运动控制
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运动控制范文第1篇
关键词:伺服驱动技术,直线电机,可编程计算机控制器,运动控制
1 引言
信息时代的高新技术流向传统产业,引起后者的深刻变革。作为传统产业之一的机械工业,在这场新技术革命冲击下,产品结构和生产系统结构都发生了质的跃变,微电子技术、微计算机技术的高速发展使信息、智能与机械装置和动力设备相结合,促使机械工业开始了一场大规模的机电一体化技术革命。
随着计算机技术、电子电力技术和传感器技术的发展,各先进国家的机电一体化产品层出不穷。机床、汽车、仪表、家用电器、轻工机械、纺织机械、包装机械、印刷机械、冶金机械、化工机械以及工业机器人、智能机器人等许多门类产品每年都有新的进展。机电一体化技术已越来越受到各方面的关注,它在改善人民生活、提高工作效率、节约能源、降低材料消耗、增强企业竞争力等方面起着极大的作用。
在机电一体化技术迅速发展的同时,运动控制技术作为其关键组成部分,也得到前所未有的大发展,国内外各个厂家相继推出运动控制的新技术、新产品。本文主要介绍了全闭环交流伺服驱动技术(Full Closed AC Servo)、直线电机驱动技术(Linear Motor Driving)、可编程序计算机控制器(Programmable Computer Controller,PCC)和运动控制卡(Motion Controlling Board)等几项具有代表性的新技术。
2 全闭环交流伺服驱动技术
在一些定位精度或动态响应要求比较高的机电一体化产品中,交流伺服系统的应用越来越广泛,其中数字式交流伺服系统更符合数字化控制模式的潮流,而且调试、使用十分简单,因而被受青睐。这种伺服系统的驱动器采用了先进的数字信号处理器(Digital Signal Processor, DSP),可以对电机轴后端部的光电编码器进行位置采样,在驱动器和电机之间构成位置和速度的闭环控制系统,并充分发挥DSP的高速运算能力,自动完成整个伺服系统的增益调节,甚至可以跟踪负载变化,实时调节系统增益;有的驱动器还具有快速傅立叶变换(FFT)的功能,测算出设备的机械共振点,并通过陷波滤波方式消除机械共振。
一般情况下,这种数字式交流伺服系统大多工作在半闭环的控制方式,即伺服电机上的编码器反馈既作速度环,也作位置环。这种控制方式对于传动链上的间隙及误差不能克服或补偿。为了获得更高的控制精度,应在最终的运动部分安装高精度的检测元件(如:光栅尺、光电编码器等),即实现全闭环控制。比较传统的全闭环控制方法是:伺服系统只接受速度指令,完成速度环的控制,位置环的控制由上位控制器来完成(大多数全闭环的机床数控系统就是这样)。这样大大增加了上位控制器的难度,也限制了伺服系统的推广。目前,国外已出现了一种更完善、可以实现更高精度的全闭环数字式伺服系统 , 使得高精度自动化设备的实现更为容易。其控制原理如图1所示。
该系统克服了上述半闭环控制系统的缺陷,伺服驱动器可以直接采样装在最后一级机械运动部件上的位置反馈元件(如光栅尺、磁栅尺、旋转编码器等),作为位置环,而电机上的编码器反馈此时仅作为速度环。这样伺服系统就可以消除机械传动上存在的间隙(如齿轮间隙、丝杠间隙等),补偿机械传动件的制造误差(如丝杠螺距误差等),实现真正的全闭环位置控制功能,获得较高的定位精度。而且这种全闭环控制均由伺服驱动器来完成,无需增加上位控制器的负担,因而越来越多的行业在其自动化设备的改造和研制中,开始采用这种伺服系统。
3 直线电机驱动技术
直线电机在机床进给伺服系统中的应用,近几年来已在世界机床行业得到重视,并在西欧工业发达地区掀起"直线电机热"。
在机床进给系统中,采用直线电动机直接驱动与原旋转电机传动的最大区别是取消了从电机到工作台(拖板)之间的机械传动环节,把机床进给传动链的长度缩短为零,因而这种传动方式又被称为"零传动"。正是由于这种"零传动"方式,带来了原旋转电机驱动方式无法达到的性能指标和优点。
1. 高速响应 由于系统中直接取消了一些响应时间常数较大的机械传动件(如丝杠等),使整个闭环控制系统动态响应性能大大提高,反应异常灵敏快捷。
2. 精度 直线驱动系统取消了由于丝杠等机械机构产生的传动间隙和误差,减少了插补运动时因传动系统滞后带来的跟踪误差。通过直线位置检测反馈控制,即可大大提高机床的定位精度。
3. 动刚度高 由于"直接驱动",避免了启动、变速和换向时因中间传动环节的弹性变形、摩擦磨损和反向间隙造成的运动滞后现象,同时也提高了其传动刚度。
4. 速度快、加减速过程短 由于直线电动机最早主要用于磁悬浮列车(时速可达500Km/h),所以用在机床进给驱动中,要满足其超高速切削的最大进个速度(要求达60~100M/min或更高)当然是没有问题的。也由于上述"零传动"的高速响应性,使其加减速过程大大缩短。以实现起动时瞬间达到高速,高速运行时又能瞬间准停。可获得较高的加速度,一般可达2~10g(g=9.8m/s2),而滚珠丝杠传动的最大加速度一般只有0.1~0.5g。5. 行程长度不受限制 在导轨上通过串联直线电机,就可以无限延长其行程长度。
6. 运动动安静、噪音低 由于取消了传动丝杠等部件的机械摩擦,且导轨又可采用滚动导轨或磁垫悬浮导轨(无机械接触),其运动时噪音将大大降低。
7. 效率高 由于无中间传动环节,消除了机械摩擦时的能量损耗,传动效率大大提高。
直线传动电机的发展也越来越快,在运动控制行业中倍受重视。在国外工业运动控制相对发达的国家已开始推广使用相应的产品,其中美国科尔摩根公司(Kollmorgen)的 PLATINNM DDL系列直线电机和SERVOSTAR CD系列数字伺服放大器构成一种典型的直线永磁伺服系统,它能提供很高的动态响应速度和加速度、极高的刚度、较高的定位精度和平滑的无差运动;德国西门子公司、日本三井精机公司、台湾上银科技公司等也开始在其产品中应用直线电机。
4 可编程计算机控制器技术
自20世纪60年代末美国第一台可编程序控制器(Programming Logical Controller,PLC)问世以来,PLC控制技术已走过了30年的发展历程,尤其是随着近代计算机技术和微电子技术的发展,它已在软硬件技术方面远远走出了当初的"顺序控制"的雏形阶段。可编程计算机控制器(PCC)就是代表这一发展趋势的新一代可编程控制器。
与传统的PLC相比较,PCC最大的特点在于它类似于大型计算机的分时多任务操作系统和多样化的应用软件的设计。传统的PLC大多采用单任务的时钟扫描或监控程序来处理程序本身的逻辑运算指令和外部的I/O通道的状态采集与刷新。这样处理方式直接导致了PLC的"控制速度"依赖于应用程序的大小,这一结果无疑是同I/O通道中高实时性的控制要求相违背的。PCC的系统软件完美地解决了这一问题,它采用分时多任务机制构筑其应用软件的运行平台,这样应用程序的运行周期则与程序长短无关,而是由操作系统的循环周期决定。由此,它将应用程序的扫描周期同外部的控制周期区别开来,满足了实时控制的要求。当然,这种控制周期可以在CPU运算能力允许的前提下,按照用户的实际要求,任意修改。
基于这样的操作系统,PCC的应用程序由多任务模块构成,给工程项目应用软件的开发带来很大的便利。因为这样可以方便地按照控制项目中各部分不同的功能要求,如运动控制、数据采集、报警、PID调节运算、通信控制等,分别编制出控制程序模块(任务),这些模块既独立运行,数据间又保持一定的相互关联,这些模块经过分步骤的独立编制和调试之后,可一同下载至PCC的CPU中,在多任务操作系统的调度管理下并行运行,共同实现项目的控制要求。
PCC在工业控制中强大的功能优势,体现了可编程控制器与工业控制计算机及DCS(分布式工业控制系统)技术互相融合的发展潮流,虽然这还是一项较为年轻的技术,但在其越来越多的应用领域中,它正日益显示出不可低估的发展潜力。
5 运动控制卡
运动控制卡是一种基于工业PC机 、 用于各种运动控制场合(包括位移、速度、加速度等)的上位控制单元。它的出现主要是因为:(1)为了满足新型数控系统的标准化、柔性、开放性等要求;(2)在各种工业设备(如包装机械、印刷机械等)、国防装备(如跟踪定位系统等)、智能医疗装置等设备的自动化控制系统研制和改造中,急需一个运动控制模块的硬件平台;(3)PC机在各种工业现场的广泛应用,也促使配备相应的控制卡以充分发挥PC机的强大功能。
运动控制卡通常采用专业运动控制芯片或高速DSP作为运动控制核心,大多用于控制步进电机或伺服电机。一般地 , 运动控制卡与PC机构成主从式控制结构:PC机负责人机交互界面的管理和控制系统的实时监控等方面的工作 ( 例如键盘和鼠标的管理、系统状态的显示、运动轨迹规划、控制指令的发送、外部信号的监控等等);控制卡完成运动控制的所有细节(包括脉冲和方向信号的输出、自动升降速的处理、原点和限位等信号的检测等等)。运动控制卡都配有开放的函数库供用户在DOS或Windows系统平台下自行开发、构造所需的控制系统。因而这种结构开放的运动控制卡能够广泛地应用于制造业中设备自动化的各个领域。
这种运动控制模式在国外自动化设备的控制系统中比较流行,运动控制卡也形成了一个独立的专门行业,具有代表性的产品有美国的PMAC、PARKER等运动控制卡。在国内相应的产品也已出现,如成都步进机电有限公司的DMC300系列卡已成功地应用于数控打孔机、汽车部件性能试验台等多种自动化设备上。
运动控制范文第2篇
【关键词】模糊控制；运动控制；避障传感器
0 引言
模糊逻辑控制（Fuzzy Logic Control）简称模糊控制（Fuzzy Control），是以模糊集合论、模糊语言变量和模糊逻辑推理为基础的一种计算机数字控制技术。模糊控制实质上是一种非线性控制，从属于智能控制的范畴。近20多年来，模糊控制不论从理论上还是技术上都有了进步，成为自动控制领域中一个非常活跃而又硕果累累的分支。根据模糊控制原理，设计模糊控制器以实现机器人在温室中的运动控制[1]。模糊控制器主要有模糊化、知识库、模糊推理和去模糊化四部分[2]组成。
1 温室机器人运动控制研究
对温室机器人来说，农作物植株是机器人行走的障碍物，所以机器人在大棚农田的运动过程就是控制机器人避开农作物植株的过程。温室机器人行进中的控制技术直接影响了温室机器人的作业效果，也是开发实用设备的关键[3]。
1.1 用模糊控制来实现温室机器人的运动控制
建立适合温室机器人运动的模糊逻辑控制规则，根据这些规则设计模糊控制器[4]。模糊控制器以红外传感器收集到的信息为依据，把最终目标点分解成一个个的当前目标点，从而实现温室机器人在未知环境下的运动控制，并在此基础上进行运动控制的计算机仿真。
1.2 温室机器人模糊控制器设计
1.2.1 模糊化
模糊化就是将被控对象的相关数据的精确值进行标准化处理，即把其变化范围映射到相应得内部论域中，然后将输入数据转换成相应的模糊语言变量的概念，构成模糊集合，这样就将输入的精确量转换为用模糊集合表示的某一模糊变量的值[5]。
1.2.2 知识库
知识库包括数据库和规则库两部分[6]。
（1）数据库
定义模糊输入变量dl和dr的模糊语言分为{S，M，B }={“小”，“中”，“大”}；
模糊输入变量sα的模糊语言分为{LB，LS，Z，RS，RB}={“左大”， “左小”， “零”， “右小”， “右大”}；
模糊输出变量的模糊语言分为{TLB，TLS，TZ， TRS，TRB}={“左大”， “左中”， “左小”， “零”， “右小”， “右中”， “右大”}。
（2）规则库
模糊控制规则是模糊控制器的核心，是将操作者的操作经验和专家知识进行总结而得来的。模糊控制规则可用多条模糊条件语句来表示。最常用的关联词有if-then、or、and等。如ri：（i=1，2，3，…）表示第i条控制规则。
它是模糊控制器的核心，是专家的知识或现场操作人员的经验的一种体现，即控制中所需要的策略。控制规则的条数可能有很多条，那么需要求出总的控制规则R，作为模糊推理的依据。
2 温室机器人实验仿真
用MATLAB仿真，其仿真结果中的障碍物代表农作物植株，小黑圈代表机器人的位置。机器人由“起点”出发，穿过两行农作物，到达终点。MATLAB仿真实验表明，该控制器能有效控制机器人在避开农作物植株。
2.1 温室机器人避障行为的设计
温室机器人躲避障碍行为的功能是根据它当前探测到目前的环境信息，才决定机器人如何运动、能避开环境中的障碍物。当该行为与奔向目标行为相结合时，能使机器人绕开环境中的障碍到达目标点。如前所述，温室机器人的传感器是一个组合，该组合由3个传感器组成。
2.2 温室机器人循迹
这里的循迹是指样车在温室大棚循白线行走，通常采取的方法是红外探测法。红外探测法，即利用红外线在不同颜色的物体表面具有不同的反射性质的特点，在样车行驶过程中不断地向地面发射红外光，当红外光遇到地面时发生漫反射，反射光被装在小车上的接收管接收；如果遇到黑线则红外光被吸收，样车上的接收管接收不到红外光。单片机就是否收到反射回来的红外光为依据来确定白线的位置和样车的行走路线。红外探测器探测距离有限，一般最大不应超过3cm。
用一个字节来代表车底的6个光电传感器。用每一个位来代表当前传感器的检测状态。
把样车直线行进时分成三种状态，当中间四个传感器都检测到白线时，样车在跑道的正上方，这时控制两电机同速度全速运行。当检测到有一个传感器或者同侧的两个传感器偏出白线时，样车处于微偏状态，这时将一个电机速度调慢，另一电机速度调快，完成调整。当检测到有三个传感器偏出时，样车处于较大的偏离状态，这时把一个电机的速度调至极低，另一电机全速运行，从而在较短时间内完成路线的调整。
用这种三级调速的循迹算法同单纯的判断检测到对管的位置并作出判断的方法相比，程序思路清晰，程序执行结果较好。
3 结论
在实际的测试过程中， 该机器人能够快速准确地按照预定路线到达指定位置完成规定动作， 并能很好地实现“自动避障”这一特殊功能，具有更高的适应性及灵活性， 具有系统模型简单、实现方法容易的特点， 使得这种控制方法能够方便地推广、应用。
【参考文献】
[1]方华，刘旭，黄玲，胡波.农业机器人行进中控制技术的研究进展[J].安徽农业科学，2008，36（32）：14348-14349.
[2]韩峻峰，李玉惠.模糊控制技术[M].重庆：重庆大学出版社，2003，5：49-65.
运动控制范文第3篇
【关键词】PLC 真空联锁保护 运动控制
光束线站一旦发生真空事故，就会导致束流丢失和仪器损坏。完成可靠的真空联锁保护与运动控制系统的设计，则可以确保光束线站的正常运行。而PLC具有较强的抗干扰能力，可以在真空联锁保护与运动控制系统的设计中应用。因此，有必要对基于PLC的真空联锁保护与运动控制系统展开研究，继而为线站实验的安全进行提供保障。
一、基于PLC的真空联锁保护与运动控制系统
就目前来看，PLC已经成为了应用最广泛的可编程控制器件。利用PLC，可通过编程完成对硬件功能的修改，继而使电子系统设计的灵活性得到提高。而真空联锁保护与运动控制系统不仅需要为储存环的正常运行提供保证，还要通过控制电机运动来实现对光栅位置的调整。所以，需要应用PLC技术进行系统控制的实现，以便满足实验室对光束线站的控制要求。通过考虑线站的可靠性、灵活性和抗干扰能力要求，可以使用S7-300PLC这种可编程控制器进行真空连锁保护控制系统的设计。从系统的硬件组态结构角度来看，该类型PLC系统可以满足中等控制系统的控制需求，系统各模块可以组合构成不同的系统。在S7-300操作系统内，人机界面服务得到了集成，可以实现强大的通信功能。通过使用用户界面的通信组态功能，就可以完成硬件组态。此外，该系统中有多种通信接口，可以用来连接总线接口。
二、系统控制的实现
（一）系统真空联锁保护控制的实现
系统真空联锁保护控制的实现主要通过两个环节，即真快保护控制逻辑设计和软件编程。在逻辑设计方面，系统由两级构成。首先，系统的快速真空保护控制需要由真空传感器控制。在真空传感器探测到的真空度与设定的阈值不同时，系统会自动关闭快阀，并且对冲向储存环的大气冲击波进行拦截。而由于系统破膜的的压力波传播速率和光束线长均可获知，所以可以完成对压力波传播时间的计算。其次，系统的慢速真空保护控制需要由另一个真空传感器控制。在传感器探测到慢漏气引发的真空事故时，系统将关闭前端气动门阀和水冷光屏。通过读取线站快阀的位置信号，系统则可以实现对存储环的慢控保护。从控制要点上来看，真空联锁保护与运动控制系统主要需要完成对气动门阀和水冷光屏的控制。在真空度较低的情况下，系统要使门阀自动关闭，并且完成对水冷光屏的联锁关闭。而快阀因真空事故遭到关闭时，将会使启动门阀和水冷光屏联锁关闭。在真空度符合要求时，系统将自动开启启动门阀，并顺次完成光闸和水冷光屏的开启。此外，在进行真空联锁保护控制的软件编程时，可以采用STEP7 V5.4软件平台。该平台不仅可以为系统编程提供梯形图、语句表和功能块图这三种编程语言，并且还包含丰富的指令。在编程的过程中，可以采用文本编程方式，以便使系统的编程量得到简化。同时，采用这种编程方式还可以完成对错误的及时修改，继而可以满足高级编程语言的使用需求。
（二）系统运动控制的实现
想要实现系统的运动控制，就需要先完成系统的运动控制模块的设计。考虑到线站电机的运动控制问题，可以选用定位模块FM353完成模块的设计。从原理上来看，通过将脉冲信号和方向信号发送至步进电机控制器，FM353就能完成对步进电机的控制。而用户在进行系统的运动控制时，则需要将电机速度、操作模式等控制数据传送至用户数据块DB中，并从中读取反馈数据。具体来讲，就是系统CPU则可以完成功能函数的调用，并实现用户数据块与FM353模块的数据交换。所以，FM353的编程实际就是对交换数据的程序进行编写，以便通过DB完成对FM模块的控制。从用户角度来看，则只需要完成操作模式的选择就可以进行系统的控制。在模式上，运动控制模块可以利用增量模式完成对系统增量的控制，并利用电动模式完成对定位轴方向和速度的检测。
（三）人机交互的实现
为了实现系统操作人员与设备之间的双向沟通，还需要设计和实现系统的人机交互界面。就目前来看，很多设备的现场操作都是利用人际界面，可以帮助操作人员快速的掌握设备的使用方法。考虑到安全性、性价比和可靠性等问题，真空联锁保护与运动系统需要使用专门面向PLC应用的触摸屏。通过与系统的MPI接口直接连接，触摸屏上将直接显示出控制阀门的操作和位置。同时，人机交互界面还将显示系统外接传感器的状态，以便完成对水压、气压和温度等内容的监控。此外，通过设置用户权限，还可以实现对系统阀门的保护，继而避免人员的错误操作。
三、结论
总而言之，基于PLC的真空联锁保护与运动系统具有较强的抗干扰能力，并且系统的运行也较为稳定和可靠，可以实现对光束线站的联锁保护与运动控制的一体化。同时，由于PLC具有模块化的特点，所以可以为系统的扩展提供便利。而通过改变软件编程就可以实现更多的系统功能，则使系统的改进更加容易。因此，随着PLC技术的不断发展，基于PLC的真空联锁保护与运动系统必将获得更好的发展前景。
参考文献：
[1]胡啸，熊永前，李冬等.基于PLC的紧凑型回旋加速器联锁保护系统[J].电气传动，2010.
运动控制范文第4篇
【关键词】运动控制系统；步进电机；PLC 能实现对机械运动部件的位置、速度等进行实时的控制管理，使其按照预期的轨迹进行运动的系统称为运动控制系统。
1.运动控制系统设计
运动控制系统设计中最重要的两个参数为位置和速度，步进电机由于控制精度高，可直接用数字信号控制，无累积定位误差而被广泛用于运动控制系统中，步进电机最重要的三个参数为脉冲个数、脉冲频率和脉冲方向，其中脉冲个数、脉冲方向对应与运动控制系统中的参数―位置，而脉冲频率对应与运动控制系统中的参数―速度。通过脉冲个数和脉冲方向控制步进电机的角位移或线位移从而达到运动控制系统准确定位目的，通过脉冲频率控制步进电机转动速度从而达到运动控制系统时间准确目的；因此运动控制系统设计问题转化成步进电机脉冲个数、脉冲频率和脉冲方向设置问题。
2.应用案例
目前运动控制系统设计中步进电机控制一般采用PLC直接控制或1PG模块直接控制，例如在工作台移动装置如图1，按下启动按钮，工作台先执行回原点操作，接着右移50mm处停止，接着返回原点停止。对于上述设计可采用两种方案设计。方案1―直接用PLC控制步进电机，方案2―采用1PG模块控制步进电机。本文重点讲述方案1。
分析：定位距离为50mm，转化成相应步进电机脉冲数为10000个，脉冲方向为正，脉冲频率由于没有时间设置可随机设置如6000。脉冲数计算依据如下丝杆螺距为10mm，即步机电机旋转一周，工作台移动10mm。假设：将步进驱动器设置为10细分，步距角为0.18°：
电机转一周所需脉冲数=360°/0.18°=2000个
每个脉冲行走的距离=10mm/2000=0.005mm
工作台行走50mm所需脉冲数=50mm/0.005mm=10000个
（1）根据题目要求画出I/O对照表。
（2）画出系统连接图。
工作台移动装置系统连接如下图2所示。
（3）PLC控制程序。
3.结束语
经过试验证明，利用PLC控制步进电机实现对运动系统的准确定位操作简单，可靠性高
【参考文献】
运动控制范文第5篇
关键词：工业机器人；运动控制系统；NURBS插补算法；实现路径
随着信息科学技术的迅速发展，工业机器人在控制质量、工作效率、成本等方面表现出了较大的优势，运动稳定、速度可调节、抗疲 劳的工业机器人能够替代人工完成相应的操作（包括完成一些具备高危险系数的工作），将机器人应用到工业生产中能够在使生产效率、 产品质量得以有效提高的同时显著降低人工工作量及生产成本，工业机器人已经成为工业现代化发展的重要支撑工具，在各行业中得以广 泛使用，作为一项重要的机电一体化技术机器人运动控制已成为工业生产领域的重点研究方向。运动控制是实现机器人功能的基础和重点 ，对机器人的性能起到直接决定作用，工业机器人在实际生产使用过程中易被多种因素干扰（如电、磁等），对工业机器人的设计方案尤 其是各项产品参数提出了更高的要求，需确保运动控制系统具备高效运动控制功能及稳定的性能，因此本研究主要对机器人运动控制系统 进行了设计。
1 需求分析
随着工业机器人在工业领域的广泛应用，对机器人的控制及操作要求不断提升，工业机器人主要由本体、驱动装置及控制系统构成， 在轨迹空间中工业机器人需完成除基本运动（包括直线、圆弧等）外较为复杂的运动，具备拟人功能的运动控制系统（一种机械电子装置 ）作为工业机器人的核心构成部分集合了多种现代先进技术（包括网络计算机、人工智能、电子机械、传感器等），通过运动控制系统实 现机器人复杂的轨迹运动，在实现复杂几何造型上NURBS方法因具备较大的优势而得以在CAD中广泛应用，因此充分运用NURB S插补算法实时可靠的优势，在研究了NURBS轨迹规划的基础上对机器人运动控制系统进行设计具有较高的实际应用价值。目前国内 已有工业机器人运动控制系统大多存在扩展性和通用性方面的不足，导致使用方面的局限性，大多只适用于特定的机器人［1］。本研究 针对UPR100本体工业机器人（6自由度）在现有研究的基础上完成了运动控制系统的设计和实现过程，采用模块化的设计原则，通 过使用DMC运动控制卡实现主要控制功能，结合运用了抗干扰能力强（防潮、防尘、防振）、稳定可扩展的工控机，实现对机器人运动 过程的精准控制。
2 工业机器人运动控制系统设计
作为一项较为复杂的系统工程，基于人工智能装置的完整机器人主要由执行机构、驱动装置（由驱动器、减速器、检测元件构成）、 控制系统（主要由传感器和电子计算机构成，）等构成，模仿人类手臂动作的操作机主要负责完成各类实操作业（主要由机座、末端执行 器、机械臂构成），驱动装置负责完成电能到机械能的转换从而将动力提供给操作机（可采取电力、液压、气压几种驱动方式）；控制系 统负责完成对机器人的检测和操作控制过程以完成规定的动作，包括对机器人运动参数的检测控制及反馈控制；人工智能系统主要负责完 成逻辑判断、模式识别及操作等功能（主要由实现感知功能的传感系统以及决策、规划、专家系统构成）。本研究构建的移动控制系统基 于现有6自由度工业机器人完成，硬件部分负责执行软件部分规划的操作，软件部分主要功能在于完成机器人程序的解译、插补运算、轨 迹规划（包括运动学正逆解），驱动机器人不同关节及末端装置的运动。2．1设计思路机器人操作的顺利完成离不开运动控制系统，运 动控制系统的发展经历主要包括集中控制（所有控制功能均通过一个CPU实现）、主从控制（由主、从CPU构成，分别负责变换坐标 并生成轨迹、控制机械手动作）、分级控制（由上级主控计算机和下级多个微处理器构成，分别负责完成包括坐标变换、生成轨迹在内的 系统管理以及对机械手关节坐标及伺服控制的分管与处理）。应用广泛的机器人对运动控制系统的研究和设计过程提出更高的要求，为适 用不同种类机器人需采用开放式系统结构，同时采用模块化设计方式（即将系统划分成实现不同子任务的多个功能模块）提高系统的实用 性和可靠性，多个机器人的协同控制需通过具备网络通讯功能的运动控制系统实现（包括资源共享）；通过直观形象的人机接口及操作界 面提升系统的人机交互性［2］。工业机器人运动控制系统主要由上位机、驱动装置、执行控制器构成，由上位机负责机器人管理和实时 监控，将位姿指令传递至区域控制器进行运动协调计算，由区域控制器实现对机器人各关节坐标及轨迹的变换和生成，再由执行控制器在 完成机器人位姿及工作状态的检测和实时采集的基础上实现对各关节伺服运动的有效控制过程。2．2控制系统硬件设计本研究所设计的 运动控制方案分别采用嵌入式ARM工控机（FreescaleIMX6）和DMC控制卡（Galil公司）作为系统的上位机和下 位机，控制系统硬件架构，如图1所示。图1系统硬件架构示意图针对6自由度工业机器人通过由DMC运动控制器提供的API实现了 在工控机上根据实际需要进行二次开发的功能。ARM工控机以Cortex核心处理器作为CPU，具备丰富的硬件资源，有效的满足 了控制系统的需求，工控机同DMC间采用以太网完成控制命令的接收与发送，DMC接收到程序命令后会据此发出相应的电机控制指令 信号，在经伺服放大器放大后完成对机器人各电机转动过程的驱动进而实现各关节的按要求运动；工控机同样通过以太网收到各关节经D MC反馈的位置信号（通过相应的电机编码器），从而实现机器人状态的实时显示与监控管理，并且使数控设备有效满足精度与性能的要 求［3］。
3 控制系统的实现
3．1 NURBS插补功能的实现
针对NURBS曲线轨迹，假设，控制顶点由Pi表示其中i∈［0，n］，同控制顶点对应的权因子由wi表示，t表示参数，k 次B样条基函数由Bi，k（t）表示，取n＋k＋1个节点值（分别由u0，u1，…，un＋k表示）组成节点向量通常u0、u1 ，…，uk的取值为0，un、un＋1，…，un＋k的取值为1，定义其在空间中的有理分式如式（1）［3］。（1）NURBS 插补算法通过插补前的预处理操作（即确定NURBS的轨迹表达式）可使插补计算量显著降低，进而确保了曲线的插补速度及实时性， 以给定的Pi、wi及节点矢量为依据即可实现NURBS曲线的唯一确定，NURBS曲线插补的实质为将到NURBS曲线本身的近 似逼近过程通过步长折线段（属于一个插补周期内）的使用完成，实现NURBS插补功能需要重点解决的问题为：密化参数，ΔL和Δ u分别表示进给步长和相应的参数增量，即在完成ΔL由轨迹空间到参数空间映射的基础上，完成Δu及新点的参数坐标（表示为ui＋ 1＝ui＋Δu）的求解［4］。计算轨迹，完成计算所获取的坐标值到轨迹空间的反向映射及插补轨迹的新坐标点（表示为pi＋1＝ p（ui＋1））的获取。在实际应用中通常采用3次由分段参数构成的NURBS曲线，各段曲线的分子／母的系数会参数u的变化而 改变，对应各段如式（3）［5］。使用Matlab平台对本研究设计的插补算法进行仿真，控制节点在（0，1）间，控制顶点共有 50个，权值取1，据此完成3阶NURBS曲线的确定，插补参数设置为：插补周期为1ms，最大进给速度及初始进给速度（由fm ax、fs表示）分别为18mm／min和0，加速度上限为2500mm／s2，弓高误差上限及步长误差上限分别为1μm和0． 001，最大法向进给加速度及最大加速度分别为0．8g和50000mm／s3，仿真实验结果如图2、图3所示，生成的插补点同 规划轨迹相吻合［6］。
3．2 软件设计与实现
在ARM工控机上实现软件部分，控制软件系统功能设计，如图4所示。将Linux系统安装于FreescaleIMX6上（ 版本为ubun－tu）后完成嵌入式Qt的移植，并在ubuntu中移植DMC控制卡的对应库，软件图形用户界面的主框架通过Q MainWin－dow类的使用完成构建，各模块功能则通过QWidget／Dialog类的使用实现，通过Qt实现各模块间的 信交流。将各编码器的值通过ComandOM（）函数进行读取后实现机器人各关节转角的获取，以供运动学计算和轨迹规划；运动控 制指令通过DownloadFile（）函数完成到DMC的下载。文档中的二字符指令集用于代码级别的测试与简单控制。运动学分 析模块通过运动学正解和运动学逆解实现机器人各关节转动的角度同空间中位置和姿态的相互对应，据此实现机器人的正确运行及其目标 点情况的检测［7］。机器人的作业任务通过轨迹规划模块确定所需使用的基本运动形式（包括直线、圆弧运动插补及NURBS轨迹插 补），进而实现自由曲线运动过程。（1）机器人参数设置，据此完成对决定工业机器人本体结构的运动学D－H参数、伺服驱动相关的 决定对应机器人关节转动角度的分频比／倍频比的设置。（2）机器人轨迹规划，DMC运动控制器可有效解决复杂的运动问题，其所包 含的轮廓模式提供位置－时间曲线（在1～6轴内）的自定义功能，据此可实现对通过计算机产生轨迹的有效追踪。在控制系统中，通过 工控机提供的算法实现运动学正逆解和空间运动轨迹的规划，并通过DMC协调控制各关节的运动情况，具体流程为：先建立空间轨迹参 数方程，运动轨迹空间坐标向量（x，y，z）每32ms（运动轨迹的插补周期）计算获取，通过运动学反解末端空间坐标即可获取对 应关节变量，据此计算得到电机轴的脉冲量（即各轴的脉冲增量），并记录到相应的轨迹规划文本中，轨迹规划流程，如图5所示。接下 来通过DMC中的DownloadFile（）函数的调用完成轨迹规划文本到DMC的下载，在此基础上调用Command（）执 行命令完成自定义轨迹动作。（3）机器人示教作业，实现了包括MOVJ、NURBS、延时、数字运算等在内的运动指令集，将机器 人末端通过轴控制按钮根据所选择的合适坐标系（以运动指令及指令参数为依据）完成到目标位置点运动的控制［8］。
