嵌入式控制系統在焊接或噴漆機器人的應用

機器人技術是一種融合了機械、電子、計算機技術、感測技術、控制理論和人工智慧等眾多學科於一體的先進技術。機器人作為資訊科技和先進製造業發展水平的典型代表,正在成為世界各國競相發展的技術。機器人控制系統作為機器人的核心部件需要完成系統的運動控制、狀態監測、安全控制和報警等功能。

嵌入式開發

在目前國內外機器人發展狀況基礎上,結合實際專案中能夠滿足焊接或噴漆等工作的要求,確立了研發一臺六自由度旋轉關節串聯機器人的目標。以減少系統成本、降低複雜度、提高可靠性為原則搭建硬體平臺。通過計算各個關節的力矩,選擇與之匹配的電機。根據需要達到的各項技術指標,確定了採用基於ARM的嵌入式系統作為控制主機,通過工業乙太網連線驅動器進而控制伺服電機的基本方案。與採用PMAC運動控制卡通過串列埠控制電機的方案相比,擺脫了對PMAC運動控制卡的依賴,對系統底層的控制更具有靈活性。

在確立的硬體平臺上搭建了完善的軟體環境。為滿足系統高實時性、可擴充套件、低成本的要求,採用開源的Linux系統作為基本的軟體平臺。在完成系統移植工作的基礎上編寫了工業乙太網晶片的驅動程式及應用程式介面。為了建立良好的人機介面,採用適用於多平臺的Qt作為圖形介面庫,以增加系統的可移植性降低除錯難度。

機器人的運動控制演算法是整個機器人技術的靈魂。目前常用的控制方法,並採用標準的DH法建立機器人數學模型,運用齊次座標變換建立了正運動學方程。並且提出了一種用牛頓-拉夫遜迭代法逐次逼近目標位姿的逆解演算法,採用基於豪斯霍爾德的SVD分解求其偽逆來避免雅克比矩陣的奇異性問題,通過建立迭代規則並逐次迭代找到最優的逆運動學單解,實際應用時無需再建立多解取優策略。嵌入式方案服務商朗銳智科認為，演算法具有較好的區域性快速收斂性,並在所設計的機器人上進行驗證,結果表明機器人能夠達到較好的精度和速度。

為使機器人運動更加平滑、高效,在論證了軌跡規劃必要性的基礎上,分別從關節空間和任務空間兩個層面進行了討論分析,對末端執行器的軌跡進行了優化。傳統軌跡規劃的優缺點,根據蟻群演算法與軌跡規劃的相似性特徵,將蟻群演算法引入到機器人軌跡規劃中,並在傳統蟻群演算法的基礎上,引入帶方向資訊的全域性啟發因子來提高最優路徑的搜尋效率,並利用螞蟻的死亡機制和懲罰函式來避免遇到陷阱時形成的路徑死鎖情況。測試結果表明,改進後的蟻群演算法收斂速度更快,能夠在較短時間內規劃出滿足條件的最優路徑。