基于BLDC的新型五自由度并聯(lián)機器人運動(dòng)控制

　　1 引言

　　并聯(lián)機構是由多個(gè)并行鏈構成的閉環(huán)機械系統。相對于串聯(lián)機構, 由于它的驅動(dòng)設備安裝在固定地點(diǎn), 位置而不隨末端執行點(diǎn)的運動(dòng)而改變, 由此可帶來(lái)高速、高精度的運動(dòng)。并聯(lián)機構具有剛度大、無(wú)關(guān)節誤差積累和放大、位置反解容易等優(yōu)點(diǎn), 與串聯(lián)機構在應用上形成了互補關(guān)系。目前, 對并聯(lián)機器人研究較多的是6 自由度( 6DOF) 并聯(lián)機器人, 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)機器人被稱(chēng)為少自由度并聯(lián)機器人。少自由度并聯(lián)機器人由于其驅動(dòng)元件少、造價(jià)低、結構緊湊而有較高的實(shí)用價(jià)值。

　　在研發(fā)的5 自由度并聯(lián)推拿機器人及其位置分析的基礎上, 以微機、PCI 總線(xiàn)控制卡、PCI 總線(xiàn)數據采集卡為硬件基礎,利用VC++6.0 設計機器人控制界面, 實(shí)現該機構的連續軌跡運動(dòng)。

　　2 新型五自由度并聯(lián)機器人機構原理

　　研究的并聯(lián)機構如圖1 所示。A1～A4、B1～B4 為球副, R1～R8 為轉動(dòng)副, L1～L4 為電動(dòng)推桿, 實(shí)現伸縮運動(dòng)。A1A2A3A4 組成了靜平臺, B1B2B3B4 為動(dòng)平臺。

　　其中, 在機器人系統中, 四根電動(dòng)推桿L1～L4 和中間的轉動(dòng)副( O) 為主動(dòng)輸入, 這樣動(dòng)平臺相對于靜平臺就有五個(gè)自由度,相應的控制量為: 位移量l1、l2、l3、l4 及轉角。工作時(shí)控制驅動(dòng)關(guān)節使工件在三維空間進(jìn)行移動(dòng)或轉動(dòng), 從而實(shí)現了動(dòng)平臺的運動(dòng)。

　　3 控制系統的硬件組成

　　并聯(lián)機構的控制系統組成如圖2 所示, 該系統由微機、PCI總線(xiàn)測控卡、無(wú)刷直流電機及其驅動(dòng)器、位移傳感器等組成。

　　以微機作為處主理器, 實(shí)現控制運算, 以時(shí)間中斷方式向控制卡接收和發(fā)送控制信號, 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。微機由A/D 采樣讀取位移傳感器的信號, 計算出電動(dòng)推桿和轉角的位置, 運算后向電機驅動(dòng)器發(fā)送轉速、轉向和電機運行狀態(tài)信號, 從而控制各個(gè)位移量?？刂葡到y驅動(dòng)使用的電機為永磁無(wú)刷直流電機, 該電機可以無(wú)級調速, 工作轉速范圍很大0～3000r/min, 可以工作在超低轉速, 能滿(mǎn)足各種運行模式下的轉速要求。該電機低速轉矩大, 運行平穩,高效率, 低噪音。電機及其驅動(dòng)器與測控板之間的連接方法如圖3 所示。驅動(dòng)器有三種可選調速方式:內部電位器調速、外部輸入調速、多段選擇調速。在實(shí)際應中選擇外部輸入調速, 即有D/A轉換的電壓( 相對于COM) 輸入到“AVI”端進(jìn)行速度調控。“AVI”的接受范圍為DC0V～10V, 對應電機轉速為0～3000 轉/分; 端子內接電阻200K 到COM端, 因此懸空不接將被解釋為0輸入。

　　電機的正/反轉、方向、運行/停止控制端被內部電阻上拉到12V, 無(wú)輸入時(shí)均為高電平。通過(guò)控制端子“R/S”相對于“COM”的通、斷可以控制電機的運行和停止。當“R/S”與端子“COM”斷開(kāi)時(shí)電機停止, 反之電機運行。使用運行/停止端控制電機停止時(shí), 電機為自然停車(chē), 其運動(dòng)規律與負載慣性有關(guān)。通過(guò)控制端子“DIR”與端子“COM”的通、斷可以控制電機的運轉方向。當“DIR”與端子“COM”不接通時(shí)電機順時(shí)針?lè )较蜻\行( 面對電機軸) , 約定為正轉;反之則逆時(shí)針?lè )较蜻\轉, 約定為反轉.為避免驅動(dòng)器的損壞應避免在電機運行時(shí)進(jìn)行運轉方向控制。驅動(dòng)器通過(guò)端子BRK～COM可以控制無(wú)刷電機的迅速停止, 制動(dòng)采用受控能耗制動(dòng)方式, 相對于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( 尤其是系統慣量) 的影響。

　　4 動(dòng)平臺運動(dòng)軌跡的規劃

　　本并聯(lián)機構在實(shí)際控制時(shí)使用的軌跡參數是在A(yíng)DAMS 環(huán)境中仿真獲取的。部分仿真數據結果如圖4 所示。ADAMS 軟件使用交互式圖形環(huán)境和零件庫、約束庫、力庫, 創(chuàng )建完全參數化的機械系統幾何模型, 其求解器采用多剛體系統動(dòng)力學(xué)理論中的拉格郎日方程方法, 建立系統動(dòng)力學(xué)方程, 對虛擬機械系統進(jìn)行靜力學(xué)、運動(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)。

　　ADAMS 是虛擬樣機分析的應用軟件, 用戶(hù)可以運用該軟件非常方便地對虛擬機械系統進(jìn)行靜力學(xué)、運動(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位置。

　　5 控制系統的軟件設計

　　在Windows 環(huán)境中, 采用Visual C++設計控制程序。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 轉換讀取位移傳感器的信號, 數字濾波后計算出被控量的當前值。

　　程序中用SetTimer( nIDEvent, time, NULL) 設置中斷, 其中nIDEvent 為中斷號, time 為中斷時(shí)間間隔。中斷處理函數的流程見(jiàn)圖6。因為并聯(lián)機構運動(dòng)時(shí)各個(gè)支路之間具有一定的耦合性,應避免支路獨立大范圍運行。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, 設置開(kāi)關(guān)量輸出使電機的停止、快速制動(dòng)端有效, 確保程序啟動(dòng)時(shí)整個(gè)系統的安全。為了使并聯(lián)機構的5 個(gè)支路同步運行, 程序中設置了5 個(gè)與之相對應的中斷處理函數。聯(lián)機構的5 個(gè)支路同步運行, 程序中設置了5 個(gè)與之相對應的中斷處理函數。

　　此外, 另設置了一個(gè)計時(shí)器定時(shí)改變期望位置, 時(shí)間間隔為t, 通過(guò)改變t 的大小調節動(dòng)平臺的運動(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前位置c( KT) , 采用平均值濾波, 采樣次數20 次。

　　位移偏差:

　　e( KT) =r( kt) - c( KT) ( 1)

　　通過(guò)實(shí)驗驗證得知: 當e( KT) 0 時(shí), 電機驅動(dòng)器F/R 端為高電平, 即電機正轉當e( KT) 0 時(shí), 電機驅動(dòng)器F/R 端為低電平, 即電機反轉, 此條件為閉環(huán)系統穩定的必要條件。由控制器運算得出控制量u( KT) , 其值由D/A 轉換輸出到電機驅動(dòng)器的轉速端子“AVI”, 調節無(wú)刷直流電機的轉速。

　　6 控制系統的實(shí)驗驗證

　　在實(shí)驗過(guò)程中, 首先調節并聯(lián)機構的支路使動(dòng)平臺處在零坐標位置, 然后讓動(dòng)平臺做以下合成運動(dòng): Y 軸方向上做100mm 往復平移, X 軸方向上做±15°旋轉, 合成方法圖略。使用ADAMS 軟件求取相應的位置反解, 在控制程序中使用其離散化后的結果, 使動(dòng)平臺重復往返運動(dòng)。在此過(guò)程中, 并聯(lián)機構運行平穩, 動(dòng)平臺運動(dòng)軌跡重復性較好。

　　7 結束語(yǔ)

　　以無(wú)刷直流電機為驅動(dòng)部件, 微機為處理器, PCI 總線(xiàn)測控卡作為數據接口構建了系統的硬件部分。使用C++語(yǔ)言編寫(xiě)了控制軟件。利用ADAMS 軟件求解并聯(lián)機構的位置反解曲線(xiàn), 并應用到實(shí)驗中。

　　實(shí)驗結果表明:

　　( 1) 由于無(wú)刷直流電機的驅動(dòng)能力較強, 提高了系統的響應及運行性能。

　　( 2) 并聯(lián)機構各支路的控制精度能夠滿(mǎn)動(dòng)平臺運動(dòng)的需求。

　　( 3) 利用ADAMS 軟件獲得的位置曲在實(shí)物證驗證中得到了較好的應用。