機器人運動分析及控制研究

王 冉

(西安職業(yè)技術(shù)學院，陜西 西安 710032)

機器人運動分析及控制研究

王 冉

(西安職業(yè)技術(shù)學院，陜西 西安 710032)

對機器人的運動進行分析，并對其控制進行研究通過研究機器人空間坐標建立及姿態(tài)描述方法。采用關(guān)節(jié)坐標系建立D-H參數(shù)表，對空間6R機械臂正運動進行分析，研究機械臂的運動規(guī)律，確定機械臂的初始位置，進而設定其運動軌跡。通過直流電機的建模，分析轉(zhuǎn)矩特性及機械特性，并進行matlab驗證，同時建立機械臂關(guān)節(jié)控制系統(tǒng)，為進一步研究機器人系統(tǒng)打好基礎。

空間坐標；電機建模；控制系統(tǒng)

1 機器人空間坐標建立及姿態(tài)描述

1.1 機器人系統(tǒng)常用坐標系

機器人在編程的過程中需要確定抓取的位置，這就需要計算其坐標，而機器人坐標通常有以下幾種[1]：a基坐標系，坐標系的z軸和機器人的第1關(guān)節(jié)軸重合，常用于簡單任務的編程；b世界坐標系，多臺機器人共同協(xié)作，選擇共同的世界坐標系，有利于機器人程序的交互；c用戶坐標系，每個工作臺上的坐標系；d工件坐標系；e腕坐標系，其z軸和機器人的第6根軸重合；f關(guān)節(jié)坐標系，用來描述機器人每個獨立關(guān)節(jié)的運動。

本文分析機器人主要采用基坐標系，機器人運動控制分析主要采用的是關(guān)節(jié)坐標系，假設將機械臂末端移動到期望位置，則可在關(guān)節(jié)坐標系下，依次驅(qū)動各關(guān)節(jié)運動，從而引導機械臂末端達到指定位置[2]。

1.2 位置的描述

圖1 M點位置矢量

1.3 姿態(tài)的描述

空間的剛體不僅要表示其在空間的位置，還要表示出其在空間的姿態(tài)，本文采用方向余弦法來進行機器人空間姿態(tài)描述。為了描述動坐標系{B}相對于定坐標系{A}的姿態(tài)，先假設兩坐標原點重合，如圖2所示。

圖2 姿態(tài)方向余弦描述

2 機器人運動分析

2.1 機器人運動描述

工業(yè)上常用的機器人多屬于串聯(lián)結(jié)構(gòu)，通常第一個桿件稱為機器人基座，最后一個桿件稱為末端執(zhí)行器，其運動鏈是由一系列桿件通過不同的運動副或者關(guān)節(jié)連接而成，關(guān)節(jié)連接兩個桿件。

關(guān)節(jié)有兩種基本形式，即轉(zhuǎn)動副R和移動副P，本文采用約定形式：桿件的編號順序為0，1，2，…，n，各關(guān)節(jié)編號順序為1，2，…，n，其中第i個關(guān)節(jié)連接第i-1和第i個連桿，這樣，n自由度的機器人就由n+1個桿件和n各關(guān)節(jié)組成。

2.2 D-H坐標系及參數(shù)建立

1) D-H坐標系的建立規(guī)則：首先確定各坐標系z軸，再進一步確定坐標系的x軸方向和坐標原點。

2) D-H坐標系下的參數(shù)主要包括：連桿長度、連桿扭角、連桿偏距以及關(guān)節(jié)角。

2.3 空間6R機械臂正運動分析

空間6R機械臂構(gòu)型，包括7個連桿，編號為0～6，可建立7個坐標系編號為1～7，坐標系的建立遵循D-H坐標系的建立規(guī)則，一般情況下，最后一個坐標系的z軸方向與最后一個關(guān)節(jié)的z軸方向一致，其原點位于機械臂末端夾持器設定的操作點，根據(jù)所建立的坐標系，得到D-H參數(shù)表，通過計算可獲得準確的初始位置坐標原點。

3 機器人控制分析

3.1 直流電動機的轉(zhuǎn)矩特性及機械特性

直流電機的轉(zhuǎn)矩特性是指其他條件不變，當負載變化時，電磁轉(zhuǎn)矩隨負載電流的變化規(guī)律[4]。

1) 并勵直流電動機

2) 串勵直流電動機

串勵直流電動機的勵磁電流隨著負載的變化而變化，

理想狀態(tài)下主磁通不受負載的影響，其轉(zhuǎn)矩特性如圖3所示，其機械特性如圖4所示[5]。

圖3 直流電機轉(zhuǎn)矩特性曲線

圖4 直流電機機械特性曲線

轉(zhuǎn)矩特性測試代碼如下：

>> Cm=10；Ra=1.8；k=0.1；k1=0.2；>>Ia=0∶0.01∶15；>>Temb=Cm*k1*Ia；>> plot(Ia，Temb，’k’)

>> hold on>>axis([0，20，0，60])>>Temc=Cm*k*Ia.^2；>> plot(Ia；Temc；’b’)>> hold on機械特性測試代碼如下：

>> U=220；Ra=0.17；p=2；N=398；a=1；psi=0.010 3；Cpsi=0.001 3；>>Te=0∶0.1∶5；>> Ce=p*N/60/a；

>> Cm=p*N/2/pi/a；>> n=U/Ce/psi-Ra*Te/Ce/Cm/psi^2；>>subplot(2，1，1)>> plot(Te，n，’k’)

>> hold on>> C1=1/Ce*(Cm/Cpsi)^.5；>> C2=1/Ce/Cpsi；>> n=C1*U*(Te+0.001).^(-.5)-C2*Ra；

>>subplot(2，1，2)>> plot(Te，n，’b’)>> hold on>> axis([0，5，0，60 000])

3.2 機器人獨立關(guān)節(jié)控制

通過分析機械臂結(jié)構(gòu)及其運動原理，進而建立機械臂獨立關(guān)節(jié)控制系統(tǒng)模型，其原理如圖5所示。

如果每個關(guān)節(jié)驅(qū)動采用直流電機控制，永磁直流電機是自動控制系統(tǒng)中常用的執(zhí)行元件，可將輸入的電壓信號轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)軸的角位移或者角度輸出，一般要求直流電機機電時間常數(shù)小、調(diào)速范圍寬等優(yōu)良的快速響應特性。

圖5 機械臂獨立關(guān)節(jié)控制原理

4 結(jié) 論

通過分析空間坐標體系、機械臂運動及控制規(guī)律，建立機器人獨立關(guān)節(jié)控制的原理圖建立機器人自動控制系統(tǒng)模型，通過理論分析即可進行編程以控制機械臂準確動作，明顯提高工作效率，避免誤操作。

[1] 牛海清, 謝運祥. 無刷直流電動機及其控制技術(shù)的發(fā)展[J]. 微電機, 2012, 35(5): 36-38.

[2] 任美玲, 陶大錦. 機械臂的研究與進展[J]. 出國與就業(yè): 就業(yè)教育, 2012(2): 84.

[3] 夏長亮, 張茂華. 永磁無刷直流電機直接轉(zhuǎn)矩控制[J]. 中國電機工程學報, 2013, 28(6): 104-109.

[4] 涂俊杰. 多變環(huán)境下移動機器人智能控制方法的研究[D]. 北京: 北方工業(yè)大學, 2014.

[5] 劉金琨. 機器人控制系統(tǒng)的設計與MATLAB仿真[M]. 北京: 清華大學出版社, 2008.

A Control Research of Robot Motion

WANG Ran

(Xi’anVocationalandTechnicalCollege,Xi’an,Shanxi710032,China)

This paper has made an analysis of the movement of the robot, the which of its control is studied by the description method of robot posture and the establishment of spatial coordinates. Table joint coordinate system is adopted to establish D-H parameters to analyze the space of 6R manipulator that is moving to study the movement of mechanical arm and determine the initial position of mechanical arm. Then, it sets its trajectory. Through the analysis of the modeling of dc motor torque characteristics and mechanical properties, it has verified Matlab to establish a mechanical arm in joint control system. At the same time, it provided a basis for further research on robot system.

Spatial coordinates; Motor modeling; Control system

2017-01-11

西安職業(yè)技術(shù)學院2017年度基金項目(2017QN01)

王冉(1985-)，女，陜西西安人，講師，研究方向：電子電路設計、單片機、自動控制原理，手機：13359207639，E-mail：409432746@qq.com.

TP242

A

10.14101/j.cnki.issn.1002-4336.2017.02.039