摘 要:在自主研制的新型五自由度并聯機器人的基礎上, 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硬件部分, 應用ADAMS 軟件求解了機構的位置反解曲線, 利用C++語言編寫了機器人系統的控制軟件, 實現了并聯機構連續軌跡運動。實驗結果驗證了本并聯機構及其控制系統的可行性。

關鍵詞: 并聯機構; 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

并聯機構是由多個并行鏈構成的閉環機械系統。相對于串聯機構, 由于它的驅動設備安裝在固定地點, 位置而不隨末端執行點的運動而改變, 由此可帶來高速、高精度的運動。并聯機構具有剛度大、無關節誤差積累和放大、位置反解容易等優點, 與串聯機構在應用上形成了互補關系。目前, 對并聯機器人研究較多的是6 自由度（6DOF） 并聯機器人, 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 自由度的并聯機器人被稱為少自由度并聯機器人。少自由度并聯機器人由于其驅動元件少、造價低、結構緊湊而有較高的實用價值。

在研發的5 自由度并聯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 總線數據采集卡為硬件基礎,利用VC++6.0 設計機器人控制界面, 實現該機構的連續軌跡運動。

2 新型五自由度并聯機器人機構原理

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

其中, 在機器人系統中, 四根電動推桿L1～L4 和中間的轉動副（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 及轉角。工作時控制驅動關節使工件在三維空間進行移動或轉動, 從而實現了動平臺的運動。

3 控制系統的硬件組成

并聯機構的控制系統組成如圖2 所示, 該系統由微機、PCI總線測控卡、無刷直流電機及其驅動器、位移傳感器等組成。

以微機作為處主理器, 實現控制運算, 以時間中斷方式向控制卡接收和發送控制信號, 中斷的最小時間間隔為1ms。控制卡具有5 è·¯D/A 輸出, 16 è·¯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角的位置, 運算后向電機驅動器發送轉速、轉向和電機運行狀態信號, 從而控制各個位移量。控制系統驅動使用的電機為永磁無刷直流電機, 該電機可以無級調速, 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。電機及其驅動器與測控板之間的連接方法如圖3 所示。驅動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;反之則逆時針方向運轉, 約定為反轉.為避免驅動器的損壞應避免在電機運行時進行運轉方向控制。驅動器通過端子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（尤其是系統慣量） 的影響。

4 動平臺運動軌跡的規劃

本并聯機構在實際控制時使用的軌跡參數是在ADAMS 環境中仿真獲取的。部分仿真數據結果如圖4 所示。ADAMS 軟件使用交互式圖形環境和零件庫、約束庫、力庫, 創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力學理論中的拉格郎日方程方法, 建立系統動力學方程, 對虛擬機械系統進行靜力學、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 控制系統的軟件設計

在Windows 環境中, 采用Visual C++設計控制程序。位移量l1 的閉環控制見圖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 為中斷時間間隔。中斷處理函數的流程見圖6。因為并聯機構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的安全。為了使并聯機構的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。聯機構的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。

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 的大小調節動平臺的運動速度。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, 電機驅動器F/R 端為高電平, 即電機正轉當e（KT）<0 時, 電機驅動器F/R 端為低電平, 即電機反轉, 此條件為閉環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器的轉速端子“AVI”, 調節無刷直流電機的轉速。

6 控制系統的實驗驗證

在實驗過程中, 首先調節并聯機構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°æ—‹è½‰, 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, 使動平臺重復往返運動。在此過程中, 并聯機構運行平穩, 動平臺運動軌跡重復性較好。

7 結束語

以無刷直流電機為驅動部件, 微機為處理器, PCI 總線測控卡作為數據接口構建了系統的硬件部分。使用C++語言編寫了控制軟件。利用ADAMS 軟件求解并聯機構的位置反解曲線, 并應用到實驗中。

實驗結果表明:

（1）由于無刷直流電機的驅動能力較強, 提高了系統的響應及運行性能。

（2）并聯機構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.