58提高串联机械臂运动精度的关键技术研究

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第三章机械臂运动轨迹规划与控制系统研制；完成其关节空间内的轨迹规划，将各关节变量值传输至；图３．１４串联机械臂控制框图；为了实现机械臂末端执行器的精确定位，采用直流伺服；第三章机械臂运动轨迹规划与控制系统研制；图３．１５机械臂控制系统的硬件结构；机械臂控制系统主控制器采用平望科技公司提供的３．；伺服控制级的核心是美国ＤＥＬＴＡＴＡＵ公司研发的；采用Ｃｏｐｌｅ

第三章机械臂运动轨迹规划与控制系统研制

完成其关节空间内的轨迹规划，将各关节变量值传输至多轴运动控制卡，控制各个关节电机驱动器，实现各关节的位置伺服控制，从而完成给定的目标任务。

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图３．１４串联机械臂控制框图

为了实现机械臂末端执行器的精确定位，采用直流伺服电机、可编程多轴运动控制卡（Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅｍｕｌｔｉｐｌｅａｘｉｓｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ，简称ＰＭＡＣ）和基于ＣＡＮ总线的嵌入式计算机构建机械臂控制系统的硬件结构，其结构如图３。１５所示。六自由度串联机械臂控制系统采用双微机分层控制方式，上层为规划控制级，由嵌入式计算机负责系统管理、运动学计算、轨迹规划、主控逻辑等。它通过ＣＡＮ总线与下层伺服控制级的多轴运动控制器等模块通信。下层为伺服控制级，它主要由多轴运动控制器、直流伺服电机驱动器及通信接口组成。其中，多轴运动控制器与直流伺服电机驱动器一起完成直流伺服电机的位置、速度、力矩的闭环控制，实现了机械臂关节运动的实时控制。采用ＣＡＮ总线接口读取并传输电机编码器的初始值。为提高嵌入式ＰＣ与ＰＭＡＣ卡之间数据交换的速度，采用双端口ＲＡＭ作为嵌入式ＰＣ与ＰＭＡＣ通讯的高速缓冲区，可将嵌入式ＰＣ内存中的轨迹规划的数据下载到ＰＭＡＣ，或将关节位置的信息和伺服单元的状态信息传输至嵌入式ＰＣ。控制系统采用开放式控制结构，配备了多种网络接口，可通过ＣＡＮ总线与老人服务机器人的视觉、底盘、语音等其它单元通讯。由于机械臂的系统架构具有控制系统开放及层次耦合少等优点，它既可以作为独立的串联机械臂系统，也可以通过通讯接口扩展为服务机器人的执行单元。５５

第三章机械臂运动轨迹规划与控制系统研制

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图３．１５机械臂控制系统的硬件结构

机械臂控制系统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，它采用凌动Ｎ２７０处理器，配备了多种的开放式接口。采用直流１２Ｖ和５Ｖ供电，功耗较低，稳定性较高。主控制器采用ｗｉｎｄｏｗｓＸＰ作为操作系统，可方便安装ＰＭＡＣ卡的驱动程序及动态链接库。

伺服控制级的核心是美国ＤＥＬＴＡＴＡＵ公司研发的可编程多轴运动控制器。它是基于ＤＳＰ的多轴、多通道的运动控制器，同时具备ＰＬＣ控制、数据采集等功能。它的优势在于编程简单、响应速度快、开发周期短且准确度高。选用的ＴｕｒｂｏＰＭＡＣＣｌｉｐｐｅｒ控制器功能齐全，结构紧凑，性价比高。它采用ＴｕｒｂｏＰＭＡＣ２．ＣＰＵ处理器，并提供四轴伺服或步进控制。ＰＭＡＣ提供的执行软件为Ｐｅｗｉｎ３２ｐｒｏ，支持ｗｉｎ９８，ｗｉｎ２０００，ｗｉｎＸＰ系统。它提供动态链接库Ｐｃｏｍｍ３２ｐｒｏ，支持ＶＣ、Ｃ＋＋开发或调用动态链接库的函数，完成运动控制器参数修改、执行任务文件下载等功能。

采用Ｃｏｐｌｅｙ公司生产的ＡＣＪ．０５５．１８直流电机伺服驱动器完成电机的速度控制和电流控制，该伺服驱动器配备多种信号接口，如ＣＡＮ总线接口模块，用于获取电机编码器的信号的反馈接口，以及用于接收多轴运动控制器传输的控制信号的信号接口。机械臂的执行单元为Ｍａｘｏｎ直流伺服电机。其实物测试图如图３．１６所示。５６

实现，系统软件结构及各个任务模块如图３．１７所示。速运算功能实现轨迹插补、运动伺服控制等任务。每个任务采用各自对应的线程改，，机械臂手动操作等任务。下位机软件利用ＰＭＡＣ自身语言开发，利用其高Ｃ＋＋６．０进行开发，主要完成轨迹规划、机械臂运动学计算、参数设置与修Ｖｉｓｕａｌ设计，分为上位机功能模块和下位机运动计算模块部分。上位机功能模块采用ＸＰ作为操作系统。控制软件采用模块化机械臂控制软件开发使用Ｗｉｎｄｏｗｓ３．４．２串联机械臂系统软件设计图３．１６电机控制测试现场第三章机械臂运动轨迹规划与控制系统研制５７偏置、扭角、质心位置、惯量等参数。设定各关节的电机编码器初始值、电机的参数初始化模块：在程序里输入六自由度机械臂连杆参数，包括连杆长度、图３．１７机械臂控制系统软件结构图

额定参数、参数限制等。编写多轴运动控制器初始化程序。

逆运动学计算模块：基于连杆Ｄ．Ｈ参数建立机械臂的正运动学方程和逆运动学方程，用Ｃ＋＋语言编写运动学求解的数学运算。将在笛卡尔空间描述的操作任务转换至关节空间，采用向量记录关节空间的关节位置序列。

轨迹规划模块：建立笛卡尔空间下末端执行器的直线、圆弧位置轨迹。计算每段轨迹最优的执行时间，采用五次多项式插值函数完成关节空间的位置、速度和加速度的轨迹规划。

通讯模块：确定嵌入式ＰＣ与视觉系统及下层ＰＭＡＣ卡的数据通讯方式，并设定数据传输规则。完成通讯端口初始化，分配节点地址、定义数据传输类型、信息类型及信息格式。

机械臂在执行任务时，采用通讯模块时时侦听视觉模块传递的数据并进行任务判断，确认任务后，通过轨迹规划模块、逆运动学计算模块完成机械臂各关节的轨迹运动参数计算。将各参数传输至ＰＭＡＣ卡后，控制伺服驱动器，实现机械臂各关节电机的伺服控制。机械臂控制系统软件程序流程图如图３．１８所示。５８

图３．１８机械臂控制系统软件程序流程图

３．４．３控制系统通信方式

机械臂控制系统设计中，采用ＰＣＩ０４总线实现机械臂控制系统的嵌入式ＰＣ与运动控制卡之间的高速通讯。由于机械臂控制系统需要获取视觉系统提供的目标物体位姿信息才能完成目标操作，因此需要解决控制系统与视觉模块之间的通信问题。

传统的机器人系统中往往采用基于点对点连接的集中式通信方法。该方法结构简单，在传感器和执行器数量较少的控制系统中应用较广。但是由于本文设计的串联机械臂的控制变量较多，而且对控制精度要求较高，传统的集中式通信方法布线复杂，导致系统难以维护，可靠性和灵活性较低。因此，采用现场总线技５９

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