繩牽引并聯(lián)機(jī)器人的關(guān)節(jié)柔順控制研究

龔定偉++梁艷陽++劉宏偉

摘要：繩牽引并聯(lián)機(jī)器人作為一種新型并聯(lián)機(jī)構(gòu)，其理論研究已經(jīng)日趨成熟，然而其實際運用還相對較少。為研究其關(guān)節(jié)柔順控制，設(shè)計并搭建了三平移自由度的繩牽引并聯(lián)機(jī)器人的實體模型。利用牛頓歐拉法建立其動力學(xué)模型，借助力反饋和PID控制算法對關(guān)節(jié)進(jìn)行柔順控制，通過多次力控實驗，來分析PID算法對機(jī)器人關(guān)節(jié)的柔順控制效果。

關(guān)鍵詞：繩牽引；并聯(lián)機(jī)器人；柔順控制；力反饋

中圖分類號：TP242 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2016）09-0246-04

Research on the Joint Compliance Control of Cable-Driven Parallel Robot

GONG Ding-wei， LIANG Yan-yang， LIU Hong-wei

（Robot Technology Used for Special Environment Key Laboratory of Sichuan Province， Southwest University of Science and Technology， Mianyang 621010， China）

Abstract： Cable-driven parallel robot is a new type of parallel mechanism. Its theoretical research has been mature day by day， but the application is less. In order to study the joint compliance control， the entity model of 3T cable-driven parallel robot is designed and built. Newton Euler method is used to establish its dynamic model. Force feedback and PID control algorithm are applied to the joint of compliant control. By repeated force-controlled experiments ， the effect of the joint compliant control by PID algorithm is analyzed.

Key words： cable-driven； parallel robots； compliance control； force feedback

機(jī)器人技術(shù)的問世無疑又是人類工業(yè)歷史的一次革命，該技術(shù)的發(fā)展給社會帶來了巨變。在串聯(lián)機(jī)器人蓬勃發(fā)展的時候，出現(xiàn)了一類全新的機(jī)器人——并聯(lián)機(jī)器人。并聯(lián)機(jī)器人作為串聯(lián)式機(jī)器人強(qiáng)有力的補(bǔ)充，引起機(jī)器人學(xué)理論界和工程界的廣泛關(guān)注，成為機(jī)器人研究的熱點之一。經(jīng)過數(shù)十年的探索，并聯(lián)機(jī)器人的研究已從基礎(chǔ)理論工作逐漸地過渡到實踐應(yīng)用中。相對于串聯(lián)機(jī)器人，并聯(lián)機(jī)器人具有以下優(yōu)點：剛度大；結(jié)構(gòu)穩(wěn)定；承載能力強(qiáng)；精度高；運動慣性??；在位置求解上，串聯(lián)機(jī)構(gòu)正解容易，逆解困難，而并聯(lián)機(jī)構(gòu)正解困難，逆解容易。由于并聯(lián)機(jī)器人的在線實時計算是要求計算逆解，這對串聯(lián)機(jī)構(gòu)十分困難，而并聯(lián)機(jī)構(gòu)卻容易實現(xiàn)。并聯(lián)機(jī)器人在很大程度上彌補(bǔ)了串聯(lián)機(jī)器人的不足，因而擴(kuò)大了整個機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域[1]。繩牽引并聯(lián)機(jī)器人[2]是繼串聯(lián)機(jī)器人和并聯(lián)機(jī)器人之后出現(xiàn)的一種新型機(jī)器人機(jī)構(gòu)，它用柔索代替并聯(lián)機(jī)器人中的剛體連桿，具有結(jié)構(gòu)簡單、工作空間大、可重構(gòu)性強(qiáng)、慣性小和運動速度、響應(yīng)速度快等優(yōu)點[3，4] 。

隨著機(jī)器人的多樣化，其控制方式也多種多樣，人們可以按照需求給機(jī)器人編寫程序，設(shè)定功能。其中機(jī)器人的主動柔順控制[5] 技術(shù)是新興智能制造中的一項關(guān)鍵技術(shù)，也是柔性裝配自動化中的難點之一。它集傳感器、計算機(jī)、機(jī)械、電子、力學(xué)和自動控制等眾多學(xué)科于一身，其理論研究和技術(shù)實現(xiàn)都面臨著不少急待解決的難題。它的研究成果不僅具有很強(qiáng)的理論意義，還有利于相關(guān)技術(shù)的突破和革新。

繩牽引并聯(lián)機(jī)器人具有諸多優(yōu)點，同時也具有很強(qiáng)的實用性。若能將繩牽引并聯(lián)機(jī)器人與主動柔順控制技術(shù)相結(jié)合，那么便能使繩牽引并聯(lián)機(jī)器人更好地服務(wù)于社會。因此，本文針對三平移自由度繩牽引并聯(lián)機(jī)器人的關(guān)節(jié)柔順控制技術(shù)展開研究。

1 繩牽引并聯(lián)機(jī)構(gòu)模型

對于繩牽引并聯(lián)機(jī)器人而言，不同的用途它的結(jié)構(gòu)設(shè)計[6] 就有差異。本文所研究的機(jī)器人是具有三個平移自由度的機(jī)器人[7] ，因此設(shè)計的結(jié)構(gòu)也有所不同。

三自由度繩牽引并聯(lián)機(jī)器人的實體模型是進(jìn)行各項理論分析，完成各種張力試驗的基礎(chǔ)。因此必須通過對繩牽引并聯(lián)機(jī)器人結(jié)構(gòu)的充分調(diào)研，才能設(shè)計出一種合適的三平移自由度的繩牽引并聯(lián)機(jī)器人的三維模型，再通過仿真分析其受力情況，若能滿足要求再進(jìn)行機(jī)械加工，組建該繩牽引機(jī)器人的實體模型。該繩牽引并聯(lián)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1、圖2、圖3所示。

該機(jī)器人結(jié)構(gòu)主要包括基礎(chǔ)設(shè)施、末端器、柔索驅(qū)動單元等。系統(tǒng)共有四個柔索驅(qū)動單元，每一個柔索驅(qū)動單元都包括電機(jī)、導(dǎo)線滑輪、繞線滾筒等?；A(chǔ)設(shè)施包括柔索、立柱及滑輪等；系統(tǒng)的末端器可以根據(jù)具體應(yīng)用改變，可以是傳感器或靈巧的操作裝置等。如圖1所示，每根柔索連接一個驅(qū)動單元和末端器，通過驅(qū)動單元來控制柔索。通過驅(qū)動單元對柔索長度和張力的控制實現(xiàn)末端器的移動。圖2、圖3是驅(qū)動單元和立柱的放大示意圖。

在加工過程中，出現(xiàn)了許多問題如位置螺紋孔打反方向，尺寸偏大等，致使按照圖紙加工出來的產(chǎn)品沒有那么理想化。在經(jīng)過一次次的修改調(diào)整之后，三自由度繩牽引并聯(lián)機(jī)器人的實體模型已完全搭建如圖4。整個機(jī)器人的繞繩機(jī)構(gòu)如圖5是機(jī)器人的關(guān)鍵部分。如圖6是機(jī)器人力控實現(xiàn)的核心部件。