基于BLDC的新型五自由度并聯(lián)機器人運動控制

　　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(shè)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(guān)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(yīng)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(chǔ)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(chǔ),利用VC++6.0 設(shè)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(yīng)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(guān)節(jié)使工件在三維空間進(jìn)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(guān)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(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(yīng)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(jìn)行速度調(diào)控。“AVI”的接受范圍為DC0V～10V, 對應(yīng)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(dāng)“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(fù)載慣性有關(guān)。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(dāng)“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(yīng)避免在電機運行時進(jìn)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(xué)理論中的拉格郎日方程方法, 建立系統(tǒng)動力學(xué)方程, 對虛擬機械系統(tǒng)進(jìn)行靜力學(xué)、運動學(xué)和動力學(xué)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(yīng)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(jìn)行靜力學(xué)、運動學(xué)和動力學(xué)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(biāo)位置。

　　5 控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計

　　在Windows 環(huán)境中, 采用Visual C++設(shè)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(dāng)前值。

　　程序中用SetTimer( nIDEvent, time, NULL) 設(shè)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(yīng)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(shè)置開關(guān)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(shè)置了5 個與之相對應(yīng)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(shè)置了5 個與之相對應(yīng)的中斷處理函數(shù)。

　　此外, 另設(shè)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(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)

　　通過實驗驗證得知: 當(dāng)e( KT) 0 時, 電機驅(qū)動器F/R 端為高電平, 即電機正轉(zhuǎn)當(dāng)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(biāo)位置, 然后讓動平臺做以下合成運動: 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, 使動平臺重復(fù)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(fù)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(yīng)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(yīng)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(yīng)用。