摘要：在经济社会快速发展的背景下，科技手段为制造业的快速发展提供了多种可能性，我国制造业的快速发展也实现了自动化水平的提升，其中七自由度机器人控制系统的研发能够实现在比较大的空间内进行焊接操作，具有重要的应用价值，本文对此进行了相应分析。
关键词：七自由度机器人；控制系统；设计方案；研究分析
七自由度机器人主要运用在冶金行业中，能够解放人员的劳动，提升工作效率，节约冶金行业的劳动人力，我公司积极研发七自由度机器人，以为冶金行业的生产提供重要助力。
1.七自由度机器人
在我国冶炼浇筑工业生产环境中，具有大量的粉尘，工业作业的温度比较高，空气环境质量比较差，在这样的工作环境下作业对员工的呼吸系统与身体健康极为不利。同时其能够达到的工作效率也比较有限，在目前经济快速发展的背景下应当积极探索对劳动力工作效率提升的重要方式，加强对机器人的研发，以在一定程度上取代人工劳动，在冶炼行业的发展过程中具有重要的现实意义。七自由度机器人设计是模仿人体手臂进行的设计，包含了左右摆动运动、底座直线运动、腰部的立柱回转运动、仰俯运动、大臂仰俯运动、腕部回转运动以及小臂的仰俯运动等七种运动的自由度。运动的重要保障是底座的直线运动，这能够使得机器人在进行浇筑与铲除运动的过程中保持同样的速度从而最终实现工业活动的有效操作[1]。
图1 七自由度机器人结构组成图
2.七自由度机器人的运动参数
七自由度机器人采用了串连杆式机械手进行作业，其运动的动态表现呈现出了高度非线性的特征，其杆件坐标呈现出了以下的表现方式。
图2 七自由度机器人杆件坐标系
运动过程中其相邻杆件间的位置采用了4×4的齐次变换矩阵进行展现，通过D—H矩阵处理之后最终得到相邻的连杆变换结果。利用运动学方程中得到的数值能够判断出在已知杆件参数的情况下七自由度机器人全部的关节变量，并在此基础上采用逆运动求得各个瓜关节的变量数值[2]。
七自由度机器人运用在工业领域中是一种人机互动的交互方式，运用了示教盒进行互动。其中有六个关节的互动采用了手把手示教模式，如此在示教的精度上会出现一定误差，可以使用轨迹插补算即Interpolation来得到中间点中的坐标位置，得出关节坐标即关节角值。之后利用逆运动学中的定律，把轨迹中间点中出现的姿势与所处的位置，转化为具体相对应的关节角。之后在机器人角位置闭环控制系统的作用之下讲过其运用到工业实践之中。如此能够实现将运动过程中轨迹点进行插补并且重复的目的，最终使得运动过程能够达到所要进行的工作运动轨迹[3]。
3.硬件设计
七自由度机器人草操作中的控制核心是工业控制机，在其作用之下实现对机器人系统的坐标变化、坐标轨迹的生成、运动中的插补计算与对外部信息的充分感应，同时实现对周围设备的相应控制，为了有效满足这一工作要求实现了对设备中硬件系统的充分建立。七自由度机器人的硬件系统设计过程中采用了PC机的轨迹规划，进行了有效的运动学计算，能够在人与机器之间实现充分有效地连接与通讯。其通用性能与开放性能比较理想，能够实现与传感器反馈信号之间的有效对接，从而能够实时获得机器人的运动轨迹信息。在示教盒的运作过程中充分运用了T89C51系统，将其与主机之间实现一种同时处理，有效提升了机器操作过程中的运行速度，能够进行大量的运动，达到机械操作的目的。示教盒的运作过程能够充分显示机器人运行过程中的坐标位置、机器人的运作状态与运行过程中是否存在障碍等信息[4]。
4.软件设计
软件设计是一个机器设备运行的重要保障，是一个机器设备的内在灵魂，为设备的运行能够提供各种软动力支持。七自由度机器人在软件模式上采用了多级模块化结构，能够实现将多种不同的功能编排成对应项目下的子模块程序，在不同系统的作用之下能够实现相应的子模块操作方式。实现独立的项目运行，包括对待定项目指标的操作，同时还能够实现对不同项目指令之间的相互调用，在后台软件系统的统一运行之下进行统一调配与运作，在这种综合作用之下能够提升系统运行过程中的可读性，同时运行过程中一旦发生故障问题也能够实现对其的充分维护，同时也减少了设备的运行调试维护时间。在目前科技快速发展的背景下也出现了多种技术，对七自由度机器人的运行提出了更高的要求，由此要求七自由度机器人在运行过程中能够在一定程度上实现功能的扩展，一旦在将来出现一定的问题就能够实现对其功能的添加，以满足工业化发展的实时需要，提升机械化操作水平。
5.七自由度机器人的动力学优化
七自由度机器人设置了冗余关节，能够实现对容错的有效控制。容错过程的发生会导致关节的运动速度出现加速度的变化，可能导致机器产生故障，甚至对机器人系统的运行造成很大的损害，因此需要对七自由度机器人的动力学进行有效地优化设计。对机器人的动力学进行有效分析能够促进机器人掌握所需要进行的各项指标数值，将七自由度机器人运用到各种真实的工业生产领域之中。在计算过程中需要充分建立力、质量和加速度以及力矩、惯量和角加速度等各种数量之间的关系。七自由度机器人运动系统是一项非线性的系统组成，在不同的构件之间存在着耦合，由此增加了七自由度机器人动力学的复杂程度。冗余关节的产生会对导致容错行为的发生，因此需要进行容错处理。在大量的工业生产过程中不可避免地会出现各种问题与故障，应当确保在发生故障的条件下机器人依然能够进行一定的作业操作，采用的处理方式是锁定损坏的关节，将运动速度进行有效降低。在运动速度比较高的情况下，关节部位会出现加速度的突变现象，由此会出现比较大的力矩现象，通过对加速度的有效处理能够减少或者避免由于突变而导致的系统不稳定现象。在针对加速度的处理过程中，即使没有产生故障的关节也会在由于故障关节的存在而出现加速度突变的现象。因此在设置过程中需要对每一个关节位置都进行加速度的优化处理。确保对故障的处理万无一失，影响机器系统的正常运行而导致关节部位产生突变，在比较严重的情况下甚至会波及到机器的操作人员。在机器的高速运行过程中，由于加速度的突然产生，会出现比较大的惯性力矩，因此不能简单对其进行控制或者优化处理，如果简单从速度水平上进行控制会出现系统不稳定的现象。在低速运动状态下进行机器人末端误差的有效控制所需要的计算量比较小，同时也能够实现对关节加速度的有效控制，是针对七自由度机器人动力学优化算法的有效处理方式[5]。
6.结束语
七自由度机器人控制系统的研究能够实现把人从比较恶劣的环境中解放出来的目的，实现了对劳动人的有效保护，采用了多级模块化结构，能够实现相应的子模块操作方式。提升系统运行过程中的可读性，维护性与可靠性也比较强，运用插点法进行轨迹控制能够实现对精度的有效控制，满足了工业化生产的要求。提升了工业生产效率，在产生良好经济效益的同时也能够是达到优良的社会效益。
参考文献
[1]周涛. 七自由度果实收获机械手运动规划与控制系统研究[D]. 中国计量学院, 2015.
[2]邢葆轶. 基于QNX的七自由度机械臂控制系统设计[D]. 沈阳理工大学, 2013.
[3]王才东, 王新杰, 王辉,等. 六自由度机器人控制系统设计与研究[J]. 计算机仿真, 2013, 30(9):349-353.
[4]涂孔. 四自由度工业机器人运动学分析及控制系统研究[D]. 浙江理工大学, 2017.
[5]李晓. 六自由度关节式机器人系统研制与轨迹规划方法研究[D]. 华东理工大学, 2017.
论文作者:杨春旺
论文发表刊物:《基层建设》2018年第27期
论文发表时间:2018/10/17
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