机器人技术是一种融合了机械、电子、计算机技术、传感技术、控制理论和人工智能等众多学科于一体的先进技术。机器人作为信息技术和先进制造业发展水平的典型代表,正在成为世界各国竞相发展的技术。机器人控制系统作为机器人的核心部件需要完成系统的运动控制、状态监测、安全控制和报警等功能。
在目前国内外机器人发展状况基础上,结合实际项目中能够满足焊接或喷漆等工作的要求,确立了研发一台六自由度旋转关节串联机器人的目标。以减少系统成本、降低复杂度、提高可靠性为原则搭建硬件平台。通过计算各个关节的力矩,选择与之匹配的电机。根据需要达到的各项技术指标,确定了采用基于ARM的嵌入式系统作为控制主机,通过工业以太网连接驱动器进而控制伺服电机的基本方案。与采用PMAC运动控制卡通过串口控制电机的方案相比,摆脱了对PMAC运动控制卡的依赖,对系统底层的控制更具有灵活性。
在确立的硬件平台上搭建了完善的软件环境。为满足系统高实时性、可扩展、低成本的要求,采用开源的Linux系统作为基本的软件平台。在完成系统移植工作的基础上编写了工业以太网芯片的驱动程序及应用程序接口。为了建立良好的人机界面,采用适用于多平台的Qt作为图形界面库,以增加系统的可移植性降低调试难度。
机器人的运动控制算法是整个机器人技术的灵魂。目前常用的控制方法,并采用标准的DH法建立机器人数学模型,运用齐次坐标变换建立了正运动学方程。并且提出了一种用牛顿-拉夫逊迭代法逐次逼近目标位姿的逆解算法,采用基于豪斯霍尔德的SVD分解求其伪逆来避免雅克比矩阵的奇异性问题,通过建立迭代规则并逐次迭代找到最优的逆运动学单解,实际应用时无需再建立多解取优策略。嵌入式方案服务商朗锐智科认为，算法具有较好的局部快速收敛性,并在所设计的机器人上进行验证,结果表明机器人能够达到较好的精度和速度。
为使机器人运动更加平滑、高效,在论证了轨迹规划必要性的基础上,分别从关节空间和任务空间两个层面进行了讨论分析,对末端执行器的轨迹进行了优化。传统轨迹规划的优缺点,根据蚁群算法与轨迹规划的相似性特征,将蚁群算法引入到机器人轨迹规划中,并在传统蚁群算法的基础上,引入带方向信息的全局启发因子来提高最优路径的搜索效率,并利用蚂蚁的死亡机制和惩罚函数来避免遇到陷阱时形成的路径死锁情况。测试结果表明,改进后的蚁群算法收敛速度更快,能够在较短时间内规划出满足条件的最优路径。
