摘 要:在自主研制的新型五自由度并聯(lián)機器人的基礎上, 設計完成了以微機、無刷直流電機、PCI 接口測控卡為基礎的控制系統(tǒng)硬件部分, 應用ADAMS 軟件求解了機構(gòu)的位置反解曲線, 利用C++語言編寫了機器人系統(tǒng)的控制軟件, 實現(xiàn)了并聯(lián)機構(gòu)連續(xù)軌跡運動。實驗結(jié)果驗證了本并聯(lián)機構(gòu)及其控制系統(tǒng)的可行性。

關鍵詞: 并聯(lián)機構(gòu); 無刷電機; 運動控制; 位置分析

Motion control of novel five- DOF parallel robot based on BLDC LI Shi- hua GAO Guo- qin MA Lv- zhong WANG Jin- song

Abstr act:On the foundation of novel five - DOF parallel robot developed by University, thehardware of the control system based on microcomputer、BLDC and PCI interface measure & control cardwas done. Inverse kinematics solution of the machine solved by ADAMS, the control software of the robotsystem was written using C++ language. Continuous track motion of the parallel robot was realized.Experiment result approved the feasibility of the parallel Mechanism and the control system.

Key words: Par allel mechanism; BLDC;Motion control; Position analysis.

1 引言

并聯(lián)機構(gòu)是由多個并行鏈構(gòu)成的閉環(huán)機械系統(tǒng)。相對于串聯(lián)機構(gòu), 由于它的驅(qū)動設備安裝在固定地點, 位置而不隨末端執(zhí)行點的運動而改變, 由此可帶來高速、高精度的運動。并聯(lián)機構(gòu)具有剛度大、無關節(jié)誤差積累和放大、位置反解容易等優(yōu)點, 與串聯(lián)機構(gòu)在應用上形成了互補關系。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, 但在某些場合2～5 個自由度即可滿足使用要求, 這類少于6 自由度的并聯(lián)機器人被稱為少自由度并聯(lián)機器人。少自由度并聯(lián)機器人由于其驅(qū)動元件少、造價低、結(jié)構(gòu)緊湊而有較高的實用價值。

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 總線控制卡、PCI 總線數(shù)據(jù)采集卡為硬件基礎,利用VC++6.0 設計機器人控制界面, 實現(xiàn)該機構(gòu)的連續(xù)軌跡運動。

2 新型五自由度并聯(lián)機器人機構(gòu)原理

研究的并聯(lián)機構(gòu)如圖1 所示。A1～A4、B1～B4 為球副, R1～R8 為轉(zhuǎn)動副, L1～L4 為電動推桿, 實現(xiàn)伸縮運動。A1A2A3A4 組成了靜平臺, B1B2B3B4 為動平臺。

其中, 在機器人系統(tǒng)中, 四根電動推桿L1～L4 和中間的轉(zhuǎn)動副（O） 為主動輸入, 這樣動平臺相對于靜平臺就有五個自由度,相應的控制量為: 位移量l1、l2、l3、l4 及轉(zhuǎn)角。工作時控制驅(qū)動關節(jié)使工件在三維空間進行移動或轉(zhuǎn)動, 從而實現(xiàn)了動平臺的運動。

3 控制系統(tǒng)的硬件組成

并聯(lián)機構(gòu)的控制系統(tǒng)組成如圖2 所示, 該系統(tǒng)由微機、PCI總線測控卡、無刷直流電機及其驅(qū)動器、位移傳感器等組成。

以微機作為處主理器, 實現(xiàn)控制運算, 以時間中斷方式向控制卡接收和發(fā)送控制信號, 中斷的最小時間間隔為1ms?？刂瓶ň哂? 路D/A 輸出, 16 路A/D 輸入, 16 路開關量輸入輸出, 能夠很好的滿足實際控制的需要。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, 工作在軟件查詢方式。開關量輸出高電平為+12V, 低電平為0V。微機由A/D 采樣讀取位移傳感器的信號, 計算出電動推桿和轉(zhuǎn)角的位置, 運算后向電機驅(qū)動器發(fā)送轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向和電機運行狀態(tài)信號, 從而控制各個位移量。控制系統(tǒng)驅(qū)動使用的電機為永磁無刷直流電機, 該電機可以無級調(diào)速, 工作轉(zhuǎn)速范圍很大0～3000r/min, 可以工作在超低轉(zhuǎn)速, 能滿足各種運行模式下的轉(zhuǎn)速要求。該電機低速轉(zhuǎn)矩大, 運行平穩(wěn),高效率, 低噪音。電機及其驅(qū)動器與測控板之間的連接方法如圖3 所示。驅(qū)動器有三種可選調(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。在實際應中選擇外部輸入調(diào)速, 即有D/A轉(zhuǎn)換的電壓（相對于COM） 輸入到“AVI”端進行速度調(diào)控。“AVI”的接受范圍為DC0V～10V, 對應電機轉(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。

電機的正/反轉(zhuǎn)、方向、運行/停止控制端被內(nèi)部電阻上拉到12V, 無輸入時均為高電平。通過控制端子“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”斷開時電機停止, 反之電機運行。使用運行/停止端控制電機停止時, 電機為自然停車, 其運動規(guī)律與負載慣性有關。通過控制端子“DIR”與端子“COM”的通、斷可以控制電機的運轉(zhuǎn)方向。當“DIR”與端子“COM”不接通時電機順時針方向運行（面對電機軸） , 約定為正轉(zhuǎn);反之則逆時針方向運轉(zhuǎn), 約定為反轉(zhuǎn).為避免驅(qū)動器的損壞應避免在電機運行時進行運轉(zhuǎn)方向控制。驅(qū)動器通過端子BRK～COM可以控制無刷電機的迅速停止, 制動采用受控能耗制動方式, 相對于R/S 的自由停車會迅速的多, 但具體時間受用戶系統(tǒng)（尤其是系統(tǒng)慣量） 的影響。

4 動平臺運動軌跡的規(guī)劃

本并聯(lián)機構(gòu)在實際控制時使用的軌跡參數(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、約束庫、力庫, 創(chuàng)建完全參數(shù)化的機械系統(tǒng)幾何模型, 其求解器采用多剛體系統(tǒng)動力學理論中的拉格郎日方程方法, 建立系統(tǒng)動力學方程, 對虛擬機械系統(tǒng)進行靜力學、運動學和動力學分析, 可以輸出位移、速度、加度和反作用力曲線。

ADAMS 是虛擬樣機分析的應用軟件, 用戶可以運用該軟件非常方便地對虛擬機械系統(tǒng)進行靜力學、運動學和動力學分析。通過本軟件可以獲取支路變量反解值曲線, 將獲得的曲線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(tǒng)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)控制見圖5。其中控制時間隔T=10ms, 位置給定為離散化后的期望軌跡, 位置反饋通過A/D 轉(zhuǎn)換讀取位移傳感器的信號, 數(shù)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 為中斷時間間隔。中斷處理函數(shù)的流程見圖6。因為并聯(lián)機構(gòu)運動時各個支路之間具有一定的耦合性,應避免支路獨立大范圍運行。程序啟動時要將每個控制端口初始化, 各模擬輸出清零, 設置開關量輸出使電機的停止、快速制動端有效, 確保程序啟動時整個系統(tǒng)的安全。為了使并聯(lián)機構(gòu)的5 個支路同步運行, 程序中設置了5 個與之相對應的中斷處理函數(shù)。聯(lián)機構(gòu)的5 個支路同步運行, 程序中設置了5 個與之相對應的中斷處理函數(shù)。

此外, 另設置了一個計時器定時改變期望位置, 時間間隔為t, 通過改變t 的大小調(diào)節(jié)動平臺的運動速度。位置給定r（kt） 是由ADAMS 仿真得到, 離散化的時間間隔為0.05s。

通過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(shù)20 次。

位移偏差: e（KT） =r（kt） - c（KT）

（1）通過實驗驗證得知: 當e（KT）>0 時, 電機驅(qū)動器F/R 端為高電平, 即電機正轉(zhuǎn)當e（KT）<0 時, 電機驅(qū)動器F/R 端為低電平, 即電機反轉(zhuǎn), 此條件為閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定的必要條件。由控制器運算得出控制量u（KT） , 其值由D/A 轉(zhuǎn)換輸出到電機驅(qū)動器的轉(zhuǎn)速端子“AVI”, 調(diào)節(jié)無刷直流電機的轉(zhuǎn)速。

6 控制系統(tǒng)的實驗驗證

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

7 結(jié)束語

以無刷直流電機為驅(qū)動部件, 微機為處理器, PCI 總線測控卡作為數(shù)據(jù)接口構(gòu)建了系統(tǒng)的硬件部分。使用C++語言編寫了控制軟件。利用ADAMS 軟件求解并聯(lián)機構(gòu)的位置反解曲線, 并應用到實驗中。

實驗結(jié)果表明:

（1）由于無刷直流電機的驅(qū)動能力較強, 提高了系統(tǒng)的響應及運行性能。

（2）并聯(lián)機構(gòu)各支路的控制精度能夠滿動平臺運動的需求。

（3）利用ADAMS 軟件獲得的位置曲在實物證驗證中得到了較好的應用。

參考文獻

1 Kim H S, Tsai L W.Kinematic Synthesis of a Spatial 3- RPS Parallel Manipulator.Journal of Mechanical Design, Transactions of the ASME, 2003,125（ 1） :92～97

2 蔡自興. 機器人學[M]. 北京:清華大學出版社, 2000.