机器人轨迹规划与控制实验平台

2020-10-09葛连正赵立军

实验技术与管理 2020年9期

葛连正，赵立军

（哈尔滨工业大学机器人技术与系统国家重点实验室，黑龙江哈尔滨 150001）

机器人是一种典型的光机电一体化系统，已经广泛应用于汽车及汽车零部件制造、机械加工、电子电气、橡胶及塑料工业、食品工业、物流和制造业等诸多领域中[1-2]。机器人的轨迹规划与控制是机器人及系统设计和应用的核心技术[3]，涉及机器人的运动学分析、驱动控制结构、轨迹规划算法、软件设计等内容，也是机器人工程专业人才必须掌握的技能。

我国机器人专业的人才培养已开展多年，但大多是由各地方的机器人应用和开发机构实施[4]，培养目标大多数是机器人应用人才，缺乏系统的机器人专业本科生培养。面向新工科建设，2019 年教育部设立了机器人工程专业，开始了机器人专业的本科生培养。因此，高校需要开发和完善机器人的实验平台。

基于目前主流的机器人控制技术，本文开发了一种通用的机器人运动规划与控制实验平台，有助于学生掌握机器人的数学理论，培养机器人轨迹规划及控制系统的综合分析、设计能力，满足了机器人工程专业学生的机器人基础实验需求。

1 实验平台系统设计

1.1 总体框架

机器人实验平台系统主要由倍福CX9020 嵌入式控制器、SANYO 交流伺服电机、SANYO 伺服驱动器、24 V 直流电源以及1 套平面五连杆机构组成。其中，机器人末端夹持一枝中性笔，在双电机控制及驱动下，该中性笔可以实现在坐标平面上的任意轨迹运动，而运动控制方法及算法可以在嵌入式运动控制器里编程实现。总体结构如图1 所示。

1.2 机械系统

五连杆机构是多自由度机构中最基本的一种机构，并可以拓展出很多其他形式各异的多自由度机构，因此对五连杆机构的研究具有普遍意义。实验平台的机械系统包括连杆机构、中性笔和框架等部分，主要完成2 自由度平面机构机器人的模拟运动。其中，连杆机构采用“2 驱动电机+减速机”的主、从动杆结构，从而可保证机器人在实验平台的平面轨迹运动。该五连杆结构能完成较复杂的轨迹曲线，已经成为现代连杆机构综合技术的主要研究方向[5]，对于机器人专业人才培养具有普适性。

图1 实验系统总体结构图

1.3 控制系统

实验平台的控制系统采用“计算机+控制器+驱动器”的分布式控制结构，这也是目前机器人控制系统的主流设计思路[6]，结构如图 2 所示。实验平台采用基于 EtherCAT 协议的总线控制结构，使机器人各控制部件间可以进行稳定的连接，方便安装和调试，提高控制系统的可靠性，并且可以进行功能扩展。

图2 机器人控制系统的硬件结构图

其中，计算机提供交互界面，与控制器通过TCP/IP网络通信。倍福控制器通过 EtherCAT 总线与驱动器连接，主要进行逻辑控制和轨迹规划。驱动器控制伺服电机实现机器人机械系统的运动。伺服电机安装17位的光电编码器，可实现机器人关节的高精度测量与定位。该控制系统结构简单、层次清晰，具有功能模块化和扩展性强的特点，方便功能调试、故障维护和学生使用。

2 机器人运动规划

2.1 机器人运动学模型

机器人运动学是机器人运动规划和控制的数学基础，包括机器人运动学的正解和逆解。该实验平台是一个平面二自由度系统，其结构如图3 所示。其中，点A和E是实验平台的2 个驱动关节，点A为系统的坐标系原点，点C为中性笔，点B和D是相应的中间连接点。a1和a2分别是关节 1 和 2 的运动角度，l1—l5为各连杆长度。

图3 机器人结构简图

1）运动学正解。

运动学正解是已知机器人关节角度（a1,a2），求解点C坐标（xC,yC）。由图 3 可知，点A坐标为（0, 0），显然，点B坐标为（l1cosa1,l1sina1），点E坐标为（l5, 0），点D坐标为（l5+l4cosa2,l4sina2），则点C坐标满足：

求解上述方程，可得到机器人正解：

2）运动学逆解。

运动学逆解是已知点C坐标（xC,yC），求解机器人关节角度（a1,a2），机器人的位置如图4 所示。

从图4 中可以看出，机器人具有4 组逆解，根据几何法可得到如下参数：

这样，可以得到机器人的逆解：

图4 机器人逆解计算示意图

机器人在逆解的选择时，可以按照关节运动路径最短的原则选取：假设关节1 和2 当前角度分别为a10和a20，关节 1 的逆解为a11、a12，关节 2 的逆解为a21、a22，选取过程如下：

2.2 机器人轨迹规划

实验平台的机器人的轨迹规划包括关节空间和笛卡尔空间规划两种（见图5）。前者是给定机器人的各关节的初始和末端角度，基于样条插补、梯形速度插补等算法进行角度运动规划，不涉及机器人运动学。后者则基于机器人的当前位姿和末端位姿，确定机器人插补算法，然后根据机器人运动学计算机器人各插补点的各轴关节角度，最后驱动机器人各关节运动；常用的插补算法包括空间直线、空间圆弧和样条插补等。

图5 机器人轨迹规划框图

实验平台通过关节点到点、直线、圆弧插补及机器人运动学对机器人末端操作器进行运动轨迹规划与控制，而空间复杂的轨迹都可以通过上述插补算法分段进行拟合。

3 机器人平台控制软件

实验平台控制器软件采用TwinCAT 系统，是基于PC 的运动控制软件，功能与传统的运动控制模块、运动控制卡类似，不过它实现了NC（numerical control）和PLC（programmable logic controller）的无缝集成。TwinCAT 的电机运动控制轴分为三种：PLC 轴、NC轴和物理轴。其中，PLC 程序中定义的轴称为 PLC轴，在NC 配置界面定义的轴称为 NC 轴，在 I/O 配置中扫描或添加的运动执行和位置反馈的硬件称为物理轴。

PLC 程序对电机的控制必须经过两个环节：PLC轴到NC 轴，NC 轴再到物理轴。对PLC 轴的控制是指在PLC 中编程，调用运动控制库的功能块。对NC轴的控制不需要编程，只需要配置轨迹规划、PID 运算和 I/O 接口参数。实验平台的控制软件设置流程如图6 所示。