)動(dòng)力學(xué)方法和靜力學(xué)方法對(duì)機(jī)械臂運(yùn)行過(guò)程中所產(chǎn)生的動(dòng)力參數(shù)進(jìn)行準(zhǔn)確計(jì)算。靜力學(xué)的計(jì)算方法其實(shí)就是單純計(jì)算靜負(fù)載，隨后忽視其中的動(dòng)態(tài)化影響。而動(dòng)力學(xué)的計(jì)算方法就是在對(duì)其中的動(dòng)態(tài)負(fù)載和靜態(tài)負(fù)載進(jìn)行同時(shí)計(jì)算。在假設(shè)連桿中的核心承載連桿和節(jié)點(diǎn)中心位置的承載關(guān)節(jié)后，就可以對(duì)各個(gè)關(guān)節(jié)中的力矩要求進(jìn)行計(jì)算。

1.電源電路

相關(guān)控制芯片需要在一定的環(huán)境狀態(tài)下進(jìn)行各項(xiàng)工作，為此需要讓控制芯片的工作環(huán)境保持3.3V的穩(wěn)定電壓狀態(tài)，通過(guò)對(duì)電源進(jìn)行開(kāi)關(guān)，隨后將B050LS模塊進(jìn)行連接，從而能夠讓產(chǎn)生的3.3V電壓保持一種穩(wěn)定的輸出狀態(tài)，預(yù)防因?yàn)殡妷翰环€(wěn)而對(duì)控制芯片的運(yùn)行狀態(tài)產(chǎn)生不良影響。

2.時(shí)鐘電路

盡管在DSP TMS320LF2407中擁有振蕩器，但是為了能夠促進(jìn)時(shí)鐘控制穩(wěn)定性和整體精度的有效提高，正常情況下會(huì)將有源晶振連接到外部當(dāng)中。因?yàn)闄C(jī)械臂控制系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中對(duì)時(shí)鐘質(zhì)量提出了較高的要求，因此可以選擇四管腳模式的有源晶振。除此之外，DSP TMS320LF2407中還能利用鎖相環(huán)模式進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)，讓外部時(shí)鐘源能夠?qū)崿F(xiàn)倍頻，從而獲得一種比較平穩(wěn)的時(shí)鐘信號(hào)。

3.外接SRAM電路

DSP TMS320LF2407芯片內(nèi)部的外部數(shù)據(jù)控制最大為64K，而其中最多外部尋址空間是64K外部程序空間。在此次設(shè)計(jì)方案之中，控制算法的運(yùn)行需要相適應(yīng)的儲(chǔ)存空間，而DSP TMS320LF2407芯片中的儲(chǔ)存空間無(wú)法滿(mǎn)足相應(yīng)的要求，為此系統(tǒng)可以通過(guò)外部擴(kuò)充模式，使用RAM CY7C1021C33，其中的存儲(chǔ)空間是64K，16bit，這一芯片使用過(guò)程中具有能夠在所有周期內(nèi)進(jìn)行飛速運(yùn)行的優(yōu)勢(shì)特點(diǎn)。

4.CAN總線

DSP TMS320LF2407芯片中，利用PCA82C250來(lái)推動(dòng)通信接口的，從而能夠促進(jìn)系統(tǒng)發(fā)揮出相應(yīng)的差動(dòng)收發(fā)功能。在此次設(shè)計(jì)工作中，主要是利用電平轉(zhuǎn)換模塊設(shè)計(jì)來(lái)為PCA82C250內(nèi)部電源電壓的穩(wěn)定運(yùn)行提供基礎(chǔ)保證的，為了促進(jìn)電路的有效簡(jiǎn)化，通常都是通過(guò)最簡(jiǎn)電阻進(jìn)行分壓，從而對(duì)電平進(jìn)行科學(xué)轉(zhuǎn)化，為了促進(jìn)數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)相關(guān)安全性和抗干擾能力的有效提高，可以將具有迅速恢復(fù)能力的兩個(gè)匹配終端電阻和1N5219肖特基二極管連接到這一模塊當(dāng)中。

三、六自由度機(jī)械臂軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.PID控制算法

DSP TMS320LF2407是其中的主要控制芯片，其中的位置環(huán)雙閉環(huán)和速度環(huán)都是通過(guò)PID積分分離的方式進(jìn)行科學(xué)控制的，除此之外，為了讓系統(tǒng)內(nèi)部控制工作能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定運(yùn)行，還應(yīng)該參考現(xiàn)實(shí)運(yùn)行狀態(tài)調(diào)試系統(tǒng)中的控制規(guī)律，在找準(zhǔn)電機(jī)的具體位置后，應(yīng)該充分結(jié)合增量編碼器中Z通道輸出信號(hào)和零位霍爾開(kāi)關(guān)。PID這種控制方法在應(yīng)用過(guò)程中比較簡(jiǎn)便，同時(shí)擁有較強(qiáng)的適用性。操作原理也較為簡(jiǎn)單。在PID控制器運(yùn)行過(guò)程中，其中的輸出U（T）和輸入E（T）之間的關(guān)系如下，

在上述公式中能夠調(diào)節(jié)比例的參數(shù)是Kp，而它的主要功能是通過(guò)調(diào)整系統(tǒng)來(lái)個(gè)降低超調(diào)量，除此之外，還能對(duì)其中的速度調(diào)節(jié)起到有效的控制作用。但是在參數(shù)超標(biāo)的情況下，會(huì)降低系統(tǒng)的整體穩(wěn)定性。積分調(diào)節(jié)參數(shù)還能夠消除其中的穩(wěn)態(tài)誤差，同時(shí)還能對(duì)系統(tǒng)中的各種變化進(jìn)行及時(shí)反應(yīng)，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)超前控制，能夠有效提高系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性。

2.通信軟件設(shè)計(jì)

機(jī)械臂在活動(dòng)控制過(guò)程中，不僅會(huì)和其中的六種下位機(jī)通信，同時(shí)還會(huì)和I/O板之間進(jìn)行信息的交互活動(dòng)，從而對(duì)其中的液壓裝置以及推進(jìn)裝置進(jìn)行科學(xué)控制，這些內(nèi)容都需要經(jīng)過(guò)CAN通信這一步驟，CAN通信平臺(tái)中使用的是標(biāo)準(zhǔn)幀格式和數(shù)據(jù)幀類(lèi)型。其中上位機(jī)中傳輸出來(lái)的數(shù)據(jù)信息包括I/O控制量、PID參數(shù)、關(guān)節(jié)中的重力矩、預(yù)期速度以及期望角度等。至于接收到的信息包括目前機(jī)械臂中的推進(jìn)裝置、各軸合成角度和傳感器中的位移數(shù)值等。下位機(jī)之間通常不會(huì)進(jìn)行通信，而是和上位機(jī)之間進(jìn)行交互。為此可以借助上位機(jī)協(xié)調(diào)管理下位機(jī)，上位機(jī)屬于一種主動(dòng)狀態(tài)，而下位機(jī)是一種從動(dòng)狀態(tài)，只有下位機(jī)接收了相應(yīng)的指令以及幀數(shù)據(jù)時(shí)，才會(huì)出現(xiàn)數(shù)據(jù)反應(yīng)。

3.上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

在此次方案設(shè)計(jì)過(guò)程中，主要時(shí)將PC機(jī)當(dāng)作是上位機(jī)，在操作系統(tǒng)當(dāng)中設(shè)計(jì)監(jiān)控程序，隨后能夠?qū)崿F(xiàn)控制運(yùn)動(dòng)算法、軌跡規(guī)劃以及信息通訊等功能。上位機(jī)還能對(duì)其中的界面操作進(jìn)行反應(yīng)，在INI數(shù)據(jù)庫(kù)文件當(dāng)中提取適合的參數(shù)，隨后結(jié)合用戶(hù)的需要設(shè)定關(guān)節(jié)位置和機(jī)械臂的軌跡規(guī)劃，和各個(gè)關(guān)節(jié)以及通信總線之間進(jìn)行通信，將控制命令發(fā)送出去，推動(dòng)電機(jī)的運(yùn)行。為了讓軟件系統(tǒng)中的功能可以同步實(shí)現(xiàn)，可以使用多線程方法設(shè)計(jì)，將響應(yīng)桌面功能作為其中的主線程，在軟件開(kāi)啟后，正式進(jìn)行各項(xiàng)工作，一直等到軟件系統(tǒng)關(guān)閉，將消費(fèi)傳輸?shù)较嚓P(guān)目標(biāo)對(duì)象或是組件當(dāng)中。

四、結(jié)語(yǔ)

綜上所述，目前在我國(guó)的工業(yè)領(lǐng)域當(dāng)中，機(jī)械臂得到了廣泛的應(yīng)用，能夠促進(jìn)工業(yè)的穩(wěn)定生產(chǎn)。此次設(shè)計(jì)過(guò)程中，結(jié)合了機(jī)械臂使用過(guò)程中的動(dòng)作特征，以六自由度機(jī)械臂動(dòng)力模型為基礎(chǔ)進(jìn)行了設(shè)計(jì)工作，同時(shí)在計(jì)算關(guān)節(jié)力矩推動(dòng)機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)過(guò)程中所需要的電機(jī)類(lèi)型，為了能夠讓各個(gè)部位之間能夠進(jìn)行順暢通信，將各個(gè)控制關(guān)節(jié)器和工控機(jī)連接到CAN總線當(dāng)中，通過(guò)PID方法控制調(diào)節(jié)系統(tǒng)的整體性能與狀態(tài)，從而提高系統(tǒng)反應(yīng)。

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