基本几何轨迹生成和控制一个机器人机械手使用CompactRIO®

文摘

机器人机械手的应用关注的能力定位终端执行器的位置确定方向后指定的轨迹。为此,算法使用以生成和控制机器人关节运动的同步。高级语言程序的机器人是基于运动的三种类型:联合插值(MOVEJ),线性插值(移动),和圆形弧线(MOVEC),用于开发任何类型的任务。在这项工作中,这三个动作实现工业控制器CompactRIO,作为一个机器人机械手的整理过程的五个自由度(5自由度)的控制器是过时了。因此,它会有一个接口的虚拟仪器,您可以查看和修改实现的基本参数工业控制器。此外,验证测试结果的共同立场和机械手的末端执行器将被发现。

1。介绍

机器人机械手已经构成了现代工业的重要组成部分。一些原因是低生产成本,优化流程,他们的灵活性,适应几个生产情况。此外,机器人机械手只有小修改编程允许行业采用这项技术在他们的操作,而不是公司员工。一般情况下,监视和控制算法设计的轨迹必须伴随着数学支持,保证计划任务的良好性能。有技术有不同的方法来控制机器人机械手的动作,如神经网络(1),非耦合控制2),和博弈论3]。然而,一些控制单元,目前陪这些操纵者和整合这些技术,由于时间的推移,提出了断层或非常过时,这限制了其使用。

在这篇文章中,我们打算赋予机器人机械手的五自由度(5自由度)一个新的工业控制器(CompactRIO)(图1),它允许设计现代界面与开放的控制算法。这种新的控制单元提供的可能性,使用一个通用的或不同的工业机器人机械手控制器工厂设计,功能,可靠,和用户友好。

在这个新的控制单元,三种类型的path-generating算法实现,提供机器人机械手的位置必须遵循执行特定的任务(4,5]。第一个算法联合发展路径(MOVEJ)的终端执行器没有任何相关性。其他两个将产生笛卡尔轨迹的形状和末端执行器,将一条线或一个弧(移动和MOVEC)。编程将通过虚拟仪器,实现在同一控制单元。它将与用户交互通过计算机远程连接到以太网端口,这将使它更容易想象,创建和修改任务,用户希望复制的操纵者。开发接口将包含命令的阅读,数学建模发现,算法生成轨迹,可视化的变量,和电机的位置控制(PID) (6]。

2。硬件描述

2.1。机器人机械手

Scorbot操纵者(图2)有一个拟人化的配置,由机械结构的五个关节,12伏的直流电机,旋转编码器的轴的马达,和五个微型开关的位置来确定。

拟人化的设计提供了一个广阔的地区的终端执行器操作(8,9]。它有一个旋转的底部 ,肩膀的旋转+ 130°/−35°,旋转的肘部 ,夹的倾斜 ,和旋转机械的无限夹但最初限制电(可配置软件)(5]。

Scorbot-ER 4个人电脑有几个类型的传输来生成机器人的关节运动;这些传输是由齿轮不同配置的火车,滑轮,齿形带。它也有一个主轴传动负责打开和关闭夹。

2.2。工业控制器:CompactRio

公司生产的国家仪器,它提供了可靠的确定性和性能的实时监控和控制应用程序。它有一个健壮的和模块化的体系结构,可重构FPGA底盘能够执行高速的过程,这是相互关联的虚拟仪器(虚拟仪表工程实验室工作台开发平台(图)3)[10]。

3所示。轨迹的算法实现的描述

三个动作(MOVEJ、移动和MOVEC)将处理,将实现在工业控制器CompactRio,可以结合,这样机器人可以开发一个特定的任务(11]。

3.1。关节运动:MOVEJ

这个运动允许机械手的使用达成结束位置,与独立的联合动作。这不能确保一个线性轨迹之间的初始和最终点(图4);也就是说终端执行器的移动从一个点到另一个通过一个随机路径(12]。

终端执行器的工作空间中的坐标可以通过直接运动学模型(DKM) [13- - - - - -15),使用共同的价值观在MOVEJ命令执行。算法的伪代码中可以看到1。

3.2。直线运动:运动

如果想要到达一个笛卡儿的位置在一条直线轨迹后与末端执行器所使用的命令行动。这个命令需要一个向量和六个值;前三个是笛卡尔的变量( , ,和在工作区中)所需的位置坐标系统的起源的终端执行器。以下三个是指你的取向;这个方向与角度进入 , ,和 ,也称为RPY角(16]。

通过这种方式,您将有一个线性运动如图5(12),通过从当前生成的路径点或从开始到结束点(点输入的命令)。

对于这个命令,我们将简要讨论这两个转换,必须执行17]。治疗是不同的,主要是因为翻译是欧几里得空间,在空间旋转。

比较这两个动作,翻译是最简单的两个插入,因为预计一个点 用三个变量( , ,和)在笛卡尔空间中定义,移动通过一个翻译向量( , ,和)。

方向和旋转的插值是通过数学方法SLERP (球形线性插值)(它是一个统一的范围)[17- - - - - -19]。为此,方向和旋转必须先在四维空间或四元数表示SLERP然后插值的方法。该方法执行运动在恒定速度沿着圆,表面上的超球面(图6)[10),假设下的位置轨迹的终端执行器之间的点和 。效果是一个统一的旋转角速度绕固定轴的旋转,保证一个路线(18,20.]。方程(1)[21)代表这样的运动。 在哪里是四元数内插,首先是四元数,是第二个四元数,向量之间的角吗和 ,和向量之间的球形插值吗和 ,之间的值和 。

通过这种方法,实现算法2,可以绘制任何的四元数插值平滑运动的旋转对象的复杂的旋转和相同的方向。一旦得到插值矩阵,我们继续改变笛卡尔坐标关节坐标使用逆运动学模型(IKM) [22,23]。

算法2显示了描述动作的执行命令的实现中可以看到图的主要部分7。

3.3。MOVEC:圆周运动

三个线性无关的点做这个运动是不可或缺的。第一个是价值的 , ,和笛卡尔平面的终端执行器的位置,第二个是目标点,第三是通过点。最后一个,除了帮助定义终端执行器的路径应该滑,定义了飞机去上班的地方,如图8。

执行中风,我们定义一个向量的方向和方向与系统有关 , ,和 。表示框架是由一个向量,旋转角度周围 ,一个角周围 ,和一个角度周围和移动的距离 , ,和关于轴 , ,和 ;这一切改变的坐标参考框架。在帧 , ,和 ,飞机三个线性无关的点定义包含分布的点组成的曲线。

周长在平面上绘制的垂直平分线的垂直平分线 ,他们将被切成一个单点,圆周的中心,通过吗 , ,和 ,因为这三个等距(图9)。从另一个角度来看,可以说,有必要找到一个周长限制在三个点形成的三角形,这个圆周的中心是通过三角形的双面平分线的交点。问题生成结果趋于无穷时的周长。

同样如果你想完成画弧,形成一个完整的圆,有必要生成另一个运动在同一平面上,这已经为起点,终点的终点,起点的第一个命令。直径定义为开始点和结束点之间的距离,进而必须等于双向点之间的距离。如果不满足此比例,也可以获得椭圆跟踪它的高度和宽度之间的距离可能取决于初始和最终的距离点对距离的点(反之亦然)。他们使用的操作来实现MOVEC命令在算法中定义3。

4所示。方案实施

算法的实现所需的机器人机械手的运动轨迹的实现图形界面,包含的采集和控制变量提供的工业控制器的输入参数的生成运动轨迹的算法发电机等等。接下来,简要描述将最相关的组件,是工作的一部分。

4.1。通用计划实现的接口

将机器人的机械系统和工业控制器CompactRIO,虚拟仪器的环境,编程和互连方案图的图了10工业控制器,这是编程(24]。

主要的VI系统的完全设计和与用户交互。要做到这一点,它接收并显示发音器官位置的操纵者,连同笛卡尔终端执行器的位置。此外,它将执行命令发送到两个街区负责解释他们(命令。vi和Home.vi)。

第六家只是负责提供关节位置将机械手的初始配置(家)。另一方面,VI命令组织并将其他订单发送到VIs负责执行的每个算法(MOVEJ、移动和MOVEC),所需的速度来执行每个机器人运动(速度),命令之间的时间延迟(延迟),打开和关闭的手指夹(开启和关闭)。

名称显示,MOVEJ、移动和MOVEC VIs的帮助下DKM, IKM,并验证块,负责创建算法生成关节,线性的,分别和圆形轨迹。这些一分之三块给点对点的路线必须遵守命令,采集块和控制变量(Adpcont.vi)。另六世是注定要解释的命令速度,延迟,开放,接近后机械手执行它们。

4.2。机器人,CompactRio和计算机通信

NI 9503 FPGA模块负责采集编码器产生的信号,通过入口:阶段一个B + +和阶段。此外,它将负责激励汽车移动每个关节,通过PWM,每个模块。的信号开关,用于校准位置,读取输入1,2,3,4,5 9403 NI数字输入模块。

这六个模块,五个控制马达和一个用于校准开关,连接到工业控制器CompactRio,反过来,与计算机通过通信网络连接拥有底盘。

4.2.1。准备采集和控制信号

这个VI的目的是为该项目提供阅读和写作的变量,如电机的旋转方向,产生的脉冲数编码器增加,电流送到每个电机、pwm、停止、复位,按钮激活。后者是通过ni - 9403的配置模块,另一个变量是通过ni - 9505模块。

获得的PWM信号每个电机的速度控制,创建一个块在一个时间框架,这是执行的时钟频率40 Mhz(内部CompactRio频率),图片显示在图11。

此外,ni - 9505 A和B模块提供信号编码器的90度相位,这图12执行的计数脉冲。自旋方向检测,基于相位信号之间的关系,然后添加或减去他们,根据情况。

数,一个小操作的角度探索运动了。

机械手的方式构建,和 ,呈现一个角度不同,测量电机的轴上移动。换句话说,这些角是影响前角;这表明,除了考虑到汽车的角度,角度之前,需要发现必须添加或减去,以这样一种方式 在哪里 生成的手腕运动上下移动终端执行器。此外,这些角的差异( )生产工具的旋转运动;后者不受其他影响角度,一样的和 。

实现的控制方案进行了通过一个简单的控制,基于独立的运动关节或解耦(图13),连同path-generating笛卡尔的关节运动轨迹坐标的算法。

第一个控制块负责以下的参考位置轨迹的算法发电机;第二个控制块允许达到的变化速度,必须使机械手保证正确的关节和笛卡儿的位置不同瞬间的时间。

PID控制器是有限生成的最大和最小脉宽调制 ,相对应的输入直流电机吗伏特。

4.2.2。输入命令

这个VI的发展允许进入机器人机械手的命令执行一个任务。有三个选择:第一是直接写命令中使用命令控制台程序的主界面;第二种方法是导入命令控制台的平面文件的命令来执行;最后一个需要移动机械手从年级年级每个关节,直到达到所需的位置,然后添加点所需的操作命令控制台(图14)。

正确使用的手动模式(选择三个),有必要选择您想移动的关节,然后增加或减少的角加(+)或减(−)按钮。一旦机器人在所需的位置,你可以选择操作执行按下add按钮,添加到列表中。为MOVEJ和移动命令,只有终点需要存储,但对于MOVEC需要存储两个点;一个将会是终点,另将点的方式。

命令允许和正确的输入表中提到的1。

盎格鲁 , , , , , , ,和度表示,尽管程序的执行是用弧度,坐标给出了毫米。

4.2.3。主页按钮

这个命令已经校准每个关节的角度的功能,将机器人机械手的初始或引用位置(家)。

4.2.4。速度命令

这个订单提供的变速机器人机械手执行动作,和命令输入,在那里之间的整型值吗和鉴于在百分比,供应的最大关节速度0.218 (rad / s)。

4.2.5。延期命令

这个命令部队机器人留在最后的位置在秒吩咐。为此,使用虚拟仪器的阻塞时间延迟。

4.2.6。打开和关闭命令

这些命令,机械手可以打开和关闭夹,它可以把握和释放对象。

4.2.7。MOVEJ、移动和MOVEC命令

这些命令的函数生成插入,以便机械手可以跟踪期望轨迹,正如前面暴露出来。

5。获得的结果

5.1。工作空间

有效的工作空间的长度直接相关链接,机械限制,和机器人的配置。它可以发现数学,通过方程描述终端执行器的位置以及机械限制它拥有25]。

身体上,工作区表明它能够达到这些点不超过联合限制。这是基本能够提出所需的运动发展的任务。

由于配置Scorbot操纵者(拟人化),描述的运动最终效应是在三维空间中实现的。

相对应的图表Scorbot-ER机器人机械手的工作空间,新的限制在这个工作由软件实现,如图(15日)和15 (b)。在这样的图形,滇池流域的笛卡尔坐标点的发现提出了机器人的关节位置。通过这种方式,它给出了一个点,在笛卡尔坐标系统中,可以达到。机械手的控制,大多数的职位可以在一个半径小于或等于604毫米。

5.2。关节运动的性能

运动学模型的分析结果,基于MOVEJ命令。,一个已知的位置和使用所需的关节位置。测试,是选为起点 所需的共同立场是指定的, 到达的点或结束,角度给出了度。与这些值,插值初始角度(图生成所需的角度4)。

之后,比较数据的运动由机械手和仿真获得的。数据(16日),16 (b),16 (c),16 (d),16 (e)执行这种联合运动生成的机器人,红色中风代表预期值和蓝色中风由机械手的关节路径。

5.3。在笛卡尔空间线性运动的性能

直行程是应用移动命令的结果(图5),本文档详细的开发过程中。用于分析的例子执行运动的性能与初始坐标, 所需的角度 ,给出了毫米的距离和角度在度。

所需的终端执行器的运动数据(17日),17 (b),17 (c),它描述了坐标轴的路线 , 和 ,红色中风代表预期的中风和蓝色的机械手的实际行为。

5.4。笛卡儿运动性能:圆形

像前面移动,在这个命令,计划图是描述在笛卡尔平面上。这个运动实现循环中风实现了末端执行器在其轨迹。起点是笛卡尔坐标 ,每一个通道(点) ,到达一个点 。

因此,坐标轴的运动图所示18存在一些错误的末端执行器的位置,由于响应时间的操纵者,比较它与仿真(红线)。

6。结论

在程序路径生成器CompactRio控制器算法和位置控制系统允许机械手继续任务是发展中当有电脑和控制器之间的连接失败。

三个路径算法实现、MOVEJ举措,MOVEC,提供一系列的点在关节空间产生不同的运动(关节、线性和环形)。在笛卡尔空间轨迹的插入(移动和MOVEC),有必要计算IKM找到的关节值每个插值笛卡尔点,这意味着它需要更多的处理在这些命令,而MOVEJ。

可以确定机器人的工作空间机械手Scorbot ER_4PC,考虑机电的局限性。这意味着最大工作空间成立,由于限制机械手的运动位置,不允许这种类型的拟人化机器人。

严格的数学模型的使用让我们获得轨迹的算法发电机,提供关节和笛卡尔坐标机械手的运动。在后一种情况下,如图17和18终端执行器的实际坐标显示,振荡所需的坐标。这些结果是可以接受的,因为他们是隶属公差内的工具用于测试(夹半径为32.5毫米)。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

引用

1. w·徐l .东升,w .明明,“完整的校准参数和神经网络有限的工业机器人,”《IEEE 4机器人与智能传感器(IRIS”国际研讨会上16),页103 - 108,东京,日本,2016年12月。视图:谷歌学术搜索
2. f·佩蒂特和a . Albu-Schaffer笛卡尔阻抗为变刚度控制机器人的手臂,“《IEEE / RSJ智能机器人和系统国际会议(——11),页4180 - 4186年,旧金山,Claif,美国,2011年9月。视图:谷歌学术搜索
3. p, s . Fazzino l .命运,p . Maniscalco”游戏理论和非线性动力学:Parrondo悖论案例研究中,“混乱,孤波和分形,17卷,不。2 - 3、545 - 555年,2003页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
4. m . s .大使和m . j . Dominguez”SCORBOT neuro-controllers应用,模拟和评价”自动化学报IEEE国际会议(ICA-ACCA 16)2016年10月,Curico,智利,。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
5. 大肠Zurek Varela和r·洛佩兹Beltran”Carga y descarga自动化de una fresadora控制numerico我们使用联合国机器人Scorbot-ER 4个人电脑,“航空杂志上Cientifica Ingenieria y Desarrollo7卷,第119 - 113页,2011年。视图:谷歌学术搜索
6. 诉a Deshpande和p . m .乔治,”SCORBOT-ER-Vplus机器人的逆运动学的分析解决方案,“国际期刊的新兴技术和先进的工程,卷2,不。3,2012。视图:谷歌学术搜索
7. a·冈萨雷斯Echeverri分析cinematico y dinamico del机器人Scorbot-ER Vplus对位la nueva configuracion en una基地deslizante(学士论文),大学Tecnologica de佩雷拉,佩雷拉,哥伦比亚,2014。
8. e . RobotecScorbot er-4pc:用户手册,1982年。
9. a . Elfasakhany e . Yanez k Baylon, r·萨尔加多”的设计和开发具有竞争力的低成本四自由度的机械臂,“现代机械工程,1卷,不。2,第四十七条,2011年。视图:谷歌学术搜索
10. 国家仪器,CompactRIO平台,无尽的能力,无与伦比的性能,2014年,http://www.ni.com/compactrio/。
11. h . c, s . k . Ong和a . y . c .娘家姓的“交互式机器人轨迹规划和仿真使用增强现实,”机器人和电脑一体机制造,28卷,不。2、227 - 237年,2012页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
12. p .刘纪麟机器人、视觉和控制施普林格,柏林,德国,2011年。
13. a . Hemami“运动学的双臂机器人,”IEEE在机器人与自动化》杂志上,卷2,不。4、225 - 228年,1986页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
14. 答:a .穆罕默德和m . Sunar“四自由度机械臂运动学建模,”学报》国际会议控制、自动化和机器人(ICCAR 15),页87 - 91,新加坡,2015年5月。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
15. j·h·c·罗哈斯r . r . Serrezuela j . a .问:洛佩兹和k·l·r·佩尔多莫坚称,“等混合方法控制机械臂的两个自由度,”国际应用工程研究杂志》上,11卷,不。17日,第9228 - 9221页,2016年。视图:谷歌学术搜索
16. c . s . g . Lee,”机器人手臂的运动学、动力学和控制。”电脑,15卷,不。12日,第80 - 62页,1982年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
17. a·凯莱一个基本论述椭圆函数戴顿贝尔& Co,剑桥,英国,1876年。视图:MathSciNet
18. t·巴雷拉,a, e·本特松,“增量球形线性插值,”《年度SIGRAD会议。特殊Theme-Environmental可视化林雪平大学,页7 - 10电子出版社,2004年11月。视图:谷歌学术搜索
19. 诉e·克雷默四元数和SLERP萨尔布吕肯大学计算机科学研讨会角色动画、萨尔布吕肯,德国,2008年。
20. j·s·安、w·j·钟和美国美国公园,应用四元数插值(SLERP)六轴铰接的定向控制机器人使用虚拟仪器Ⓡ和RecurDynⓇ。
21. k . Shoemake”动画旋转四元数曲线”学报》第12届年会在计算机图形和交互技术(SIGGRAPH 85),页245 - 254年,旧金山,加州,美国,1985年7月。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
22. r·r·库马尔和p .集”,逆运动学解轨迹跟踪使用人工神经网络SCORBOT ER-4u,”学报第六届国际会议上自动化、机器人技术和应用程序(ICARA 15)昆士城,页364 - 369年,新西兰,2015年2月。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
23. r·r·Serrezuela a·f·c·查瓦罗·m·a·t·卡多佐a . l . Toquica l·f·o·马丁内斯,使用matlab机械臂机械手的运动学模型,2006年。
24. y Angal a·盖德,“虚拟仪器控制机器人使用NI myRIO对象处理,”学报IEEE国际会议上提出在电子、通信和计算机技术(ICAECCT 16)2016年12月,印度浦那。视图:谷歌学术搜索
25. m·m·阿里·h·刘,n .斯托尔和k·瑟罗,“移动机器人运动学分析的6自由度手臂用水和运输在生命科学实验室,实验室的器具操作”移动机器人和自动化智能系统杂志》上,10卷,不。4,40-52,2016页。视图:谷歌学术搜索

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