本文關(guān)鍵詞：提高串聯(lián)機械臂運動精度的關(guān)鍵技術(shù)研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

第三章機械臂運動軌跡規(guī)劃與控制系統(tǒng)研制；完成其關(guān)節(jié)空間內(nèi)的軌跡規(guī)劃，將各關(guān)節(jié)變量值傳輸至；圖３．１４串聯(lián)機械臂控制框圖；為了實現(xiàn)機械臂末端執(zhí)行器的精確定位，采用直流伺服；第三章機械臂運動軌跡規(guī)劃與控制系統(tǒng)研制；圖３．１５機械臂控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)；機械臂控制系統(tǒng)主控制器采用平望科技公司提供的３．；伺服控制級的核心是美國ＤＥＬＴＡＴＡＵ公司研發(fā)的；采用Ｃｏｐｌｅ

第三章機械臂運動軌跡規(guī)劃與控制系統(tǒng)研制

完成其關(guān)節(jié)空間內(nèi)的軌跡規(guī)劃，將各關(guān)節(jié)變量值傳輸至多軸運動控制卡，控制各個關(guān)節(jié)電機驅(qū)動器，實現(xiàn)各關(guān)節(jié)的位置伺服控制，從而完成給定的目標任務(wù)。

體

圖３．１４串聯(lián)機械臂控制框圖

為了實現(xiàn)機械臂末端執(zhí)行器的精確定位，采用直流伺服電機、可編程多軸運動控制卡（Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅｍｕｌｔｉｐｌｅａｘｉｓｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ，簡稱ＰＭＡＣ）和基于ＣＡＮ總線的嵌入式計算機構(gòu)建機械臂控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)如圖３。１５所示。六自由度串聯(lián)機械臂控制系統(tǒng)采用雙微機分層控制方式，上層為規(guī)劃控制級，由嵌入式計算機負責系統(tǒng)管理、運動學計算、軌跡規(guī)劃、主控邏輯等。它通過ＣＡＮ總線與下層伺服控制級的多軸運動控制器等模塊通信。下層為伺服控制級，它主要由多軸運動控制器、直流伺服電機驅(qū)動器及通信接口組成。其中，多軸運動控制器與直流伺服電機驅(qū)動器一起完成直流伺服電機的位置、速度、力矩的閉環(huán)控制，實現(xiàn)了機械臂關(guān)節(jié)運動的實時控制。采用ＣＡＮ總線接口讀取并傳輸電機編碼器的初始值。為提高嵌入式ＰＣ與ＰＭＡＣ卡之間數(shù)據(jù)交換的速度，采用雙端口ＲＡＭ作為嵌入式ＰＣ與ＰＭＡＣ通訊的高速緩沖區(qū)，可將嵌入式ＰＣ內(nèi)存中的軌跡規(guī)劃的數(shù)據(jù)下載到ＰＭＡＣ，或?qū)㈥P(guān)節(jié)位置的信息和伺服單元的狀態(tài)信息傳輸至嵌入式ＰＣ�？刂葡到y(tǒng)采用開放式控制結(jié)構(gòu)，配備了多種網(wǎng)絡(luò)接口，可通過ＣＡＮ總線與老人服務(wù)機器人的視覺、底盤、語音等其它單元通訊。由于機械臂的系統(tǒng)架構(gòu)具有控制系統(tǒng)開放及層次耦合少等優(yōu)點，它既可以作為獨立的串聯(lián)機械臂系統(tǒng)，也可以通過通訊接口擴展為服務(wù)機器人的執(zhí)行單元。５５

第三章機械臂運動軌跡規(guī)劃與控制系統(tǒng)研制

翟

圖３．１５機械臂控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)

機械臂控制系統(tǒng)主控制器采用平望科技公司提供的３．５英寸嵌入式工控主板，它采用凌動Ｎ２７０處理器，配備了多種的開放式接口。采用直流１２Ｖ和５Ｖ供電，功耗較低，穩(wěn)定性較高。主控制器采用ｗｉｎｄｏｗｓＸＰ作為操作系統(tǒng)，可方便安裝ＰＭＡＣ卡的驅(qū)動程序及動態(tài)鏈接庫。

伺服控制級的核心是美國ＤＥＬＴＡＴＡＵ公司研發(fā)的可編程多軸運動控制器。它是基于ＤＳＰ的多軸、多通道的運動控制器，同時具備ＰＬＣ控制、數(shù)據(jù)采集等功能。它的優(yōu)勢在于編程簡單、響應(yīng)速度快、開發(fā)周期短且準確度高。選用的ＴｕｒｂｏＰＭＡＣＣｌｉｐｐｅｒ控制器功能齊全，結(jié)構(gòu)緊湊，性價比高。它采用ＴｕｒｂｏＰＭＡＣ２．ＣＰＵ處理器，并提供四軸伺服或步進控制。ＰＭＡＣ提供的執(zhí)行軟件為Ｐｅｗｉｎ３２ｐｒｏ，支持ｗｉｎ９８，ｗｉｎ２０００，ｗｉｎＸＰ系統(tǒng)。它提供動態(tài)鏈接庫Ｐｃｏｍｍ３２ｐｒｏ，支持ＶＣ、Ｃ＋＋開發(fā)或調(diào)用動態(tài)鏈接庫的函數(shù)，完成運動控制器參數(shù)修改、執(zhí)行任務(wù)文件下載等功能。

采用Ｃｏｐｌｅｙ公司生產(chǎn)的ＡＣＪ．０５５．１８直流電機伺服驅(qū)動器完成電機的速度控制和電流控制，該伺服驅(qū)動器配備多種信號接口，如ＣＡＮ總線接口模塊，用于獲取電機編碼器的信號的反饋接口，以及用于接收多軸運動控制器傳輸?shù)目刂菩盘柕男盘柦涌�。機械臂的執(zhí)行單元為Ｍａｘｏｎ直流伺服電機。其實物測試圖如圖３．１６所示。５６

實現(xiàn)，系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)及各個任務(wù)模塊如圖３．１７所示。速運算功能實現(xiàn)軌跡插補、運動伺服控制等任務(wù)。每個任務(wù)采用各自對應(yīng)的線程改，，機械臂手動操作等任務(wù)。下位機軟件利用ＰＭＡＣ自身語言開發(fā)，利用其高Ｃ＋＋６．０進行開發(fā)，主要完成軌跡規(guī)劃、機械臂運動學計算、參數(shù)設(shè)置與修Ｖｉｓｕａｌ設(shè)計，分為上位機功能模塊和下位機運動計算模塊部分。上位機功能模塊采用ＸＰ作為操作系統(tǒng)�？刂栖浖捎媚K化機械臂控制軟件開發(fā)使用Ｗｉｎｄｏｗｓ３．４．２串聯(lián)機械臂系統(tǒng)軟件設(shè)計圖３．１６電機控制測試現(xiàn)場第三章機械臂運動軌跡規(guī)劃與控制系統(tǒng)研制５７偏置、扭角、質(zhì)心位置、慣量等參數(shù)。設(shè)定各關(guān)節(jié)的電機編碼器初始值、電機的參數(shù)初始化模塊：在程序里輸入六自由度機械臂連桿參數(shù)，包括連桿長度、圖３．１７機械臂控制系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)圖

額定參數(shù)、參數(shù)限制等。編寫多軸運動控制器初始化程序。

逆運動學計算模塊：基于連桿Ｄ．Ｈ參數(shù)建立機械臂的正運動學方程和逆運動學方程，用Ｃ＋＋語言編寫運動學求解的數(shù)學運算。將在笛卡爾空間描述的操作任務(wù)轉(zhuǎn)換至關(guān)節(jié)空間，采用向量記錄關(guān)節(jié)空間的關(guān)節(jié)位置序列。

軌跡規(guī)劃模塊：建立笛卡爾空間下末端執(zhí)行器的直線、圓弧位置軌跡。計算每段軌跡最優(yōu)的執(zhí)行時間，采用五次多項式插值函數(shù)完成關(guān)節(jié)空間的位置、速度和加速度的軌跡規(guī)劃。

通訊模塊：確定嵌入式ＰＣ與視覺系統(tǒng)及下層ＰＭＡＣ卡的數(shù)據(jù)通訊方式，并設(shè)定數(shù)據(jù)傳輸規(guī)則。完成通訊端口初始化，分配節(jié)點地址、定義數(shù)據(jù)傳輸類型、信息類型及信息格式。

機械臂在執(zhí)行任務(wù)時，采用通訊模塊時時偵聽視覺模塊傳遞的數(shù)據(jù)并進行任務(wù)判斷，確認任務(wù)后，通過軌跡規(guī)劃模塊、逆運動學計算模塊完成機械臂各關(guān)節(jié)的軌跡運動參數(shù)計算。將各參數(shù)傳輸至ＰＭＡＣ卡后，控制伺服驅(qū)動器，實現(xiàn)機械臂各關(guān)節(jié)電機的伺服控制。機械臂控制系統(tǒng)軟件程序流程圖如圖３．１８所示。５８

圖３．１８機械臂控制系統(tǒng)軟件程序流程圖

３．４．３控制系統(tǒng)通信方式

機械臂控制系統(tǒng)設(shè)計中，采用ＰＣＩ０４總線實現(xiàn)機械臂控制系統(tǒng)的嵌入式ＰＣ與運動控制卡之間的高速通訊。由于機械臂控制系統(tǒng)需要獲取視覺系統(tǒng)提供的目標物體位姿信息才能完成目標操作，因此需要解決控制系統(tǒng)與視覺模塊之間的通信問題。

傳統(tǒng)的機器人系統(tǒng)中往往采用基于點對點連接的集中式通信方法。該方法結(jié)構(gòu)簡單，在傳感器和執(zhí)行器數(shù)量較少的控制系統(tǒng)中應(yīng)用較廣。但是由于本文設(shè)計的串聯(lián)機械臂的控制變量較多，而且對控制精度要求較高，傳統(tǒng)的集中式通信方法布線復雜，導致系統(tǒng)難以維護，可靠性和靈活性較低。因此，采用現(xiàn)場總線技５９

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