[发明专利]一种四自由度机械手臂的控制方法

说明书

本发明属于机械手臂控制技术领域，涉及一种四自由度机械手臂的控制方法。控制方法基于控制系统实现，控制系统采用三级控制系统，基于上位机、运动控制器、底层控制器的控制架构实现。所述上位机给运动控制器发送位姿信息及运动模式命令后，运动控制器自行完成机械臂的路径规划及运动学解算得到规划结果，将规划结果发送至底层控制器，控制伺服电机运动。能实时的反馈命令状态、电机状态、驱动器状态及位置、速度等信息。且系统具有控制通用性，能适用于不同构型的机械臂构型。具有速度前瞻功能和容错/保护机制及硬件保护功能，使机械臂运行过程更平稳、流程、安全。本发明集成度高，极大程度的降低用户的开发成本，易于机器人技术的推广和普及。

技术领域

本发明涉及一种四自由度机械手臂的控制方法，属于机械臂控制领域。

背景技术

随着服务机器人的广泛应用，对机械臂的重量有了更高的要求，因此轻量型机械臂得到迅速发展。目前现有的控制方案，大多数采用上位机解算运动学及动力学，导致机械臂控制系统的实时性差，且控制方案的非通用性导致机器人控制系统开发难度的增加，使得多数机械臂研发工作在重复性造轮子。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供了一种四自由度机械手臂的控制方法，使得控制方案对于多数机械臂具有通用性，避免了机械臂在研发过程中重复造轮子的现象。

为了达到上述目的，本发明的技术方案为：

一种四自由度机械手臂的控制方法，该控制方法基于控制系统实现。所述的控制系统采用三级控制系统，基于上位机、运动控制器、底层控制器的控制架构实现，其中运动控制器是所述控制系统的核心。所述上位机给运动控制器发送位姿信息及运动模式命令后，运动控制器自行完成机械臂的路径规划及运动学解算得到规划结果，将规划结果发送至底层控制器，控制伺服电机运动。所述运动控制器中集成了运动学解算算法，具有运动通用性。所述底层控制器由运动单元与驱动放大器构成，运动单元是采用集成了抱闸和编码器的伺服电机。该控制方法具体包括以下步骤：

第一步，上位机通过调用上位机接口程序，按照一定的数据格式将操作模式、位姿信息以及运动命令发送给运动控制器。

所述的上位机接口程序主要负责PC-运动控制器间的通讯，使用Modbus TCP/IP通信协议进行两者之间的数据传输，使用c++完成接口程序的实现，接口程序能在Windows及Linux系统下应用。上位机在使用机械臂时只需调用c++接口程序即可将上位机控制命令发送至运动控制器。

所述的操作模式，按坐标系形式可分直角坐标系模式与关节坐标系模式，按输入特点可分为增量式和绝对式，按轨迹规划方式有最优时间轨迹、最优能量轨迹、最短路径轨迹和用户自定义规划方式。各模式均可由用户通过代码编号进行选择使用，控制灵活性高。

第二步，运动控制器开启Modbus通信服务器，随后使能EtherCAT通信网络使之与底层控制层建立通信连接。

第三步，运动控制器中的PLC数据收发程序完成对上位机发送的数据及命令的接收。接收到新命令或数据后，将其传递给PLC命令执行程序进行运动控制。

所述PLC数据收发程序与运动控制程序呈类似多线程工作的方式实现整体机械臂的控制。PLC数据收发程序通过定义各个P变量来读取寄存器中所收到的数据，实现上位机发送的机械臂位姿信息及控制命令的接收，将要实时反馈的机械臂运动过程中各关节位置、速度等信息送到相应的ModbusServerBuffer寄存器当中，以供PC读取。

第四步，PLC命令执行程序根据相应的命令调用不同的子运动模块进行运动执行。在执行子运动模块前，PLC命令执行程序首先读取PLC数据收发程序所接受到的位姿信息，然后根据上位机指定的路径规划方式和电机个数调用运动学解算算法得到规划结果，并将规划结果直接发送给子运动模块。