關(guān)于六自由度并聯(lián)機器人運動控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計

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

關(guān)鍵詞：六自由度；并聯(lián)機器人；運動控制系統(tǒng)；結(jié)構(gòu)分析

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

1 六自由度并聯(lián)機器人的構(gòu)造

六自由度并聯(lián)機器人作為現(xiàn)代工業(yè)自動化技術(shù)發(fā)展的代表，主要結(jié)構(gòu)包括床身、連桿和運動平臺等幾個部分。其中運動平臺與六個連桿相聯(lián)接，每個連桿各自聯(lián)接一個由虎克材料制成的滑塊，這些滑塊又與滾珠絲杠相連，在電機的驅(qū)動下可以帶動滑塊沿滾珠運動，進而帶動連桿有規(guī)則的運動，從而改變平臺的運動方向。通過在運動平臺上安裝不同的機械，可以有效滿足不同工作的需求。在六根連桿工作程序中，每根連桿都由一臺電機進行控制驅(qū)動來保證連桿運動的獨立性，因此，可以實現(xiàn)六自由度的機器控制運動。

2 六自由度并聯(lián)機器人運動控制系統(tǒng)工作原理與結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 并聯(lián)機器人運動控制系統(tǒng)的工作原理

六自由度并聯(lián)機器人運動控制系統(tǒng)主要由工控機、運動控制卡、伺服放大器、資料數(shù)據(jù)收集處理平臺等系統(tǒng)組成。在機器人工作過程中，工控機借助一定的程序指令對運動控制卡發(fā)出命令，運動控制卡將六路脈沖同時發(fā)向六套伺服放大器，在脈沖命令的指引下，這些放大器做出進一步運動，進而帶動機器人平臺進行運動。同時，伺服放大器將運動中形成的信號數(shù)據(jù)傳回到運動控制卡，進而完成一個全閉環(huán)式反饋控制運動。在運動過程中，可以通過Lab系統(tǒng)對并聯(lián)機器人的振動特性、相關(guān)數(shù)據(jù)進行實驗分析，進而研究并聯(lián)機器人的結(jié)構(gòu)、尺寸等對其運動和工作的影響。

2.2 并聯(lián)機器人運動控制系統(tǒng)核心部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.2.1 運動控制卡

六自由度并聯(lián)機器人運動控制系統(tǒng)的核心部件為運動控制卡，該運動控制卡通過PIC高速通信線路作為獨立的控制器提供運動控制功能。用于并聯(lián)機器人運動控制系統(tǒng)的控制卡，其最大輸入功率為20馬赫。根據(jù)功能需要，運動控制卡內(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)機器人運動過程的整體控制。

2.2.2 SPI運動處理器單元

在運動控制器的硬件結(jié)構(gòu)中，核心部件為SPI運動處理器單元，功能強大，可以處理大部分的控制器任務(wù)。SPI為運動控制器中的伺服電機處理器，該部件可以處理適時性任務(wù)，每個SPI可以控制兩個高性能軸，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動控制卡中的固定存儲器的數(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)測動作做出明確規(guī)定。比如，精確的動作序列，輸入與輸出指令的激活、人機交互等。

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)機器人整個運動控制系統(tǒng)中占有重要地位。主要包括以下幾部分。一是主機程序。該程序主要有D或其他程序語言編寫完成，用于主機與控制面板之間的通信聯(lián)絡(luò)。主機程序可以通過控制卡的任何信號通道，如太網(wǎng)、FPIF等進行連接。通過主機程序，可以向運動控制卡發(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運動控制卡研制開發(fā)的強大的程序語言。經(jīng)過程序處理，可以將ACSPK命令作為AC-SPW的應(yīng)用程序下載到運動控制卡內(nèi)。運動控制卡上有多個位置可以安裝AC-SPW程序，在執(zhí)行任務(wù)命令的過程中，只要嚴格按照程序運行就不會出現(xiàn)信號通信延誤的情況。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)機器人運動控制系統(tǒng)中的一個標準部分，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)的不同對該程序進行適時修改，使之成為應(yīng)用程序的一部分。

3 并聯(lián)機器人運動控制系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)問題

六自由度并聯(lián)機器人具有質(zhì)量輕盈、慣性較小的特點，因此，在并聯(lián)機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，對機器人運動狀態(tài)的穩(wěn)定性造成一定影響。為有效解決并聯(lián)機器人高速運動振動較大，狀態(tài)不穩(wěn)的現(xiàn)象，科研人員應(yīng)對機器人運動狀態(tài)的穩(wěn)定性進行深入細致研究。可以借助Lab系統(tǒng)對運動過程中的相關(guān)參數(shù)數(shù)據(jù)進行測試，特別是加速度、驅(qū)動器控制系統(tǒng)、振動頻率等進行分析，確定和優(yōu)化具體參數(shù)范圍，消除機器人運動過程中的振動現(xiàn)象。同時，在操作過程中，由于對六自由度并聯(lián)機器人的運動精確度要求較高（因為只有提高運動控制的精確度，才能保證鋼帶和連桿各司其職，互不干涉，保證機器人運動的穩(wěn)定性），需要進一步提高并聯(lián)機器人的運動控制卡和伺服電機閉環(huán)裝置控制的精確度。此外，并聯(lián)機器人傳動裝置材料和設(shè)計的特殊性，會對機器人運動進程帶來一定的誤差，因為并聯(lián)機器人傳動裝置為鋼制材料，鋼帶在纏繞卷筒外層的過程中，因鋼帶的硬度和厚度導(dǎo)致卷筒會發(fā)生微小的變形，進而影響鋼帶運動長度數(shù)據(jù)參數(shù)的精度。因此，如何設(shè)計機器人傳動鋼帶嚴格附著在卷筒上，對鋼帶結(jié)構(gòu)的設(shè)計提出了很高的要求，同時，還要對鋼帶的設(shè)計長度與運動的實際長度進行嚴格計算，消除相應(yīng)的位置誤差。

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