本文關鍵詞：提高串聯(lián)機械臂運動精度的關鍵技術研究，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；完成其關節(jié)空間內的軌跡規(guī)劃，將各關節(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)的硬件結構；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

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

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建機械臂控制系統(tǒng)的硬件結構，其結構如圖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卡之間數據交換的速度，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內存中的軌跡規(guī)劃的數據下載到ＰＭＡＣ，或將關節(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)采用開放式控制結構，配備了多種網絡接口，可通過ＣＡＮ總線與老人服務機器人的視覺、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)的硬件結構

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、數據采集等功能。它的優(yōu)勢在于編程簡單、響應速度快、開發(fā)周期短且準確度高。選用的ＴｕｒｂｏＰＭＡＣＣｌｉｐｐｅｒ控制器功能齊全，結構緊湊，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)或調用動態(tài)鏈接庫的函數，完成運動控制器參數修改、執(zhí)行任務文件下載等功能。

采用Ｃｏｐｌｅｙ公司生產的ＡＣＪ．０５５．１８直流電機伺服驅動器完成電機的速度控制和電流控制，該伺服驅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的控制信號的信號接口。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)軟件結構及各個任務模塊如圖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。每個任務采用各自對應的線程改，，機械臂手動操作等任務。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、參數設置與修Ｖｉｓｕａｌ設計，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)。控制軟件采用模塊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、質心位置、慣量等參數。設定各關節(jié)的電機編碼器初始值、電機的參數初始化模塊：在程序里輸入六自由度機械臂連桿參數，包括連桿長度、圖３．１７機械臂控制系統(tǒng)軟件結構圖

額定參數、參數限制等。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學運算。將在笛卡爾空間描述的操作任務轉換至關節(jié)空間，采用向量記錄關節(jié)空間的關節(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完成關節(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卡的數據通訊方式，并設定數據傳輸規(guī)則。完成通訊端口初始化，分配節(jié)點地址、定義數據傳輸類型、信息類型及信息格式。

機械臂在執(zhí)行任務時，采用通訊模塊時時偵聽視覺模塊傳遞的數據并進行任務判斷，確認任務后，通過軌跡規(guī)劃模塊、逆運動學計算模塊完成機械臂各關節(jié)的軌跡運動參數計算。將各參數傳輸至ＰＭＡＣ卡后，控制伺服驅動器，實現(xiàn)機械臂各關節(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。該方法結構簡單，在傳感器和執(zhí)行器數量較少的控制系統(tǒng)中應用較廣。但是由于本文設計的串聯(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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