六自由度工业机器人控制系统设计方法

郭美君

（辽宁工程职业学院，辽宁 铁岭 112000）

0 引言

在科学技术不断发展的时代背景下，机器人被广泛应用在各个行业中。机械臂作为机器人设备中最关键的执行元件得到更多关注，多角度落实设计规范，以提升协调性和应用规范性。机器人技术涉及材料科学、传感器技术、微电子技术以及人工智能技术，为了提升其应用的科学性，结合技术要点和设计方案，本文研究适用于复杂环境和任务的移动手臂，从而提高其应用效率。

1 硬件控制

对于机器人而言，机械臂系统就是基础性的机电一体化处理系统，包括机械本体和控制驱动系统，为了保证其应用的有效性，应结合CAN 总线技术完成分布式控制应用，维持各个硬件电路运行的稳定性。

1.1 构型设计

在六自由度机械臂设计和控制应用工作中，要发挥机械臂准确抓取的作用，就要对位置和姿态移动给定点予以重视，确保其具备一定的自由度，匹配关键参数，从而提高其通用性。目前，设置6 个自由度，在满足机器人位姿要求的基础上，不会造成较为繁琐的冗余问题，合理匹配自由度就能形成串联运动连杆的模式。[1]基于此，在实际构型选择过程中，选取计量数值较小且能满足机械臂构型需求的项目。主要包括3 根基础相交轴，设置为3 个关节位置的相交处理，对应的相交点即关节的原点，维持末端执行器基础姿态的稳定性，利用关节链式结构匹配电机完成驱动工序。

1.2 电机选择

电机类型是选择的关键。目前，大多工业机器人选用交流伺服电机，借助控制效果较好的直流有刷伺服电机能大幅提高其应用效果。除此之外，还应结合六自由度机械臂对应关节承受最大力矩参数，保证角速度最大，在全面分析相应数据后估算匹配的电机功率。另外，在电机选择工作中也要关注长度和厚度，电机低速运动状态下，力矩参数较小，应借助加减速器进行综合评估。

2）关节功率评估。六自由度机械臂的6个关节转速如下：

第一关节，60°/s，为1.05 rad/s；

第二关节，30°/s，为0.523 rad/s；

第三关节，30°/s，为0.523 rad/s；

第四关节，30°/s，为0.523 rad/s；

第五关节，30°/s，为0.523 rad/s；

第六关节，80°/s，为1.43 rad/s。

利用“功率=转矩×角速度”公式计算可知6 个基础关节的功率参数为：

第一关节 14.15 W

第二关节 5.38 W

第三关节 2.36 W

第四关节 1.00 W

第五关节 0.20 W

第六关节 0.105 W

结合力矩电机的应用要求，配合电机减速器和编码器落实具体工作。[2]

1.3 硬件设计

利用工控机对PCI 总线予以控制，匹配总线应用规范，选取PCI-1680CAN 卡，建立对应的控制回路。

结合电控单元的应用要求，完成速度控制、关节位置控制以及关节力矩算法控制，维持DSP2407 应用效果，发挥CAN 模块的应用价值。

选取DSP TMS320LF2407 作为整个关节控制器的核心控制单元，基础时钟频率可达40 MHz，系统的处理能力较好，资源结构多样，利用内置EVA 和EVB 建立管理器模块体系，能在节省电路板空间的同时，提高抗干扰能力。[3]

CAN 总线设计，将PCA82C250 作为控制器和物理总线的基础接口，结合差动发送以及接收模式建立应用结构。

2 正运动分析

匹配建模工序进行正运动学分析工作，有利于打造合理的系统应用结构。

2.1 建模

为确保应用合理性，将机械臂作为关节连接的连杆系统予以研究，对机械手臂的每一个连杆位置予以坐标系处理，提升计算的针对性。与此同时，灵活处理坐标系之间相对位置和运行姿态。一般而言，基础连杆和下一个相邻连杆之间的关系，利用齐次变换形成A 矩阵，能表述相对平移和旋转的齐次变换。[4]假设是整个连杆系统中基础坐标和基础位置姿态，那么，利用作为第二个连杆，以此类推，就能应用对各个连杆位置进行标注。在已知目标物为第i 个连杆位置的坐标后，就能对物体的位置进行分析，结果为对应的六自由度机械臂设置为6 个关节空间机构，描述时应关注末端执行器的位置和姿态，应用相对固定参考坐标系分析空间几何关系，建立臂的运动方程。最终完成建模：

2.2 正运动学分析

在正运动学分析工作中，对关节变量进行集中评估，从而结合机械臂的应用要求建立坐标系，如图1 所示，结合机械臂的构型标准落实相应的算法，从而获取关节变量的实际参数。具体关节变量参数如下：

图1 六自由度机械臂坐标系

第一关节θ1=0

第二关节θ2=0

第三关节θ3=0

第四关节θ4=0

第五关节θ5=90°

第六关节θ6=0[5]

匹配关节和连杆参数，可获相应数据：

利用D-H 参数配合建模方式，以Robot 函数的方式将机械臂各个杆结构和关节结构连接在一起，就能维持其运动效果。[6]

3 轨迹规划

完成基础设计工作后，对六自由度机械臂的运行轨迹进行描述，涉及路径规划和运动轨迹规划。其中，路径和具体的应用时间关联度不大，关键的是借助机械臂空间位姿的连续序列完成描述，相应的轨迹是机械臂位姿与时间的匹配函数。需要注意的是，路径是特定序列，应结合机械臂和具体的作业环境完善描述方式，因此，要匹配几何学、运动学等多方面的因素，确保搭建两个作业点之间无碰撞的运行路径体系。在较为常见的应用方法中，人工势场法、假设修正法都能建立对应的路径点。轨迹是与时间关联度较高的参数，在无冲突、无碰撞路径的基础上，结合机器人动力学方程和驱动元件在运行中的约束条件进行路径获取，依据不同作业任务判定点位作业或连续路径作业，需要结合关节空间进行轨迹的规划处理。[7]

3.1 关节空间

结合运动学方程进行路径点的分析，将其转变为关节的角度数值，映射时间函数，确保从起始点到终止点能够按照有序路径完成作业。本文选取三次多项式插值分析方法，设定4 个待定系数，匹配起始点、目标点角度以及角速度等，加入对应的时间函数，从而获得关系式：其中，C0、C1、C2、C3分别表示4 个待定系数，对应分析目标点和起始点的关节角速度。运用仿真分析进行关节插值算法效果研究，获得的具体参数如下：

1）起始点位姿。正运动学仿真参数：theta1=-3.546；theta2=-1.889；theta3=-81.744；theta4=83.634；theta5=83.546；theta6=90.000。

2）路径点1 位姿。正运动学仿真参数：theta1=-3.386 ；theta2=13.570 ；theta3=-89.150 ；theta4=75.580 ；theta5=83.396 ；theta6=90.000。

3）路径点2 位姿。正运动学仿真参数：theta1=-4.016 ；theta2=19.675 ；theta3=-85.371 ；theta4=65.695 ；theta5=74.015 ；theta6=90.000。

4）目标点位姿。正运动学仿真参数：theta1=-9.259 ；theta2=29.973 ；theta3=-77.657 ；theta4=47.683 ；theta5=69.259 ；theta6=90.000。[8]

在仿真分析模式中，起始点和目标点的关节角速度设置为0，中间点的路径点关节角速度应结合瞬时速率进行判定，完成运行代码的分析，获得最终的轨迹规划数值。

3.2 笛卡儿关空间

结合机械臂的4 个基础点进行分析，因为不同关节本身是连续的，无法保证严格的轨迹运动内容，且不能严格约束不同点位姿态的变化，此时，为获得轨迹数值和参数，需要将空间直线、圆弧轨迹规划算法设计融合在一起，建立轨迹规划图。[9]

4 结语

机械臂是机器人应用工作中关键的执行机构，为了保证研究工序的合理性和规范性，应结合人工智能技术建立对应分析模式。传统机械臂多固定在基座位置，操作范围有限，因此对动态机械臂的应用研究受到了广泛关注。结合关节应用参数对简化流程予以全面处理，利用六自由度机械臂轨迹计算方式，运用链式关节的特点完成硬件分析和结构处理，综合判定其运动轨迹，为更好地应用六自由度机械臂提供保障。