洪偉程,韓成浩，張譯心，張師

(1.吉林建筑大學(xué)研究生院，吉林 長(zhǎng)春 130000；2.東北電力大學(xué)電氣工程學(xué)院，吉林 吉林 132012)

1 引言

隨著中國(guó)制造2025的提出與智能變電站的發(fā)展，機(jī)器人在電力設(shè)備巡檢、數(shù)據(jù)分析與處理等方面的作用日益凸顯，人們的生產(chǎn)、生活未來(lái)也將更需要機(jī)器人的參與[1-3]。未來(lái)機(jī)器人的發(fā)展必將輔助中國(guó)電網(wǎng)向智能化、現(xiàn)代化建設(shè)邁進(jìn)一大步。六自由度機(jī)器人的有序工作，高度依賴于合理的運(yùn)動(dòng)方案和高效的運(yùn)動(dòng)算法，因此，對(duì)六自由度機(jī)器人運(yùn)動(dòng)進(jìn)行控制與分析是一項(xiàng)值得研究的工作。

目前，國(guó)內(nèi)外關(guān)于六自由度機(jī)器人控制方面的研究已經(jīng)取得了一些成果：文獻(xiàn)[4]以六自由度機(jī)器人為研究對(duì)象，進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，設(shè)計(jì)并優(yōu)化逆解算法，最后仿真驗(yàn)證了該算法能夠正確地得到運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解，關(guān)節(jié)角度變化曲線平滑連續(xù)，為機(jī)器人后續(xù)的軌跡規(guī)劃和運(yùn)動(dòng)控制研究提供了可靠的依據(jù)。文獻(xiàn)[5]為了更加精準(zhǔn)地控制工業(yè)機(jī)器人，使其能按照預(yù)定軌跡完成規(guī)定任務(wù)，以典型的六自由度串聯(lián)機(jī)器人為研究對(duì)象，對(duì)其運(yùn)動(dòng)學(xué)進(jìn)行分析和研究。文獻(xiàn)[6]為提高并聯(lián)機(jī)器人機(jī)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)控制設(shè)計(jì)的效率和準(zhǔn)確性,以6-UPU并聯(lián)機(jī)器人為研究對(duì)象進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真分析，驗(yàn)證其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性和控制算法的有效性。文獻(xiàn)[7]對(duì)六自由度機(jī)器人的機(jī)械臂進(jìn)行正向運(yùn)動(dòng)學(xué)建模，運(yùn)用解析法進(jìn)行逆運(yùn)動(dòng)學(xué)求解，運(yùn)用蒙特卡羅法分析其工作空間，并驗(yàn)證模型的合理性。

基于以上分析，本文將對(duì)六自由度機(jī)器人進(jìn)行運(yùn)動(dòng)控制研究，并進(jìn)行正運(yùn)動(dòng)、你運(yùn)動(dòng)分析，最后基于機(jī)器人定位實(shí)驗(yàn)進(jìn)行有效性驗(yàn)證。

2 六自由度機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制設(shè)計(jì)

六自由度機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)主要包括上位PC機(jī)、運(yùn)動(dòng)控制器、伺服系統(tǒng)和限位報(bào)警傳感器等部分組成，控制系統(tǒng)圖如圖1所示[8]。PC機(jī)的主要作用是可視化處理與參數(shù)計(jì)算，讓使用者能夠?qū)崟r(shí)了解機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。運(yùn)動(dòng)控制器由STM32與PC機(jī)連接，將接收到的機(jī)器人實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)送入寄存器，并由寄存器對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理與控制。伺服系統(tǒng)可以輔助對(duì)機(jī)器人進(jìn)行精確的位置控制。此外，STM32還通過(guò)達(dá)林頓管將信號(hào)傳給繼電器。

圖1 控制系統(tǒng)圖

運(yùn)動(dòng)控制器硬件采用STM32+FPGA的結(jié)構(gòu)，基于STM32的高速SPI接口擴(kuò)展W5500以太網(wǎng)控制器，實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)控制器和PC機(jī)的以太網(wǎng)通信。

基于PC機(jī)+運(yùn)動(dòng)控制器結(jié)構(gòu)組成的機(jī)器人控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)，可分為 PC 機(jī)應(yīng)用程序軟件設(shè)計(jì)和運(yùn)動(dòng)控制器軟件設(shè)計(jì)兩部分。其中STM32程序主要包括通信模塊程序、數(shù)據(jù)處理模塊程序、初始化參數(shù)設(shè)置模塊程序、電機(jī)控制模塊程序、通用 I/O 控制模塊程序五部分。

3 六自由度機(jī)器人運(yùn)動(dòng)分析

六自由度機(jī)器人D-H坐標(biāo)系如圖2所示。

圖2 六自由度D-H坐標(biāo)系

六自由度機(jī)器人位姿變換矩陣可以表示為：

(1)

式中的TA、TB、TC、TD可以表示為：

(2)

(3)

(4)

(5)

式中：θi為連桿轉(zhuǎn)角；αi-1為連桿扭角；di為連桿偏距。

根據(jù)式(1)可以得到機(jī)器人末端坐標(biāo)系相對(duì)于基坐標(biāo)系的位姿矩陣，也就是將每一個(gè)關(guān)節(jié)變換矩陣相乘，得到最后結(jié)果：

(6)

式中：nx、ny、nz、ox、oy、oz、ax、ay、az、px、py、pz均為關(guān)于θi、αi-1和di的函數(shù)。

通過(guò)采用以上分析可以實(shí)現(xiàn)六自由度度機(jī)器人的精準(zhǔn)定位。

4 六自由度機(jī)器人定位實(shí)驗(yàn)

采用機(jī)器人對(duì)三個(gè)點(diǎn)進(jìn)行精確定位實(shí)驗(yàn)，每個(gè)點(diǎn)實(shí)驗(yàn)五次，得到結(jié)果如圖3～圖5所示。

圖3 測(cè)量點(diǎn)1實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖4 測(cè)量點(diǎn)2實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖5 測(cè)量點(diǎn)3實(shí)驗(yàn)結(jié)果

通過(guò)對(duì)六自由度機(jī)器人進(jìn)行重復(fù)定位精度測(cè)量實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，六自由度機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制器設(shè)計(jì)是有效的，可以使機(jī)器人精確定位，誤差在0.1mm以內(nèi)，滿足使用要求。

5 結(jié)論

本文對(duì)六自由度機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，并基于D-H坐標(biāo)系研究了六自由度機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制，并采用重復(fù)定位實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制方法的有效性。