显示器
《装备制造技术》2009 年第 5 期
讯等，具有良好的通用性和开放性，易于开发其与机器人传感 器反馈信号的接口。
（2）采用 AT89C51 对示教盒控制，与主控机之间并行处 理，提高了运行速度，增加了处理能力。
（3）示教盒能显示机器人的坐标、运行状态、操作提示盒 故障状态等。
4 软件设计
软件设计采用多级模块化结构（见图 5）。各功能编成相应 的子模块程序，可以独立运行完成待定的操作，又可以相互调 用，由管理程序统一调配，改善可读性和易维护性，且缩短了 调试时间，又便于将来的功能扩展。
图 4 浮渣铲除机器人控制系统结构
该机器人的硬件具有以下特点： （1）采用统用 PC 机进行轨迹规划、运动学计算、人机通
（1）在软件设计中，采用多级模块化结构，进而提高了可 靠性、可维护性和可读性。
（2）轨迹控制采用插点法，进一步保证了精度要求。 （3）可以把人从恶劣的工作环境中解脱出来，即解决了劳 动力保护问题，又为提高生产效率创造了条件，具有显著的经 济效益和社会效益。
参考文献: [1] 张新予, 匡以顺. 七自由度浮渣铲除机器人的运动学正逆解研究
[J]. 装备制造技术,2007,(01):9- 11 . [2] 蔡自兴. 机器人学[M]. 北京：清华大学出版社，2000.
7 Degree of Freedom Dross Eradication Robot Control System Project Design
中图分类号：TP 242
文献标识码：A
文章编号：1672- 545X（2009）05- 0054- 02
在我国，冶炼厂中的浮渣铲除都是由人工完成的，工人劳 动单调乏味，而且现场作业环境比较恶劣———高温、多粉尘、 空气质量差等。这样不仅影响工人的身体健康，工作效率低 下，而且人为因素直接影响到产品的质量。因此，设计出一种 既能代替人的劳动，又能保证产品质量的机器人，对于冶炼行 业是十分有意义的。但是从目前所掌握的资料看，国外相关企 业已有采用铲除冶炼浇铸金属液表面渣滓皮层的工业机器 人，但效果不尽理想，而且相关资料比较少。
换通式：
0
0
1
n- 1
Tn = T1 ，T2 ，…， Tn
连杆的 D- H 参数列于表 1 中。
表 1 连杆的 D- H 参数
#
θi
di
ai- 1
αi- 1
1
θ1
0
0
0
2
θ2
d2
0
- 90°
3
θ3
d3
a2
0
4
θ4
0
a3
0
5
θ5
0
0
90°
6
θ6
0
0
- 90°
0
0
1
n- 1
由 Tn = T1 ，T2 … Tn
55
54
自由度采用“手把手”示教会引起示教精度的误差，故采用轨 迹插补算法(Interpolation)获得中间点相对基础坐标系的坐标， 获得关节角值(关节坐标)，再通过逆运动学，把轨迹中间点的 位置和姿态，转变为对应的关节角(θ1，θ2，…，θ6)，然后由机器人 的角位置闭环控制系统去实现。这样就实现了所要求的轨迹 上的一个点，继续插补并重复上述过程，进而实现所要求的轨 迹（如图 3 所示）。
Equipment Manufactring Technology No.5，2009
七自由度机器人控制系统方案设计
张新予,匡以顺
（江西理工大学,江西 赣州 341000）
摘要：浮渣铲除机器人是一种为了代替在高温、高粉尘环境下工作的人工劳动而设计的七自由度串连关节型工业机器人，在机构设计 的基础上，对控制环节中的硬件、软件部分进行分析设计，并给出了控制系统图。 关键词：机器人；控制；示教
ZHANG Xin-yu, KUANG Yi-shun (Jiangxi University of Science &Technology, Ganzhou Jiangxi 341000, China)
Abstract: The dross eradication robot is one kind of industry robot which has 7 degrees of freedom establish contacts the joint. It can replace the man-power artificial work in the high temperature, under the high dust environment. On the basis of mechanism design，the hardware and software are analyzed，and the control system chart is given. Key words : robots; control; demonstration
X1 X0
Z3 a3 X3
Z5 Z4 X4 X5 X6
X6
图 2 浮渣铲除机器人杆件坐标系
相邻杆件间位置和姿态用 4×4 的齐次变换矩阵描述[2]，
由 D－H 矩阵经过变换得到相邻连杆变换通式 i- 1 Ti 为[2]
! " "
cθi
"
i-
1
Ti
=
"""sθi
"
""sθi
cαisαi-
1 1
"
"
0 "
求得运动学方程正解，因此可利用杆件参数在知道所有
的关节变量时，用逆运动学求解各关节变量。
浮渣铲除机器人采用示教盒作为人机交互方式，6 个关节
收稿日期：2009- 02- 054 作者简介：张新予 (1978－ )，女，河南开封人，讲师，硕士，主要从事机电一体化、工业机器人的设计与控制方向的研究与应用。
主控程序
初始化
示教
再现
系统管理
监控模块
示教 盒初 始化
伺服 电机 检
初始 查 化
算法 伺服
程序 驱动
解
文件
模块 模块
释
编辑
磁盘 通信 错误 输入 管理 处理 处理 输出
图 5 浮渣铲除机器人的软件系统结构
示教盒 键盘
工业控制机
5 结束语
PC 总线
I/O 接口板
脉冲发生器 伺服发生器
外围设备
机器人
编码器
轨迹上几个教点 插 的位姿及姿态 补 算 法
轨迹中间 点位姿
各关节角 机器人 （给定值）
逆运
动学
TS
n 个角 位置 控制 系统
要求的 位姿、姿态
图 3 机器人轨迹控制过程
3 硬件设计
该机器人的控制核心，为一台工业控制机，负责完成机器 人系统的坐标变换、轨迹生成、插补运算及外部信息传感和周 边设备的控制。该机器人控制系统结构如图 4 所示。
1 机构设计
浮渣铲除机器人的设计，是仿造人工铲除过程的手臂运 动方式，其运动是由底座的直线运动、腰部（立柱）回转运动、 大臂的仰俯运动、小臂的仰俯运动、腕部的回转、仰俯、左右摆 动这七个自由度组成（参照图 1）。底座的直线运动，是保证该 机器人能够在铲除过程中和浇注槽保持同速运动。
d3
a2
小臂 a3
#
- sθi cθi cαi- 1 cθi sαi- 1
0
0
ai- 1
$ % %
%

- sαi- 1
-di sαi- 1
% % %
%
cαi- 1
-di cαi- 1
% %
%
%
0
1
% &
其中，ai- 1 、αi- 1 、di 和 θi 是坐标系 i- 1 和 i 之间的位置参
数末端执行器的坐标系{n}相对于基坐标系{0}的总的矩阵变
θ4
臂 大
θ3
d2 θ2
θ5 θ6
立 柱
θ1
末端执行器 （铲子）
图 1 浮渣铲除机器人结构简图
2 运动学参数及作业轨迹规划
浮渣铲除机器人为串连杆式机械手，其动态特性具有高 度非线性，以 Denavit－Hartenberg（D- H）表示方法描述机器人 坐标系统，如图 2。
Z2
a2 Z1
Z0
X2
d 2