[发明专利]基于PyQt的机械臂运行控制系统

摘要

一种基于PyQt的机械臂运行控制系统，主要包括人机交互界面模块、上位机主控模块、仿真与控制模块、轨迹优化模块、USB转串口模块。该控制系统是基于PyQt友好的GUI编程框架搭建的机械臂控制系统，可完成机械臂的基本操作，仿真与在线示教，多参数实时显示等功能，用户在Windows操作系统上下载并安装该控制系统的上位机软件，通过USB转串口模块实时获取机械臂运动的相关参数，对其量化处理后发送给轨迹优化模块，该模块根据正逆运动学公式和笛卡尔轨迹规划算法优化运行轨迹，仿真与控制模块根据优化的运行轨迹完成仿真功能，人机交互界面模块给用户提供各类控制按钮和机械臂参数显示。本发明大幅度扩展了机械臂控制器的功能，同时提高了控制器的人机交互性能。

主权项

一种基于PyQt的机械臂运行控制系统，其特征在于：包括人机交互模块，上位机主控模块，仿真与控制模块，轨迹规划模块，USB转串口模块；人机交互模块发送控制指令给上位机主控模块，传输技术人员的操作指令，上位机主控模块根据控制命令，发送仿真参数给仿真与控制模块，同时发送关节角度参数给轨迹优化模块；实际机械臂工作台通过USB转串口模块，接受来自上位机主控模块的操作指令，最终完成机械臂的运行控制；1)人机交互模块，接受来自操作人员点击的系统启动信号后，分别激活上位机主控模块，仿真与控制模块，轨迹规划模块，USB转串口模块；操作人员在人机交互模块上点击各模块的任务命令，发送不同类型的控制命令给上位机主控模块；同时人机交互模块接受来自上位机主控模块的机械臂运行相关参数，并进行实时显示，完成人机交互功能；2)上位机主控模块，对各种数据、参数和指令进行解析、处理、调度和收发；上位机主控模块接受来自USB转串口模块的机械臂关节角度参数，末端执行器速度，加速度参数，通过网络通信的方式接受来自仿真与控制模块加工处理过的实际机械臂控制指令字符串，接受来自轨迹优化模块优化完成的各关节角度参数，接受来自人机交互模块传输的操作人员控制指令；上位机主控模块根据系统运行顺序，把人机交互模块发送的控制指令解析后发送给轨迹优化模块，接受轨迹优化模块优化后的机械臂各关节角参数，通过网络通信的方式，把优化的机械臂各关节角参数发送给仿真与控制模块，根据上位机主控模块的逻辑控制器，接受来自仿真与控制模块的控制指令；最后上位机主控模块把从仿真与控制模块接受的控制命令，使用仿真与控制模块的后置处理器程序，转化为机械臂实际可执行代码，发送可执行代码给USB转串口模块；3)仿真与控制模块，接受来自上位机主控模块的仿真参数，并把仿真参数转化为PyQt语言，依托PyQt强大的Python内核，直接调用RoboDK动态函数库，把仿真运行参数转化为控制机械臂3D模型仿真运行的执行代码；同时仿真与控制模块接受上位机主控模块的机械臂示教参数，并把该参数实时对应到仿真与控制模块的机械臂3D模型中各运动关节上，实现仿真示教并记录仿真运行轨迹的离散点坐标，把坐标参数以字符串的形式存储起来，并把该字符串输入到机械臂对应的D‑H参数模型中，得到对应的实际机械臂运行轨迹参数列表，通过仿真与控制模块中的后置处理器软件，自动生成实际机械臂运行控制指令；最后，通过网络通信方式把机械臂运行控制指令发送给上位机主控模块；4)轨迹优化模块，接受来自上位机主控模块的机械臂各关节角参数数组，结合当前所使用的机械臂型号的机构参数，使用D‑H参数建模方法建立机械臂各关节的基坐标系，利用正运动学公式求解末端执行器在世界坐标系下的位姿参数，进而求出整条示教轨迹；再对示教轨迹使用笛卡尔轨迹规划算法进行轨迹优化；考虑到实际机械臂运行的离散特性，该模块对优化完的轨迹进行逆运动学计算，得出执行优化后的示教轨迹所对应的关节角参数数组；最终发送关节角控制参数数组给上位机主控模块；5)USB转串口模块，用于连接实际机械臂工作台和上位机主控模块，完成两者的信息交互，同时保证数据的实时传输；该模块将电脑PC端USB接口转化为通用串口，实现上位机主控模块和机械臂控制器之间的信息双向通信；USB转串口模块接受机械臂控制台上关节角度传感器的角度参数，计算后的末端执行器位置，速度，加速度信息，同时接受上位机主控模块发送的机械臂运行控制指令；含有校验计算功能单元，对发送端数据进行二补数校验，对接收端数据进行逐字节相对校验；通过USB转串口模块，发送包含校验码的机械臂运行状态参数字符串给上位机主控模块。