關(guān)于六自由度并聯(lián)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

摘 要：運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)作為六自由度并聯(lián)機(jī)器人的關(guān)鍵控制系統(tǒng)，對機(jī)器人的精準(zhǔn)快速運(yùn)動(dòng)具有至關(guān)重要的作用。通過對六自由度并聯(lián)機(jī)器人結(jié)構(gòu)、內(nèi)部控制結(jié)構(gòu)及其工作原理的介紹，提出運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路，并對其中的關(guān)鍵技術(shù)問題進(jìn)行了深入分析，對提高六自由度并聯(lián)機(jī)器人的研發(fā)和應(yīng)用水平具有積極的推動(dòng)作用。

關(guān)鍵詞：六自由度；并聯(lián)機(jī)器人；運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)；結(jié)構(gòu)分析

近年來，隨著計(jì)算機(jī)和電子信息技術(shù)的進(jìn)步，機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)取得了突破性發(fā)展，機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)是將控制傳感器、電機(jī)、傳動(dòng)機(jī)和驅(qū)動(dòng)器等組合在一起，通過一定的編程設(shè)置對電機(jī)在速度、位移、加速度等方面的控制，使起機(jī)器人按照預(yù)定的軌跡和運(yùn)動(dòng)參數(shù)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)的一種高科技技術(shù)。伴隨著機(jī)械工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展，運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)經(jīng)過了由低級(jí)到高級(jí)，由模擬到數(shù)字，再到網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)的發(fā)展演進(jìn)過程。運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)作為機(jī)械工業(yè)自動(dòng)化的一項(xiàng)重要技術(shù)，主要包括全封閉伺服交流技術(shù)，直線式電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)、基于編程基礎(chǔ)上的運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)、基于運(yùn)動(dòng)控制卡的控制技術(shù)等。其中，基于運(yùn)動(dòng)控制卡的控制技術(shù)通過內(nèi)部各種線路的集成組合，可以實(shí)現(xiàn)對各種復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行控制，該技術(shù)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)程序主要包括：運(yùn)動(dòng)控制軟件、網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)鏈接數(shù)據(jù)庫、運(yùn)動(dòng)控制參數(shù)庫等子系統(tǒng)。運(yùn)動(dòng)控制卡控制技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展有效的滿足了工業(yè)機(jī)械行業(yè)數(shù)控系統(tǒng)的柔性化、標(biāo)準(zhǔn)化要求，在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛。

1 六自由度并聯(lián)機(jī)器人的構(gòu)造

六自由度并聯(lián)機(jī)器人作為現(xiàn)代工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)發(fā)展的代表，主要結(jié)構(gòu)包括床身、連桿和運(yùn)動(dòng)平臺(tái)等幾個(gè)部分。其中運(yùn)動(dòng)平臺(tái)與六個(gè)連桿相聯(lián)接，每個(gè)連桿各自聯(lián)接一個(gè)由虎克材料制成的滑塊，這些滑塊又與滾珠絲杠相連，在電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下可以帶動(dòng)滑塊沿滾珠運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而帶動(dòng)連桿有規(guī)則的運(yùn)動(dòng)，從而改變平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)方向。通過在運(yùn)動(dòng)平臺(tái)上安裝不同的機(jī)械，可以有效滿足不同工作的需求。在六根連桿工作程序中，每根連桿都由一臺(tái)電機(jī)進(jìn)行控制驅(qū)動(dòng)來保證連桿運(yùn)動(dòng)的獨(dú)立性，因此，可以實(shí)現(xiàn)六自由度的機(jī)器控制運(yùn)動(dòng)。

2 六自由度并聯(lián)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)工作原理與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 并聯(lián)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的工作原理

六自由度并聯(lián)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)主要由工控機(jī)、運(yùn)動(dòng)控制卡、伺服放大器、資料數(shù)據(jù)收集處理平臺(tái)等系統(tǒng)組成。在機(jī)器人工作過程中，工控機(jī)借助一定的程序指令對運(yùn)動(dòng)控制卡發(fā)出命令，運(yùn)動(dòng)控制卡將六路脈沖同時(shí)發(fā)向六套伺服放大器，在脈沖命令的指引下，這些放大器做出進(jìn)一步運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而帶動(dòng)機(jī)器人平臺(tái)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。同時(shí)，伺服放大器將運(yùn)動(dòng)中形成的信號(hào)數(shù)據(jù)傳回到運(yùn)動(dòng)控制卡，進(jìn)而完成一個(gè)全閉環(huán)式反饋控制運(yùn)動(dòng)。在運(yùn)動(dòng)過程中，可以通過Lab系統(tǒng)對并聯(lián)機(jī)器人的振動(dòng)特性、相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析，進(jìn)而研究并聯(lián)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)、尺寸等對其運(yùn)動(dòng)和工作的影響。

2.2 并聯(lián)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)核心部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.2.1 運(yùn)動(dòng)控制卡

六自由度并聯(lián)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的核心部件為運(yùn)動(dòng)控制卡，該運(yùn)動(dòng)控制卡通過PIC高速通信線路作為獨(dú)立的控制器提供運(yùn)動(dòng)控制功能。用于并聯(lián)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的控制卡，其最大輸入功率為20馬赫。根據(jù)功能需要，運(yùn)動(dòng)控制卡內(nèi)具有增量式和模擬式編碼器，正弦和余弦分解器，矩陣型電流變換指令、脈沖輸入指令、編程設(shè)置系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)器故障排除系統(tǒng)、6軸同步伺服放大器等，在這些系統(tǒng)部件的配合作用下，可以有效完成對并聯(lián)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)過程的整體控制。

2.2.2 SPI運(yùn)動(dòng)處理器單元

在運(yùn)動(dòng)控制器的硬件結(jié)構(gòu)中，核心部件為SPI運(yùn)動(dòng)處理器單元，功能強(qiáng)大，可以處理大部分的控制器任務(wù)。SPI為運(yùn)動(dòng)控制器中的伺服電機(jī)處理器，該部件可以處理適時(shí)性任務(wù)，每個(gè)SPI可以控制兩個(gè)高性能軸，如智能輸入與輸出，數(shù)字模擬的接口轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)資料的閃存保留等。

2.2.3 固件應(yīng)用程序及工具

固件的功能主要用于保存運(yùn)動(dòng)控制卡中的固定存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)程序，該程序定義了控制器的基本參數(shù)函數(shù)。這些參數(shù)函數(shù)主要用于指導(dǎo)用戶的應(yīng)用程序。在操作過程中，固件應(yīng)用程序應(yīng)對不同條件下執(zhí)行的具體控制和監(jiān)測動(dòng)作做出明確規(guī)定。比如，精確的動(dòng)作序列，輸入與輸出指令的激活、人機(jī)交互等。

2.2.4 用戶應(yīng)用程序組建系統(tǒng)

用戶應(yīng)用程序組件系統(tǒng)在并聯(lián)機(jī)器人整個(gè)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中占有重要地位。主要包括以下幾部分。一是主機(jī)程序。該程序主要有D或其他程序語言編寫完成，用于主機(jī)與控制面板之間的通信聯(lián)絡(luò)。主機(jī)程序可以通過控制卡的任何信號(hào)通道，如太網(wǎng)、FPIF等進(jìn)行連接。通過主機(jī)程序，可以向運(yùn)動(dòng)控制卡發(fā)送相關(guān)指令和從控制卡讀取相關(guān)指令信息，還可以為前端用戶界面、高層決策等提供專用函數(shù)。二是ACSPK程序系統(tǒng)。該系統(tǒng)程序是一種主要為SPI運(yùn)動(dòng)控制卡研制開發(fā)的強(qiáng)大的程序語言。經(jīng)過程序處理，可以將ACSPK命令作為AC-SPW的應(yīng)用程序下載到運(yùn)動(dòng)控制卡內(nèi)。運(yùn)動(dòng)控制卡上有多個(gè)位置可以安裝AC-SPW程序，在執(zhí)行任務(wù)命令的過程中，只要嚴(yán)格按照程序運(yùn)行就不會(huì)出現(xiàn)信號(hào)通信延誤的情況。三是變量配置。固件程序的預(yù)定義變量可以用于ACSPK程序的通信指令中，固件程序的預(yù)定義變量包括了變量配置。變量配置的數(shù)值參數(shù)是根據(jù)執(zhí)行任務(wù)的不同和設(shè)備型號(hào)的不同來設(shè)置的。四是SPL程序系統(tǒng)。SPL程序是六自由度并聯(lián)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)部分，因該程序一般不存在于用戶的應(yīng)用程序中，且不支持手動(dòng)操作，因此，在操作過程中，用戶可以根據(jù)具體任務(wù)的不同對該程序進(jìn)行適時(shí)修改，使之成為應(yīng)用程序的一部分。

3 并聯(lián)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)問題

六自由度并聯(lián)機(jī)器人具有質(zhì)量輕盈、慣性較小的特點(diǎn)，因此，在并聯(lián)機(jī)器人對程序指令做出快速反應(yīng)的過程中，內(nèi)部構(gòu)造中的系統(tǒng)載荷容易發(fā)生改變，對機(jī)器人運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的穩(wěn)定性造成一定影響。為有效解決并聯(lián)機(jī)器人高速運(yùn)動(dòng)振動(dòng)較大，狀態(tài)不穩(wěn)的現(xiàn)象，科研人員應(yīng)對機(jī)器人運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的穩(wěn)定性進(jìn)行深入細(xì)致研究。可以借助Lab系統(tǒng)對運(yùn)動(dòng)過程中的相關(guān)參數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行測試，特別是加速度、驅(qū)動(dòng)器控制系統(tǒng)、振動(dòng)頻率等進(jìn)行分析，確定和優(yōu)化具體參數(shù)范圍，消除機(jī)器人運(yùn)動(dòng)過程中的振動(dòng)現(xiàn)象。同時(shí)，在操作過程中，由于對六自由度并聯(lián)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)精確度要求較高（因?yàn)橹挥刑岣哌\(yùn)動(dòng)控制的精確度，才能保證鋼帶和連桿各司其職，互不干涉，保證機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性），需要進(jìn)一步提高并聯(lián)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制卡和伺服電機(jī)閉環(huán)裝置控制的精確度。此外，并聯(lián)機(jī)器人傳動(dòng)裝置材料和設(shè)計(jì)的特殊性，會(huì)對機(jī)器人運(yùn)動(dòng)進(jìn)程帶來一定的誤差，因?yàn)椴⒙?lián)機(jī)器人傳動(dòng)裝置為鋼制材料，鋼帶在纏繞卷筒外層的過程中，因鋼帶的硬度和厚度導(dǎo)致卷筒會(huì)發(fā)生微小的變形，進(jìn)而影響鋼帶運(yùn)動(dòng)長度數(shù)據(jù)參數(shù)的精度。因此，如何設(shè)計(jì)機(jī)器人傳動(dòng)鋼帶嚴(yán)格附著在卷筒上，對鋼帶結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提出了很高的要求，同時(shí)，還要對鋼帶的設(shè)計(jì)長度與運(yùn)動(dòng)的實(shí)際長度進(jìn)行嚴(yán)格計(jì)算，消除相應(yīng)的位置誤差。

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