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運動控制范文第1篇

    關鍵詞:伺服驅動技術,直線電機,可編程計算機控制器,運動控制

    1 引言

    信息時代的高新技術流向傳統產業,引起后者的深刻變革。作為傳統產業之一的機械工業,在這場新技術革命沖擊下,產品結構和生產系統結構都發生了質的躍變,微電子技術、微計算機技術的高速發展使信息、智能與機械裝置和動力設備相結合,促使機械工業開始了一場大規模的機電一體化技術革命。

    隨著計算機技術、電子電力技術和傳感器技術的發展,各先進國家的機電一體化產品層出不窮。機床、汽車、儀表、家用電器、輕工機械、紡織機械、包裝機械、印刷機械、冶金機械、化工機械以及工業機器人、智能機器人等許多門類產品每年都有新的進展。機電一體化技術已越來越受到各方面的關注,它在改善人民生活、提高工作效率、節約能源、降低材料消耗、增強企業競爭力等方面起著極大的作用。

    在機電一體化技術迅速發展的同時,運動控制技術作為其關鍵組成部分,也得到前所未有的大發展,國內外各個廠家相繼推出運動控制的新技術、新產品。本文主要介紹了全閉環交流伺服驅動技術(Full Closed AC Servo)、直線電機驅動技術(Linear Motor Driving)、可編程序計算機控制器(Programmable Computer Controller,PCC)和運動控制卡(Motion Controlling Board)等幾項具有代表性的新技術。

    2 全閉環交流伺服驅動技術

    在一些定位精度或動態響應要求比較高的機電一體化產品中,交流伺服系統的應用越來越廣泛,其中數字式交流伺服系統更符合數字化控制模式的潮流,而且調試、使用十分簡單,因而被受青睞。這種伺服系統的驅動器采用了先進的數字信號處理器(Digital Signal Processor, DSP),可以對電機軸后端部的光電編碼器進行位置采樣,在驅動器和電機之間構成位置和速度的閉環控制系統,并充分發揮DSP的高速運算能力,自動完成整個伺服系統的增益調節,甚至可以跟蹤負載變化,實時調節系統增益;有的驅動器還具有快速傅立葉變換(FFT)的功能,測算出設備的機械共振點,并通過陷波濾波方式消除機械共振。

    一般情況下,這種數字式交流伺服系統大多工作在半閉環的控制方式,即伺服電機上的編碼器反饋既作速度環,也作位置環。這種控制方式對于傳動鏈上的間隙及誤差不能克服或補償。為了獲得更高的控制精度,應在最終的運動部分安裝高精度的檢測元件(如:光柵尺、光電編碼器等),即實現全閉環控制。比較傳統的全閉環控制方法是:伺服系統只接受速度指令,完成速度環的控制,位置環的控制由上位控制器來完成(大多數全閉環的機床數控系統就是這樣)。這樣大大增加了上位控制器的難度,也限制了伺服系統的推廣。目前,國外已出現了一種更完善、可以實現更高精度的全閉環數字式伺服系統 , 使得高精度自動化設備的實現更為容易。其控制原理如圖1所示。

    該系統克服了上述半閉環控制系統的缺陷,伺服驅動器可以直接采樣裝在最后一級機械運動部件上的位置反饋元件(如光柵尺、磁柵尺、旋轉編碼器等),作為位置環,而電機上的編碼器反饋此時僅作為速度環。這樣伺服系統就可以消除機械傳動上存在的間隙(如齒輪間隙、絲杠間隙等),補償機械傳動件的制造誤差(如絲杠螺距誤差等),實現真正的全閉環位置控制功能,獲得較高的定位精度。而且這種全閉環控制均由伺服驅動器來完成,無需增加上位控制器的負擔,因而越來越多的行業在其自動化設備的改造和研制中,開始采用這種伺服系統。

    3 直線電機驅動技術

    直線電機在機床進給伺服系統中的應用,近幾年來已在世界機床行業得到重視,并在西歐工業發達地區掀起"直線電機熱"。

    在機床進給系統中,采用直線電動機直接驅動與原旋轉電機傳動的最大區別是取消了從電機到工作臺(拖板)之間的機械傳動環節,把機床進給傳動鏈的長度縮短為零,因而這種傳動方式又被稱為"零傳動"。正是由于這種"零傳動"方式,帶來了原旋轉電機驅動方式無法達到的性能指標和優點。

    1. 高速響應 由于系統中直接取消了一些響應時間常數較大的機械傳動件(如絲杠等),使整個閉環控制系統動態響應性能大大提高,反應異常靈敏快捷。

    2. 精度 直線驅動系統取消了由于絲杠等機械機構產生的傳動間隙和誤差,減少了插補運動時因傳動系統滯后帶來的跟蹤誤差。通過直線位置檢測反饋控制,即可大大提高機床的定位精度。

    3. 動剛度高 由于"直接驅動",避免了啟動、變速和換向時因中間傳動環節的彈性變形、摩擦磨損和反向間隙造成的運動滯后現象,同時也提高了其傳動剛度。

    4. 速度快、加減速過程短 由于直線電動機最早主要用于磁懸浮列車(時速可達500Km/h),所以用在機床進給驅動中,要滿足其超高速切削的最大進個速度(要求達60~100M/min或更高)當然是沒有問題的。也由于上述"零傳動"的高速響應性,使其加減速過程大大縮短。以實現起動時瞬間達到高速,高速運行時又能瞬間準停。可獲得較高的加速度,一般可達2~10g(g=9.8m/s2),而滾珠絲杠傳動的最大加速度一般只有0.1~0.5g。5. 行程長度不受限制 在導軌上通過串聯直線電機,就可以無限延長其行程長度。

    6. 運動動安靜、噪音低 由于取消了傳動絲杠等部件的機械摩擦,且導軌又可采用滾動導軌或磁墊懸浮導軌(無機械接觸),其運動時噪音將大大降低。

    7. 效率高 由于無中間傳動環節,消除了機械摩擦時的能量損耗,傳動效率大大提高。

    直線傳動電機的發展也越來越快,在運動控制行業中倍受重視。在國外工業運動控制相對發達的國家已開始推廣使用相應的產品,其中美國科爾摩根公司(Kollmorgen)的 PLATINNM DDL系列直線電機和SERVOSTAR CD系列數字伺服放大器構成一種典型的直線永磁伺服系統,它能提供很高的動態響應速度和加速度、極高的剛度、較高的定位精度和平滑的無差運動;德國西門子公司、日本三井精機公司、臺灣上銀科技公司等也開始在其產品中應用直線電機。

    4 可編程計算機控制器技術

    自20世紀60年代末美國第一臺可編程序控制器(Programming Logical Controller,PLC)問世以來,PLC控制技術已走過了30年的發展歷程,尤其是隨著近代計算機技術和微電子技術的發展,它已在軟硬件技術方面遠遠走出了當初的"順序控制"的雛形階段。可編程計算機控制器(PCC)就是代表這一發展趨勢的新一代可編程控制器。

    與傳統的PLC相比較,PCC最大的特點在于它類似于大型計算機的分時多任務操作系統和多樣化的應用軟件的設計。傳統的PLC大多采用單任務的時鐘掃描或監控程序來處理程序本身的邏輯運算指令和外部的I/O通道的狀態采集與刷新。這樣處理方式直接導致了PLC的"控制速度"依賴于應用程序的大小,這一結果無疑是同I/O通道中高實時性的控制要求相違背的。PCC的系統軟件完美地解決了這一問題,它采用分時多任務機制構筑其應用軟件的運行平臺,這樣應用程序的運行周期則與程序長短無關,而是由操作系統的循環周期決定。由此,它將應用程序的掃描周期同外部的控制周期區別開來,滿足了實時控制的要求。當然,這種控制周期可以在CPU運算能力允許的前提下,按照用戶的實際要求,任意修改。

    基于這樣的操作系統,PCC的應用程序由多任務模塊構成,給工程項目應用軟件的開發帶來很大的便利。因為這樣可以方便地按照控制項目中各部分不同的功能要求,如運動控制、數據采集、報警、PID調節運算、通信控制等,分別編制出控制程序模塊(任務),這些模塊既獨立運行,數據間又保持一定的相互關聯,這些模塊經過分步驟的獨立編制和調試之后,可一同下載至PCC的CPU中,在多任務操作系統的調度管理下并行運行,共同實現項目的控制要求。

    PCC在工業控制中強大的功能優勢,體現了可編程控制器與工業控制計算機及DCS(分布式工業控制系統)技術互相融合的發展潮流,雖然這還是一項較為年輕的技術,但在其越來越多的應用領域中,它正日益顯示出不可低估的發展潛力。

    5 運動控制卡

    運動控制卡是一種基于工業PC機 、 用于各種運動控制場合(包括位移、速度、加速度等)的上位控制單元。它的出現主要是因為:(1)為了滿足新型數控系統的標準化、柔性、開放性等要求;(2)在各種工業設備(如包裝機械、印刷機械等)、國防裝備(如跟蹤定位系統等)、智能醫療裝置等設備的自動化控制系統研制和改造中,急需一個運動控制模塊的硬件平臺;(3)PC機在各種工業現場的廣泛應用,也促使配備相應的控制卡以充分發揮PC機的強大功能。

    運動控制卡通常采用專業運動控制芯片或高速DSP作為運動控制核心,大多用于控制步進電機或伺服電機。一般地 , 運動控制卡與PC機構成主從式控制結構:PC機負責人機交互界面的管理和控制系統的實時監控等方面的工作 ( 例如鍵盤和鼠標的管理、系統狀態的顯示、運動軌跡規劃、控制指令的發送、外部信號的監控等等);控制卡完成運動控制的所有細節(包括脈沖和方向信號的輸出、自動升降速的處理、原點和限位等信號的檢測等等)。運動控制卡都配有開放的函數庫供用戶在DOS或Windows系統平臺下自行開發、構造所需的控制系統。因而這種結構開放的運動控制卡能夠廣泛地應用于制造業中設備自動化的各個領域。

    這種運動控制模式在國外自動化設備的控制系統中比較流行,運動控制卡也形成了一個獨立的專門行業,具有代表性的產品有美國的PMAC、PARKER等運動控制卡。在國內相應的產品也已出現,如成都步進機電有限公司的DMC300系列卡已成功地應用于數控打孔機、汽車部件性能試驗臺等多種自動化設備上。

運動控制范文第2篇

【關鍵詞】模糊控制；運動控制；避障傳感器

0 引言

模糊邏輯控制（Fuzzy Logic Control）簡稱模糊控制（Fuzzy Control），是以模糊集合論、模糊語言變量和模糊邏輯推理為基礎的一種計算機數字控制技術。模糊控制實質上是一種非線性控制，從屬于智能控制的范疇。近20多年來，模糊控制不論從理論上還是技術上都有了進步，成為自動控制領域中一個非常活躍而又碩果累累的分支。根據模糊控制原理，設計模糊控制器以實現機器人在溫室中的運動控制[1]。模糊控制器主要有模糊化、知識庫、模糊推理和去模糊化四部分[2]組成。

1 溫室機器人運動控制研究

對溫室機器人來說，農作物植株是機器人行走的障礙物，所以機器人在大棚農田的運動過程就是控制機器人避開農作物植株的過程。溫室機器人行進中的控制技術直接影響了溫室機器人的作業效果，也是開發實用設備的關鍵[3]。

1.1 用模糊控制來實現溫室機器人的運動控制

建立適合溫室機器人運動的模糊邏輯控制規則，根據這些規則設計模糊控制器[4]。模糊控制器以紅外傳感器收集到的信息為依據，把最終目標點分解成一個個的當前目標點，從而實現溫室機器人在未知環境下的運動控制，并在此基礎上進行運動控制的計算機仿真。

1.2 溫室機器人模糊控制器設計

1.2.1 模糊化

模糊化就是將被控對象的相關數據的精確值進行標準化處理，即把其變化范圍映射到相應得內部論域中，然后將輸入數據轉換成相應的模糊語言變量的概念，構成模糊集合，這樣就將輸入的精確量轉換為用模糊集合表示的某一模糊變量的值[5]。

1.2.2 知識庫

知識庫包括數據庫和規則庫兩部分[6]。

（1）數據庫

定義模糊輸入變量dl和dr的模糊語言分為{S，M，B }={“小”，“中”，“大”}；

模糊輸入變量sα的模糊語言分為{LB，LS，Z，RS，RB}={“左大”， “左小”， “零”， “右小”， “右大”}；

模糊輸出變量的模糊語言分為{TLB，TLS，TZ， TRS，TRB}={“左大”， “左中”， “左小”， “零”， “右小”， “右中”， “右大”}。

（2）規則庫

模糊控制規則是模糊控制器的核心，是將操作者的操作經驗和專家知識進行總結而得來的。模糊控制規則可用多條模糊條件語句來表示。最常用的關聯詞有if-then、or、and等。如ri：（i=1，2，3，…）表示第i條控制規則。

它是模糊控制器的核心，是專家的知識或現場操作人員的經驗的一種體現，即控制中所需要的策略。控制規則的條數可能有很多條，那么需要求出總的控制規則R，作為模糊推理的依據。

2 溫室機器人實驗仿真

用MATLAB仿真，其仿真結果中的障礙物代表農作物植株，小黑圈代表機器人的位置。機器人由“起點”出發，穿過兩行農作物，到達終點。MATLAB仿真實驗表明，該控制器能有效控制機器人在避開農作物植株。

2.1 溫室機器人避障行為的設計

溫室機器人躲避障礙行為的功能是根據它當前探測到目前的環境信息，才決定機器人如何運動、能避開環境中的障礙物。當該行為與奔向目標行為相結合時，能使機器人繞開環境中的障礙到達目標點。如前所述，溫室機器人的傳感器是一個組合，該組合由3個傳感器組成。

2.2 溫室機器人循跡

這里的循跡是指樣車在溫室大棚循白線行走，通常采取的方法是紅外探測法。紅外探測法，即利用紅外線在不同顏色的物體表面具有不同的反射性質的特點，在樣車行駛過程中不斷地向地面發射紅外光，當紅外光遇到地面時發生漫反射，反射光被裝在小車上的接收管接收；如果遇到黑線則紅外光被吸收，樣車上的接收管接收不到紅外光。單片機就是否收到反射回來的紅外光為依據來確定白線的位置和樣車的行走路線。紅外探測器探測距離有限，一般最大不應超過3cm。

用一個字節來代表車底的6個光電傳感器。用每一個位來代表當前傳感器的檢測狀態。

把樣車直線行進時分成三種狀態，當中間四個傳感器都檢測到白線時，樣車在跑道的正上方，這時控制兩電機同速度全速運行。當檢測到有一個傳感器或者同側的兩個傳感器偏出白線時，樣車處于微偏狀態，這時將一個電機速度調慢，另一電機速度調快，完成調整。當檢測到有三個傳感器偏出時，樣車處于較大的偏離狀態，這時把一個電機的速度調至極低，另一電機全速運行，從而在較短時間內完成路線的調整。

用這種三級調速的循跡算法同單純的判斷檢測到對管的位置并作出判斷的方法相比，程序思路清晰，程序執行結果較好。

3 結論

在實際的測試過程中， 該機器人能夠快速準確地按照預定路線到達指定位置完成規定動作， 并能很好地實現“自動避障”這一特殊功能，具有更高的適應性及靈活性， 具有系統模型簡單、實現方法容易的特點， 使得這種控制方法能夠方便地推廣、應用。

【參考文獻】

[1]方華，劉旭，黃玲，胡波.農業機器人行進中控制技術的研究進展[J].安徽農業科學，2008，36（32）：14348-14349.

[2]韓峻峰，李玉惠.模糊控制技術[M].重慶：重慶大學出版社，2003，5：49-65.

運動控制范文第3篇

【關鍵詞】PLC 真空聯鎖保護 運動控制

光束線站一旦發生真空事故，就會導致束流丟失和儀器損壞。完成可靠的真空聯鎖保護與運動控制系統的設計，則可以確保光束線站的正常運行。而PLC具有較強的抗干擾能力，可以在真空聯鎖保護與運動控制系統的設計中應用。因此，有必要對基于PLC的真空聯鎖保護與運動控制系統展開研究，繼而為線站實驗的安全進行提供保障。

一、基于PLC的真空聯鎖保護與運動控制系統

就目前來看，PLC已經成為了應用最廣泛的可編程控制器件。利用PLC，可通過編程完成對硬件功能的修改，繼而使電子系統設計的靈活性得到提高。而真空聯鎖保護與運動控制系統不僅需要為儲存環的正常運行提供保證，還要通過控制電機運動來實現對光柵位置的調整。所以，需要應用PLC技術進行系統控制的實現，以便滿足實驗室對光束線站的控制要求。通過考慮線站的可靠性、靈活性和抗干擾能力要求，可以使用S7-300PLC這種可編程控制器進行真空連鎖保護控制系統的設計。從系統的硬件組態結構角度來看，該類型PLC系統可以滿足中等控制系統的控制需求，系統各模塊可以組合構成不同的系統。在S7-300操作系統內，人機界面服務得到了集成，可以實現強大的通信功能。通過使用用戶界面的通信組態功能，就可以完成硬件組態。此外，該系統中有多種通信接口，可以用來連接總線接口。

二、系統控制的實現

（一）系統真空聯鎖保護控制的實現

系統真空聯鎖保護控制的實現主要通過兩個環節，即真快保護控制邏輯設計和軟件編程。在邏輯設計方面，系統由兩級構成。首先，系統的快速真空保護控制需要由真空傳感器控制。在真空傳感器探測到的真空度與設定的閾值不同時，系統會自動關閉快閥，并且對沖向儲存環的大氣沖擊波進行攔截。而由于系統破膜的的壓力波傳播速率和光束線長均可獲知，所以可以完成對壓力波傳播時間的計算。其次，系統的慢速真空保護控制需要由另一個真空傳感器控制。在傳感器探測到慢漏氣引發的真空事故時，系統將關閉前端氣動門閥和水冷光屏。通過讀取線站快閥的位置信號，系統則可以實現對存儲環的慢控保護。從控制要點上來看，真空聯鎖保護與運動控制系統主要需要完成對氣動門閥和水冷光屏的控制。在真空度較低的情況下，系統要使門閥自動關閉，并且完成對水冷光屏的聯鎖關閉。而快閥因真空事故遭到關閉時，將會使啟動門閥和水冷光屏聯鎖關閉。在真空度符合要求時，系統將自動開啟啟動門閥，并順次完成光閘和水冷光屏的開啟。此外，在進行真空聯鎖保護控制的軟件編程時，可以采用STEP7 V5.4軟件平臺。該平臺不僅可以為系統編程提供梯形圖、語句表和功能塊圖這三種編程語言，并且還包含豐富的指令。在編程的過程中，可以采用文本編程方式，以便使系統的編程量得到簡化。同時，采用這種編程方式還可以完成對錯誤的及時修改，繼而可以滿足高級編程語言的使用需求。

（二）系統運動控制的實現

想要實現系統的運動控制，就需要先完成系統的運動控制模塊的設計。考慮到線站電機的運動控制問題，可以選用定位模塊FM353完成模塊的設計。從原理上來看，通過將脈沖信號和方向信號發送至步進電機控制器，FM353就能完成對步進電機的控制。而用戶在進行系統的運動控制時，則需要將電機速度、操作模式等控制數據傳送至用戶數據塊DB中，并從中讀取反饋數據。具體來講，就是系統CPU則可以完成功能函數的調用，并實現用戶數據塊與FM353模塊的數據交換。所以，FM353的編程實際就是對交換數據的程序進行編寫，以便通過DB完成對FM模塊的控制。從用戶角度來看，則只需要完成操作模式的選擇就可以進行系統的控制。在模式上，運動控制模塊可以利用增量模式完成對系統增量的控制，并利用電動模式完成對定位軸方向和速度的檢測。

（三）人機交互的實現

為了實現系統操作人員與設備之間的雙向溝通，還需要設計和實現系統的人機交互界面。就目前來看，很多設備的現場操作都是利用人際界面，可以幫助操作人員快速的掌握設備的使用方法。考慮到安全性、性價比和可靠性等問題，真空聯鎖保護與運動系統需要使用專門面向PLC應用的觸摸屏。通過與系統的MPI接口直接連接，觸摸屏上將直接顯示出控制閥門的操作和位置。同時，人機交互界面還將顯示系統外接傳感器的狀態，以便完成對水壓、氣壓和溫度等內容的監控。此外，通過設置用戶權限，還可以實現對系統閥門的保護，繼而避免人員的錯誤操作。

三、結論

總而言之，基于PLC的真空聯鎖保護與運動系統具有較強的抗干擾能力，并且系統的運行也較為穩定和可靠，可以實現對光束線站的聯鎖保護與運動控制的一體化。同時，由于PLC具有模塊化的特點，所以可以為系統的擴展提供便利。而通過改變軟件編程就可以實現更多的系統功能，則使系統的改進更加容易。因此，隨著PLC技術的不斷發展，基于PLC的真空聯鎖保護與運動系統必將獲得更好的發展前景。

參考文獻：

[1]胡嘯，熊永前，李冬等.基于PLC的緊湊型回旋加速器聯鎖保護系統[J].電氣傳動，2010.

運動控制范文第4篇

【關鍵詞】運動控制系統；步進電機；PLC 能實現對機械運動部件的位置、速度等進行實時的控制管理，使其按照預期的軌跡進行運動的系統稱為運動控制系統。

1.運動控制系統設計

運動控制系統設計中最重要的兩個參數為位置和速度，步進電機由于控制精度高，可直接用數字信號控制，無累積定位誤差而被廣泛用于運動控制系統中，步進電機最重要的三個參數為脈沖個數、脈沖頻率和脈沖方向，其中脈沖個數、脈沖方向對應與運動控制系統中的參數―位置，而脈沖頻率對應與運動控制系統中的參數―速度。通過脈沖個數和脈沖方向控制步進電機的角位移或線位移從而達到運動控制系統準確定位目的，通過脈沖頻率控制步進電機轉動速度從而達到運動控制系統時間準確目的；因此運動控制系統設計問題轉化成步進電機脈沖個數、脈沖頻率和脈沖方向設置問題。

2.應用案例

目前運動控制系統設計中步進電機控制一般采用PLC直接控制或1PG模塊直接控制，例如在工作臺移動裝置如圖1，按下啟動按鈕，工作臺先執行回原點操作，接著右移50mm處停止，接著返回原點停止。對于上述設計可采用兩種方案設計。方案1―直接用PLC控制步進電機，方案2―采用1PG模塊控制步進電機。本文重點講述方案1。

分析：定位距離為50mm，轉化成相應步進電機脈沖數為10000個，脈沖方向為正，脈沖頻率由于沒有時間設置可隨機設置如6000。脈沖數計算依據如下絲桿螺距為10mm，即步機電機旋轉一周，工作臺移動10mm。假設：將步進驅動器設置為10細分，步距角為0.18°：

電機轉一周所需脈沖數=360°/0.18°=2000個

每個脈沖行走的距離=10mm/2000=0.005mm

工作臺行走50mm所需脈沖數=50mm/0.005mm=10000個

（1）根據題目要求畫出I/O對照表。

（2）畫出系統連接圖。

工作臺移動裝置系統連接如下圖2所示。

（3）PLC控制程序。

3.結束語

經過試驗證明，利用PLC控制步進電機實現對運動系統的準確定位操作簡單，可靠性高

【參考文獻】

運動控制范文第5篇

關鍵詞：工業機器人；運動控制系統；NURBS插補算法；實現路徑

隨著信息科學技術的迅速發展，工業機器人在控制質量、工作效率、成本等方面表現出了較大的優勢，運動穩定、速度可調節、抗疲 勞的工業機器人能夠替代人工完成相應的操作（包括完成一些具備高危險系數的工作），將機器人應用到工業生產中能夠在使生產效率、 產品質量得以有效提高的同時顯著降低人工工作量及生產成本，工業機器人已經成為工業現代化發展的重要支撐工具，在各行業中得以廣 泛使用，作為一項重要的機電一體化技術機器人運動控制已成為工業生產領域的重點研究方向。運動控制是實現機器人功能的基礎和重點 ，對機器人的性能起到直接決定作用，工業機器人在實際生產使用過程中易被多種因素干擾（如電、磁等），對工業機器人的設計方案尤 其是各項產品參數提出了更高的要求，需確保運動控制系統具備高效運動控制功能及穩定的性能，因此本研究主要對機器人運動控制系統 進行了設計。

1 需求分析

隨著工業機器人在工業領域的廣泛應用，對機器人的控制及操作要求不斷提升，工業機器人主要由本體、驅動裝置及控制系統構成， 在軌跡空間中工業機器人需完成除基本運動（包括直線、圓弧等）外較為復雜的運動，具備擬人功能的運動控制系統（一種機械電子裝置 ）作為工業機器人的核心構成部分集合了多種現代先進技術（包括網絡計算機、人工智能、電子機械、傳感器等），通過運動控制系統實 現機器人復雜的軌跡運動，在實現復雜幾何造型上NURBS方法因具備較大的優勢而得以在CAD中廣泛應用，因此充分運用NURB S插補算法實時可靠的優勢，在研究了NURBS軌跡規劃的基礎上對機器人運動控制系統進行設計具有較高的實際應用價值。目前國內 已有工業機器人運動控制系統大多存在擴展性和通用性方面的不足，導致使用方面的局限性，大多只適用于特定的機器人［1］。本研究 針對UPR100本體工業機器人（6自由度）在現有研究的基礎上完成了運動控制系統的設計和實現過程，采用模塊化的設計原則，通 過使用DMC運動控制卡實現主要控制功能，結合運用了抗干擾能力強（防潮、防塵、防振）、穩定可擴展的工控機，實現對機器人運動 過程的精準控制。

2 工業機器人運動控制系統設計

作為一項較為復雜的系統工程，基于人工智能裝置的完整機器人主要由執行機構、驅動裝置（由驅動器、減速器、檢測元件構成）、 控制系統（主要由傳感器和電子計算機構成，）等構成，模仿人類手臂動作的操作機主要負責完成各類實操作業（主要由機座、末端執行 器、機械臂構成），驅動裝置負責完成電能到機械能的轉換從而將動力提供給操作機（可采取電力、液壓、氣壓幾種驅動方式）；控制系 統負責完成對機器人的檢測和操作控制過程以完成規定的動作，包括對機器人運動參數的檢測控制及反饋控制；人工智能系統主要負責完 成邏輯判斷、模式識別及操作等功能（主要由實現感知功能的傳感系統以及決策、規劃、專家系統構成）。本研究構建的移動控制系統基 于現有6自由度工業機器人完成，硬件部分負責執行軟件部分規劃的操作，軟件部分主要功能在于完成機器人程序的解譯、插補運算、軌 跡規劃（包括運動學正逆解），驅動機器人不同關節及末端裝置的運動。2．1設計思路機器人操作的順利完成離不開運動控制系統，運 動控制系統的發展經歷主要包括集中控制（所有控制功能均通過一個CPU實現）、主從控制（由主、從CPU構成，分別負責變換坐標 并生成軌跡、控制機械手動作）、分級控制（由上級主控計算機和下級多個微處理器構成，分別負責完成包括坐標變換、生成軌跡在內的 系統管理以及對機械手關節坐標及伺服控制的分管與處理）。應用廣泛的機器人對運動控制系統的研究和設計過程提出更高的要求，為適 用不同種類機器人需采用開放式系統結構，同時采用模塊化設計方式（即將系統劃分成實現不同子任務的多個功能模塊）提高系統的實用 性和可靠性，多個機器人的協同控制需通過具備網絡通訊功能的運動控制系統實現（包括資源共享）；通過直觀形象的人機接口及操作界 面提升系統的人機交互性［2］。工業機器人運動控制系統主要由上位機、驅動裝置、執行控制器構成，由上位機負責機器人管理和實時 監控，將位姿指令傳遞至區域控制器進行運動協調計算，由區域控制器實現對機器人各關節坐標及軌跡的變換和生成，再由執行控制器在 完成機器人位姿及工作狀態的檢測和實時采集的基礎上實現對各關節伺服運動的有效控制過程。2．2控制系統硬件設計本研究所設計的 運動控制方案分別采用嵌入式ARM工控機（FreescaleIMX6）和DMC控制卡（Galil公司）作為系統的上位機和下 位機，控制系統硬件架構，如圖1所示。圖1系統硬件架構示意圖針對6自由度工業機器人通過由DMC運動控制器提供的API實現了 在工控機上根據實際需要進行二次開發的功能。ARM工控機以Cortex核心處理器作為CPU，具備豐富的硬件資源，有效的滿足 了控制系統的需求，工控機同DMC間采用以太網完成控制命令的接收與發送，DMC接收到程序命令后會據此發出相應的電機控制指令 信號，在經伺服放大器放大后完成對機器人各電機轉動過程的驅動進而實現各關節的按要求運動；工控機同樣通過以太網收到各關節經D MC反饋的位置信號（通過相應的電機編碼器），從而實現機器人狀態的實時顯示與監控管理，并且使數控設備有效滿足精度與性能的要 求［3］。

3 控制系統的實現

3．1 NURBS插補功能的實現

針對NURBS曲線軌跡，假設，控制頂點由Pi表示其中i∈［0，n］，同控制頂點對應的權因子由wi表示，t表示參數，k 次B樣條基函數由Bi，k（t）表示，取n＋k＋1個節點值（分別由u0，u1，…，un＋k表示）組成節點向量通常u0、u1 ，…，uk的取值為0，un、un＋1，…，un＋k的取值為1，定義其在空間中的有理分式如式（1）［3］。（1）NURBS 插補算法通過插補前的預處理操作（即確定NURBS的軌跡表達式）可使插補計算量顯著降低，進而確保了曲線的插補速度及實時性， 以給定的Pi、wi及節點矢量為依據即可實現NURBS曲線的唯一確定，NURBS曲線插補的實質為將到NURBS曲線本身的近 似逼近過程通過步長折線段（屬于一個插補周期內）的使用完成，實現NURBS插補功能需要重點解決的問題為：密化參數，ΔL和Δ u分別表示進給步長和相應的參數增量，即在完成ΔL由軌跡空間到參數空間映射的基礎上，完成Δu及新點的參數坐標（表示為ui＋ 1＝ui＋Δu）的求解［4］。計算軌跡，完成計算所獲取的坐標值到軌跡空間的反向映射及插補軌跡的新坐標點（表示為pi＋1＝ p（ui＋1））的獲取。在實際應用中通常采用3次由分段參數構成的NURBS曲線，各段曲線的分子／母的系數會參數u的變化而 改變，對應各段如式（3）［5］。使用Matlab平臺對本研究設計的插補算法進行仿真，控制節點在（0，1）間，控制頂點共有 50個，權值取1，據此完成3階NURBS曲線的確定，插補參數設置為：插補周期為1ms，最大進給速度及初始進給速度（由fm ax、fs表示）分別為18mm／min和0，加速度上限為2500mm／s2，弓高誤差上限及步長誤差上限分別為1μm和0． 001，最大法向進給加速度及最大加速度分別為0．8g和50000mm／s3，仿真實驗結果如圖2、圖3所示，生成的插補點同 規劃軌跡相吻合［6］。

3．2 軟件設計與實現

在ARM工控機上實現軟件部分，控制軟件系統功能設計，如圖4所示。將Linux系統安裝于FreescaleIMX6上（ 版本為ubun－tu）后完成嵌入式Qt的移植，并在ubuntu中移植DMC控制卡的對應庫，軟件圖形用戶界面的主框架通過Q MainWin－dow類的使用完成構建，各模塊功能則通過QWidget／Dialog類的使用實現，通過Qt實現各模塊間的 信交流。將各編碼器的值通過ComandOM（）函數進行讀取后實現機器人各關節轉角的獲取，以供運動學計算和軌跡規劃；運動控 制指令通過DownloadFile（）函數完成到DMC的下載。文檔中的二字符指令集用于代碼級別的測試與簡單控制。運動學分 析模塊通過運動學正解和運動學逆解實現機器人各關節轉動的角度同空間中位置和姿態的相互對應，據此實現機器人的正確運行及其目標 點情況的檢測［7］。機器人的作業任務通過軌跡規劃模塊確定所需使用的基本運動形式（包括直線、圓弧運動插補及NURBS軌跡插 補），進而實現自由曲線運動過程。（1）機器人參數設置，據此完成對決定工業機器人本體結構的運動學D－H參數、伺服驅動相關的 決定對應機器人關節轉動角度的分頻比／倍頻比的設置。（2）機器人軌跡規劃，DMC運動控制器可有效解決復雜的運動問題，其所包 含的輪廓模式提供位置－時間曲線（在1～6軸內）的自定義功能，據此可實現對通過計算機產生軌跡的有效追蹤。在控制系統中，通過 工控機提供的算法實現運動學正逆解和空間運動軌跡的規劃，并通過DMC協調控制各關節的運動情況，具體流程為：先建立空間軌跡參 數方程，運動軌跡空間坐標向量（x，y，z）每32ms（運動軌跡的插補周期）計算獲取，通過運動學反解末端空間坐標即可獲取對 應關節變量，據此計算得到電機軸的脈沖量（即各軸的脈沖增量），并記錄到相應的軌跡規劃文本中，軌跡規劃流程，如圖5所示。接下 來通過DMC中的DownloadFile（）函數的調用完成軌跡規劃文本到DMC的下載，在此基礎上調用Command（）執 行命令完成自定義軌跡動作。（3）機器人示教作業，實現了包括MOVJ、NURBS、延時、數字運算等在內的運動指令集，將機器 人末端通過軸控制按鈕根據所選擇的合適坐標系（以運動指令及指令參數為依據）完成到目標位置點運動的控制［8］。