基于BLDC的新型五自由度并聯(lián)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制

1 引言

      并聯(lián)機(jī)構(gòu)是由多個(gè)并行鏈構(gòu)成的閉環(huán)機(jī)械系統(tǒng)。相對(duì)于串聯(lián)機(jī)構(gòu), 由于它的驅(qū)動(dòng)設(shè)備安裝在固定地點(diǎn), 位置而不隨末端執(zhí)行點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)而改變, 由此可帶來(lái)高速、高精度的運(yùn)動(dòng)。并聯(lián)機(jī)構(gòu)具有剛度大、無(wú)關(guān)節(jié)誤差積累和放大、位置反解容易等優(yōu)點(diǎn), 與串聯(lián)機(jī)構(gòu)在應(yīng)用上形成了互補(bǔ)關(guān)系。目前, 對(duì)并聯(lián)機(jī)器人研究較多的是6 自由度（ 6DOF） 并聯(lián)機(jī)器人, 但在某些場(chǎng)合2～5 個(gè)自由度即可滿(mǎn)足使用要求, 這類(lèi)少于6 自由度的并聯(lián)機(jī)器人被稱(chēng)為少自由度并聯(lián)機(jī)器人。少自由度并聯(lián)機(jī)器人由于其驅(qū)動(dòng)元件少、造價(jià)低、結(jié)構(gòu)緊湊而有較高的實(shí)用價(jià)值。
      在研發(fā)的5 自由度并聯(lián)推拿機(jī)器人及其位置分析的基礎(chǔ)上, 以微機(jī)、PCI 總線(xiàn)控制卡、PCI 總線(xiàn)數(shù)據(jù)采集卡為硬件基礎(chǔ),利用VC++6.0 設(shè)計(jì)機(jī)器人控制界面, 實(shí)現(xiàn)該機(jī)構(gòu)的連續(xù)軌跡運(yùn)動(dòng)。

2 新型五自由度并聯(lián)機(jī)器人機(jī)構(gòu)原理

      研究的并聯(lián)機(jī)構(gòu)如圖1 所示。A1～A4、B1～B4 為球副, R1～R8 為轉(zhuǎn)動(dòng)副, L1～L4 為電動(dòng)推桿, 實(shí)現(xiàn)伸縮運(yùn)動(dòng)。A1A2A3A4 組成了靜平臺(tái), B1B2B3B4 為動(dòng)平臺(tái)。

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      其中, 在機(jī)器人系統(tǒng)中, 四根電動(dòng)推桿L1～L4 和中間的轉(zhuǎn)動(dòng)副（ O） 為主動(dòng)輸入, 這樣動(dòng)平臺(tái)相對(duì)于靜平臺(tái)就有五個(gè)自由度,相應(yīng)的控制量為: 位移量l1、l2、l3、l4 及轉(zhuǎn)角。工作時(shí)控制驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)使工件在三維空間進(jìn)行移動(dòng)或轉(zhuǎn)動(dòng), 從而實(shí)現(xiàn)了動(dòng)平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)。

3 控制系統(tǒng)的硬件組成

      并聯(lián)機(jī)構(gòu)的控制系統(tǒng)組成如圖2 所示, 該系統(tǒng)由微機(jī)、PCI總線(xiàn)測(cè)控卡、無(wú)刷直流電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)器、位移傳感器等組成。

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      以微機(jī)作為處主理器, 實(shí)現(xiàn)控制運(yùn)算, 以時(shí)間中斷方式向控制卡接收和發(fā)送控制信號(hào), 中斷的最小時(shí)間間隔為1ms?？刂瓶ň哂? 路D/A 輸出, 16 路A/D 輸入, 16 路開(kāi)關(guān)量輸入輸出, 能夠很好的滿(mǎn)足實(shí)際控制的需要。D/A 輸出分辨率為15 位, 輸出范圍DC0～10V。A/D 采樣的頻率120KHZ, 分辨率12 位, 采樣范圍: 0- 10V, 內(nèi)置采樣保持器, 工作在軟件查詢(xún)方式。開(kāi)關(guān)量輸出高電平為+12V, 低電平為0V。微機(jī)由A/D 采樣讀取位移傳感器的信號(hào), 計(jì)算出電動(dòng)推桿和轉(zhuǎn)角的位置, 運(yùn)算后向電機(jī)驅(qū)動(dòng)器發(fā)送轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向和電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)信號(hào), 從而控制各個(gè)位移量?？刂葡到y(tǒng)驅(qū)動(dòng)使用的電機(jī)為永磁無(wú)刷直流電機(jī), 該電機(jī)可以無(wú)級(jí)調(diào)速, 工作轉(zhuǎn)速范圍很大0～3000r/min, 可以工作在超低轉(zhuǎn)速, 能滿(mǎn)足各種運(yùn)行模式下的轉(zhuǎn)速要求。該電機(jī)低速轉(zhuǎn)矩大, 運(yùn)行平穩(wěn),高效率, 低噪音。電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)器與測(cè)控板之間的連接方法如圖3 所示。驅(qū)動(dòng)器有三種可選調(diào)速方式:內(nèi)部電位器調(diào)速、外部輸入調(diào)速、多段選擇調(diào)速。在實(shí)際應(yīng)中選擇外部輸入調(diào)速, 即有D/A轉(zhuǎn)換的電壓（ 相對(duì)于COM） 輸入到“AVI”端進(jìn)行速度調(diào)控?！癆VI”的接受范圍為DC0V～10V, 對(duì)應(yīng)電機(jī)轉(zhuǎn)速為0～3000 轉(zhuǎn)/分; 端子內(nèi)接電阻200K 到COM端, 因此懸空不接將被解釋為0輸入。

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      電機(jī)的正/反轉(zhuǎn)、方向、運(yùn)行/停止控制端被內(nèi)部電阻上拉到12V, 無(wú)輸入時(shí)均為高電平。通過(guò)控制端子“R/S”相對(duì)于“COM”的通、斷可以控制電機(jī)的運(yùn)行和停止。當(dāng)“R/S”與端子“COM”斷開(kāi)時(shí)電機(jī)停止, 反之電機(jī)運(yùn)行。使用運(yùn)行/停止端控制電機(jī)停止時(shí), 電機(jī)為自然停車(chē), 其運(yùn)動(dòng)規(guī)律與負(fù)載慣性有關(guān)。通過(guò)控制端子“DIR”與端子“COM”的通、斷可以控制電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)方向。當(dāng)“DIR”與端子“COM”不接通時(shí)電機(jī)順時(shí)針?lè)较蜻\(yùn)行（ 面對(duì)電機(jī)軸） , 約定為正轉(zhuǎn);反之則逆時(shí)針?lè)较蜻\(yùn)轉(zhuǎn), 約定為反轉(zhuǎn).為避免驅(qū)動(dòng)器的損壞應(yīng)避免在電機(jī)運(yùn)行時(shí)進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)方向控制。驅(qū)動(dòng)器通過(guò)端子BRK～COM可以控制無(wú)刷電機(jī)的迅速停止, 制動(dòng)采用受控能耗制動(dòng)方式, 相對(duì)于R/S 的自由停車(chē)會(huì)迅速的多, 但具體時(shí)間受用戶(hù)系統(tǒng)（ 尤其是系統(tǒng)慣量） 的影響。

4 動(dòng)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)軌跡的規(guī)劃

      本并聯(lián)機(jī)構(gòu)在實(shí)際控制時(shí)使用的軌跡參數(shù)是在ADAMS 環(huán)境中仿真獲取的。部分仿真數(shù)據(jù)結(jié)果如圖4 所示。ADAMS 軟件使用交互式圖形環(huán)境和零件庫(kù)、約束庫(kù)、力庫(kù), 創(chuàng)建完全參數(shù)化的機(jī)械系統(tǒng)幾何模型, 其求解器采用多剛體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)理論中的拉格郎日方程方法, 建立系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方程, 對(duì)虛擬機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行靜力學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析, 可以輸出位移、速度、加度和反作用力曲線(xiàn)。

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      ADAMS 是虛擬樣機(jī)分析的應(yīng)用軟件, 用戶(hù)可以運(yùn)用該軟件非常方便地對(duì)虛擬機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行靜力學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析。通過(guò)本軟件可以獲取支路變量反解值曲線(xiàn), 將獲得的曲線(xiàn)離散化即可得到所需的控制量, 位置給定為離散化后的期望目標(biāo)位置。

5 控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

      在Windows 環(huán)境中, 采用Visual C++設(shè)計(jì)控制程序。位移量l1 的閉環(huán)控制見(jiàn)圖5。其中控制時(shí)間隔T=10ms, 位置給定為離散化后的期望軌跡, 位置反饋通過(guò)A/D 轉(zhuǎn)換讀取位移傳感器的信號(hào), 數(shù)字濾波后計(jì)算出被控量的當(dāng)前值。

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      程序中用SetTimer（ nIDEvent, time, NULL） 設(shè)置中斷, 其中nIDEvent 為中斷號(hào), time 為中斷時(shí)間間隔。中斷處理函數(shù)的流程見(jiàn)圖6。因?yàn)椴⒙?lián)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)時(shí)各個(gè)支路之間具有一定的耦合性,應(yīng)避免支路獨(dú)立大范圍運(yùn)行。程序啟動(dòng)時(shí)要將每個(gè)控制端口初始化, 各模擬輸出清零, 設(shè)置開(kāi)關(guān)量輸出使電機(jī)的停止、快速制動(dòng)端有效, 確保程序啟動(dòng)時(shí)整個(gè)系統(tǒng)的安全。為了使并聯(lián)機(jī)構(gòu)的5 個(gè)支路同步運(yùn)行, 程序中設(shè)置了5 個(gè)與之相對(duì)應(yīng)的中斷處理函數(shù)。聯(lián)機(jī)構(gòu)的5 個(gè)支路同步運(yùn)行, 程序中設(shè)置了5 個(gè)與之相對(duì)應(yīng)的中斷處理函數(shù)。
      此外, 另設(shè)置了一個(gè)計(jì)時(shí)器定時(shí)改變期望位置, 時(shí)間間隔為t, 通過(guò)改變t 的大小調(diào)節(jié)動(dòng)平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)速度。位置給定r（ kt） 是由ADAMS 仿真得到, 離散化的時(shí)間間隔為0.05s。
      通過(guò)A/D 采樣獲得被控量的當(dāng)前位置c（ KT） , 采用平均值濾波, 采樣次數(shù)20 次。
      位移偏差:
      e（ KT） =r（ kt） - c（ KT） （ 1）
      通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證得知: 當(dāng)e（ KT） >0 時(shí), 電機(jī)驅(qū)動(dòng)器F/R 端為高電平, 即電機(jī)正轉(zhuǎn)當(dāng)e（ KT） <0 時(shí), 電機(jī)驅(qū)動(dòng)器F/R 端為低電平, 即電機(jī)反轉(zhuǎn), 此條件為閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定的必要條件。由控制器運(yùn)算得出控制量u（ KT） , 其值由D/A 轉(zhuǎn)換輸出到電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的轉(zhuǎn)速端子“AVI”, 調(diào)節(jié)無(wú)刷直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速。

6 控制系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

      在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中, 首先調(diào)節(jié)并聯(lián)機(jī)構(gòu)的支路使動(dòng)平臺(tái)處在零坐標(biāo)位置, 然后讓動(dòng)平臺(tái)做以下合成運(yùn)動(dòng): Y 軸方向上做100mm 往復(fù)平移, X 軸方向上做±15°旋轉(zhuǎn), 合成方法圖略。使用ADAMS 軟件求取相應(yīng)的位置反解, 在控制程序中使用其離散化后的結(jié)果, 使動(dòng)平臺(tái)重復(fù)往返運(yùn)動(dòng)。在此過(guò)程中, 并聯(lián)機(jī)構(gòu)運(yùn)行平穩(wěn), 動(dòng)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)軌跡重復(fù)性較好。

7 結(jié)束語(yǔ)

      以無(wú)刷直流電機(jī)為驅(qū)動(dòng)部件, 微機(jī)為處理器, PCI 總線(xiàn)測(cè)控卡作為數(shù)據(jù)接口構(gòu)建了系統(tǒng)的硬件部分。使用C++語(yǔ)言編寫(xiě)了控制軟件。利用ADAMS 軟件求解并聯(lián)機(jī)構(gòu)的位置反解曲線(xiàn), 并應(yīng)用到實(shí)驗(yàn)中。
      實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:
      （ 1） 由于無(wú)刷直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)能力較強(qiáng), 提高了系統(tǒng)的響應(yīng)及運(yùn)行性能。
      （ 2） 并聯(lián)機(jī)構(gòu)各支路的控制精度能夠滿(mǎn)動(dòng)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)的需求。
      （ 3） 利用ADAMS 軟件獲得的位置曲在實(shí)物證驗(yàn)證中得到了較好的應(yīng)用。