浅谈六自由度机器人实现原理

       小编在前几篇文章中介绍了一些种类的机器人，想必大家对机器人有一定的了解，今天为大家讲述一个六自由度机器人，通过对其系统结构、软硬件的介绍，增加大家对此种机器人的了解。

1.六自由度机器人控制系统总体方案

1.1机器人结构方案

机器人机械本体采用六自由度串联关节式结构，其结构如图1所示。机器人的六个关节均为转动关节，第二、三、五关节作俯仰运动，第一、四、六关节作回转运动。机器人后三个关节轴线相交与一点，为腕关节的原点，前3个关节确定腕关节原点的位置，后3个关节确定末端执行器的姿态。第6关节预留适配接口，可以安装不同的工具(如手爪)以适应不同的作业任务要求。

         图1机器人总体构型

1.2机器人控制系统构成

现代机器人控制系统多采用分布式结构，即上一级主控计算机负责整个系统管理以及坐标变换和轨迹插补运算等;下一级由许多微处理器组成，每一个微处理器控制一个关节运动，它们并行地完成控制任务。因而能提高整个控制系统的工作速度和处理能力。分布式控制系统具有开放性特点，可以根据需要增加更多的处理器，以满足传感器处理和通信的需要。

考虑机器人的功能要求，其控制系统结构图如图2所示。此控制系统采用上位机(PC)与单片机控制器进行两级控制。上位机提供用户界面接口，完成作业任务规划、运动学正解、运动学逆解和坐标变换等，按规划解算出机器人关节目标轨迹，然后分配给单关节伺服控制模块，完成对教学机器人各个关节的控制功能。下位机从上位机获取速度、位置等指令，并向运动控制芯片传输数据控制其输出PWM信号，经过功率放大后驱动电机带动关节运动到所需位置。下位机实时采集各关节的位置信息，并将信息传送给上位机。上位机与下位机采用CAN总线的通讯方式。

                                     图2 机器人控制系统结构图

 2.机器人控制系统硬件设计

为实现高精度的运动，采用高精度运动控制器LM629与功率驱动芯片组成硬件结构简洁的位置伺服控制系统，如图3所示。运动控制模块是硬件控制系统的核心部分，它负责控制电机的运行状态，并可接受传感器反馈的电机运动状态参数，采用LM629作为运动控制模块的核心处理器。功率驱动模块采用智能功率集成芯片LMD18200。下位机主处理器通过CAN总线接收上位机下发的数据指令，并由运动控制模块产生PWM信号，经驱动模块放大后控制电机旋转;采用增量式光电编码器将关节的速度位置信号反馈给运动控制模块，从而完成对机器人的运动状态的控制。

                                       图3 机器人单关节伺服系统框图

在控制系统运行时，由主处理器向LM629发送PID控制参数以及速度、加速度与目标位置值，每个采样周期都用这些参数计算电机下一时刻的位置参数并送入求和点，作为内部运算处理器的给定点;由光电编码器反馈的电机实际位置输出信号经过LM629四倍频后，使分辨率提高。光电编码器反馈信号作为求和点的另一个输入与给定值相减，得到的误差值e_k作为数字PID校正环节的输入。主处理器可以在任何时刻读取LM629的运动状态，并根据实际需要调整相应的控制参数以实现期望控制。LM629控制电机在运行时，除了加速度参数外，所有参数值均可以随机改变。

3.控制系统软件设计

控制系统软件通过响应外部中断来接收上位机下传的数据指令，通过读取SJA1000缓冲区中的数据来实现PTP控制、CP控制、硬件复位与当前位置查询。在处理器的主程序中，通过开启外部中断、选择触发方式来实现上位机所下传数据的接收;同时初始化LM629与SJA1000，以确保下位机可以处于正常工作状态。软件流程如图4所示。

                                       图4  软件控制流程图