兩自由度并聯機械手控制系統設計

王亞娟　李志

摘 要：主要對兩自由度并聯機械手控制系統進行了研究和設計，針對簡化后的機械機構，完成了控制系統的整體框架及硬件總體架構的設計，并對運動控制單元及伺服驅動單元進行選配和設置，系統控制器選用了運動控制 CPU，完成對各連桿坐標系及對應參數的確定，通過變換坐標系建立求解方程組（遵循相等矩陣對應元素分別相等的原則），實現機械手運動學逆解的獲取，在此基礎上通過幾何法的應用即可實現運動學方程組簡單快速的建立，從而獲取機械手運動學正解實現對機械手的控制過程，實現了機械手的有效控制及平穩運行過程。

關鍵詞： 機械手; 兩自由度; 并聯機構; 軌跡控制; 同步控制

中圖分類號： TG 409

文獻標志碼： A

Abstract： This paper mainly studies and designs the two-degree-of-freedom parallel manipulator control system. For the simplified mechanical mechanism， the overall framework of the control system and the overall hardware architecture are designed， and the motion control unit and servo drive unit are selected. The system controller selects the motion control CPU to complete the determination of the coordinate system and corresponding parameters of each link. The equations are solved by transforming the coordinate system （following the principle that the corresponding elements of the equal matrix are equal） to realize the kinematics of the robot. On the basis of the acquisition of the inverse solution， the application of the geometric method can realize the simple and rapid establishment of the kinematics equations， so as to obtain the positive solution of the kinematics of the manipulator to realize the control process of the manipulator， and realize the high-speed， precise and smooth operation of the manipulator.

Key words： two degrees of freedom; parallel mechanism; trajectory control; synchronous control

0 引言

同發展較為成熟的串聯機器人相比，并聯機械手（并聯機構機器人）研究開展較遲，并聯機械手具備動態性能好、負載能力強、誤差傳遞少及剛度大等優勢，已經成為機械手控制領域的研究熱點之一，現階段高速輕型的并聯機械手已經在眾多輕工業領域得以普遍應用（包括電子、食品、包裝等），研發滿足特定需求的機械手已成為目前重點研究方向之一，以期能夠在降低成本的同時提高承載重量、運動精度及控制質量。作為少自由度并聯機器人中的一種，兩個運動支鏈對并聯機械手的運動精度及穩定性（主要指末端執行器）進行共同控制，兩自由度并聯機械手通過兩個主動電機對兩個運動支鏈進行驅動，因此需主動電機具備較高的控制精度。

1 兩自由度并聯機械手工作原理

兩自由度并聯機械手的主要構成部分為伺服電機、主動臂、從動臂（各一對），此外還有平衡桿（2支）和托盤（1個），控制系統主要構成部分為機械臂、控制器、伺服驅動器及伺服電機，靜平臺通過該機械手控制系統可同機架始終保持固定狀態，當在平面的平動盤處于運動狀態時，伺服電機（連接于主動臂始端）開始對2條運動鏈進行驅動，完成對機械手運動的共同操作過程。需對機械手目標運動軌跡曲線在虛軸（x，y）中（實際空間）進行預先規劃，并在在虛軸中結合使用包括直線、圓弧、多項式等形式在內的插補指令完成對該目標運動軌跡曲線的確定，將當前機械手在虛軸中的坐標（x，y）（插補指令每個時刻的輸出）作為運動學反解算法的輸入，兩個伺服電機轉角（θ1，θ2）即為對應機械手的實軸坐標，通過相關運算即可得出此時的實軸坐標，將這兩個角度向機械臂的兩個電機實時傳送，電機據此完成同步的協調運行，從而實現對機械手運動過程的有效控制[1]。

2 兩自由度并聯機械手控制系統設計

以給定程序、軌跡與要求為依據機械手（屬于自動化裝置的一種）可實現對人手部分動作的有效模仿，完成自動抓取、搬運或操作過程，目前機械手控制系統的電機控制實時性不足，存在輸入輸出同步性差、算法流程較為復雜等不足，而在控制的實時性上并聯機械手具備較大的優勢，本文在現有研究的基礎上完成了采用主周期任務控制方式的兩自由度并聯機械手控制系統的設計，該系統基于運動控制器317TPLC，通過精簡控制算法實現對機械手實時、精確的控制。

2.1 系統架構設計

本文兩自由度并聯機械手系統分為監控層和控制層，主要由PLC、工控機、觸摸屏、編碼器、伺服驅動器、同步交流電機等構成，系統架構，如圖1所示。

編寫控制程序和監控功能則通過PC實現，其中監控層（包括工控機和觸摸屏）的主要功能在于監控機械手運行情況。控制層（以PLC為主），用戶需先根據實際需要完成程序的編寫（在工控機里）及到 PLC的下載，在此基礎上完成PLC對伺服驅動的有效控制（同步運行的協調具體通過控制兩個伺服電機實現）。本文選用運動控制 CPU作為系統控制器（西門子317T），包含多種運動控制功能（直線、圓弧插補等），執行位進行操作時工作循環時間不超過0.05μs，可有效滿足兩自由度并聯機械手對控制過程在速度、精確度、穩定性方面的需求;選用具備全閉環控制回路的SINAMICS作為系統的伺服驅動器，具有快速電流限制（FCL）功能，該伺服驅動器可實現精確定位，對于剛性較低的系統也可實現加速/減速狀態下振動情況的有效抑制。采用在功率密度、動態響應等方面具備較大優勢的西門子1FK7作為伺服電機。通過MPI總線方式的使用完成PC機、317T控制器和觸摸屏間的通信過程，伺服驅動器和控制器間則通過運動控制專用總線（PROFIBUS-DP-DRIVE）實現連接過程，伺服電機通過專用電纜實現同伺服驅動器的有效連接，從而實現系統的通信過程。

兩自由度并聯機械手在執行具體任務時，用戶先將預先設定的參數通過HMI輸入到系統，再由PLC完成參數到計算模型中所需數據格式的轉換，然后以控制目標的位置及運動方式為依據，完成軌跡規劃（從開始位置到終止位置），根據運動軌跡位置數據的插值完成逆運動學求解過程，在此基礎上獲取各掃描周期內PLC的運動量;在PLC據此完成包括輸出邏輯控制變量、爪手到位及檢測故障信號等在內的相關輔助動作的基礎上，通過通訊總線（Mechatrolink-II）向伺服驅動器實時傳輸這些運動量，將接收到的電機運轉脈沖指令由伺服驅動器完成到電量并驅動電機運轉的轉換。同時，驅動器在對指令值進行插補時以絕對編碼器的反饋位置為依據（在控制周期內）對伺服電機進行精確定位，機械手運動控制流程[2]，如圖2所示。

2.2 運動控制單元及伺服驅動單元選型

兩軸高速協調同步運動主要通過相位控制（由運動控制器完成）及直線插值功能的結合使用實現，控制系統的控制核心（包括數據轉換、軌跡規劃及位置插補、位置速度逆解和正解等）選用使用Mechatrolink-II通訊的PLC MP2300S控制器（屬于插槽式多功能集成型，數據傳送周期可達到125 μs），主要功能在于實現機械手同人機界面的實時數據交互、邏輯控制、系統故障檢測及實時監控等功能，傳送速度可達到10 Mbps，控制器本體最多可對32根軸同步控制，能夠對多達16根軸（21個站）進行高速同步控制，具有4種相位控制模式（包括同步、轉矩、速度及位置方面的控制），可實現多種插補功能（包括直線、圓弧及螺旋等）。PLC通過緩沖區（4 k大小）的設定，使末端多段軌跡路徑的連續運動得以有效實現，在循環隊列對應的命令緩沖區內存放用戶所需的部分運動指令參數，PLC執行緩沖區中的運動指令，同時根據實際需要向緩沖區存放運動指令，以便獲取機械手較好的運動特性，從而在顯著提高通訊效率的同時，使對控制器的實時性要求得以有效滿足[3]。

本文使用具有閉環控制優勢的S -7系列交流伺服電機（日本Yaskawa）作為伺服驅動單元（包括伺服電機和驅動器，可涵蓋機械的剛性不足），具備較好的共振抑制功能（有效避免低速時振動現象的出現）及頻率解析機能（FFT），具有速度過載和轉矩過載能力，速度頻率響應高達3.1 kHz，實現機械共振點的有效檢測以及對裝置末端的低頻振動的有效抑制，使系統穩定性得以有效提升。此外，通過將溫度傳感器配置于該伺服系統中可實現PLC對系統溫度狀態的實時監控，避免溫度異常對控制系統精準度產生不良影響。可達到額定轉矩三倍的最大轉矩能夠有效克服慣性負載的慣性力矩（在啟動瞬間產生），通過高分辨率編碼器（24位）的使用可將停止時振動控制在[-10 nm，10 nm]范圍內，伺服驅動器對反饋信號（來自電機絕對編碼器）進行直接采樣，有效避免了步進電機過沖或丟步現象的出現，使機械手運動過程更加準確可靠[4]。

3 系統軟件設計

3.1 PLC 軟件設計

機械手兩驅動電機間通過線性多段插值功能（PLC相位控制）的運用確保高效精確協調運動過程的實現，控制流程，如圖3所示。

3.3 人機界面設計

本文以機械臂控制系統對實際監控功能的需求為依據，在設計監控軟件時使用了WinCC 監控程序，兩自由度并聯機械手控制系統結構的人機界面，如圖5所示。

主要構成為：主界面，可實時觀測到機械手位置，負責對電機左右抱閘、伺服鎖定過程的控制，運用指示燈指示不同狀態;自動控制界面，由實現機械手自動運行的相關按鍵組成，同時可對自動運行過程中相關位置坐標（包括A、B點）、循環次數、運動速度等參數進行設置;手動控制界面，包括4個方向、指定位置的移動等;報警界面，通過指示燈對不同方向上（上、下、左、右4個方向）的越限報警及軸錯誤進行指示，發出越限報警時可通過系統清除錯誤并回歸初始位置[9]。

4 總結

快速發展的機械手控制系統為實現自動化控制提供了支撐，基于PLC的機械手控制系統具備成本低、工作效率高等優勢，但存在電機控制實時性差等不足，為彌補傳統基于PLC的機械手控制系統的不足，在分析兩自由度并聯機械手基本結構及工作原理的基礎上，本文的兩自由度并聯機械手控制系統主要通過運動控制器317T的使用完成了具體設計過程，詳細闡述了系統的總體架構、硬件構成及軟件主程序流程的設計和實現方案，對機械手通過數學模型的建立完成分析過程，使控制系統的控制精度、實時性及穩定性等得以顯著提升。

參考文獻

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（收稿日期： 2019.08.25）