智能機(jī)器人控制HIFU的插補(bǔ)算法研究

陳鋼++藺靜茹++穆衛(wèi)鋒++譚嘉文

摘 要

隨著現(xiàn)代智能科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代智能機(jī)器人的設(shè)計(jì)更加趨向現(xiàn)代化，高強(qiáng)度聚焦超聲串并聯(lián)機(jī)器人具有的獨(dú)特結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，采用的HIFU插算法及補(bǔ)算法相結(jié)合，從而滿足智能機(jī)器人的電機(jī)軸動態(tài)性能條件。本文主要分析智能機(jī)器人的結(jié)構(gòu)，并分析HIFU的插補(bǔ)算法。

【關(guān)鍵詞】智能機(jī)器人 HIFU 插補(bǔ)算法控制

智能機(jī)器人是通過串聯(lián)結(jié)構(gòu)和并聯(lián)結(jié)構(gòu)的相互結(jié)合而形成的智能化程序，通過插補(bǔ)算法和傳統(tǒng)的運(yùn)算方式，來控制機(jī)器人的行為規(guī)范。通過插補(bǔ)算法的方式相對于傳統(tǒng)的算法來說，增加了并聯(lián)部分的在線反解計(jì)算，相應(yīng)的對其串聯(lián)機(jī)構(gòu)進(jìn)行協(xié)調(diào)運(yùn)動，同時(shí)能夠加強(qiáng)非線性的精度變化測算。

1 智能機(jī)器人的基本運(yùn)算結(jié)構(gòu)

根據(jù)圖1來看，HIFU控制智能機(jī)器人的基本結(jié)構(gòu)分為兩個(gè)部分，上半部分主要是工作平臺，通過安裝底座的十字工作臺支撐架來固定。在由步進(jìn)電機(jī)和絲杠螺母共同組成的移動裝置，來帶動工作床面的移動，同時(shí)還能夠定位病灶。而下半部分則是由動平臺、超聲換能器以及支撐桿等幾個(gè)祖墳組成，通過支撐桿將三個(gè)球面連接起來，同樣的支持干長度，一端連接銷軸，一端連接滑臺，從而組成三個(gè)轉(zhuǎn)東副。在三個(gè)支撐桿中，銷軸都是垂直于支撐桿的。

在智能機(jī)器人的底座上，同樣有三根立柱，通過立柱將移動副進(jìn)行固定安裝，絲桿的軸線方向垂直。這樣的機(jī)器人結(jié)構(gòu)空間較小，擺動的角度小于20度，在十字工作臺上，x軸和y軸的行程都相對較小，其靜平臺外接圓的半徑長度不超過162mm，定桿長度不超過300mm，其中HIFU的中心垂直高度在205mm左右。

2 智能機(jī)器人HIFU控制的插補(bǔ)算法

在智能機(jī)器人的結(jié)構(gòu)分析中，我們可以看到，智能機(jī)器人的并聯(lián)結(jié)構(gòu)有著虛

實(shí)映射的問題，所以在操作過程需要將離散點(diǎn)進(jìn)行勻速運(yùn)動，在映射中，將變成在關(guān)節(jié)空間中的變速運(yùn)動。通過PMAC運(yùn)動插補(bǔ)算法進(jìn)行計(jì)算，根據(jù)笛卡爾坐標(biāo)定義進(jìn)行開發(fā)，而不是直接通過操作空間的刀具軌跡實(shí)現(xiàn)運(yùn)動控制。同時(shí)在運(yùn)算過程中，通過二次插補(bǔ)算法，上下位計(jì)算機(jī)在操作中完成進(jìn)一步的精細(xì)算法。

在算法中，第一次粗插補(bǔ)是由工控機(jī)實(shí)現(xiàn)，具有具體的任務(wù)，通過運(yùn)動指令的解釋翻譯，軌跡段位置有離散處理，或者瞬間進(jìn)行的速度插補(bǔ)。在這次算法中，一般會使用時(shí)間分割線，在某一個(gè)時(shí)間周期內(nèi)，通過定時(shí)中斷，計(jì)算目標(biāo)軌跡的坐標(biāo)軸增量，同時(shí)也叫做數(shù)據(jù)采樣的位置控制。第二次算法是精插補(bǔ)，面向電機(jī)軸，通過PMAC來完成，主要是對位置進(jìn)行控制，在電機(jī)加速或者減速過程中進(jìn)行安全運(yùn)行。

在此次運(yùn)動中，PMAC控制卡提供了三種不同的插補(bǔ)方式，其中直線插補(bǔ)是最基礎(chǔ)的部分，處理方式相對來說比較簡單，通過起點(diǎn)終點(diǎn)以及速度的限制，提供直線插補(bǔ)具有s曲線加速，以及梯形加速直線插補(bǔ)，在指令之間具有運(yùn)動融合功能。在運(yùn)動指令的序列中，可以通過讀取兩三行指令，在節(jié)點(diǎn)的位置進(jìn)行加速或者減速的處理，從而減少沖擊，提高平均速度。一般來說，直線插補(bǔ)是利用g01的指令，通過圓弧插補(bǔ)，順時(shí)針和逆時(shí)針兩種方向；第二，是樣條插補(bǔ)的方式，通過樣條插補(bǔ)的抓取控制，保障智能機(jī)器人的速度和加速度具有連續(xù)性，同時(shí)還能接觸一定的沖擊，保證指令的節(jié)點(diǎn)位置相對較低，保障位置的精度。通過樣條插補(bǔ)的方式，在各個(gè)節(jié)點(diǎn)位置的加速度不連續(xù)性得到解決，不同程度的沖擊緩解也得到處理，盡可能的控制由于加速福超過電機(jī)的限制而造成的風(fēng)險(xiǎn)，或者是位置和時(shí)間曲線的畸形。在電機(jī)的可限制條件下，要注意系統(tǒng)中的插補(bǔ)算方式，利用其中哪個(gè)方式來進(jìn)行運(yùn)算。

特別是在加速度的控制中，需要運(yùn)用插補(bǔ)算法控制整個(gè)系統(tǒng)以及驅(qū)動系統(tǒng)的慣性，保障其速度的勻速，不發(fā)生沖擊或者振動等問題，盡可能減少動態(tài)誤差，保障其焦點(diǎn)的精度，并減少電機(jī)軸中加速度超限的情況，通過對原來的設(shè)計(jì)軌跡進(jìn)行加速處理，在不同的位置實(shí)現(xiàn)精確運(yùn)算，在加速度之前，或者在減速之后。一般來說，在加減速處前的處理方式，是在操作空間中進(jìn)行的，通過軌跡較大的改變，包括對突變或者超速等問題，要對離散點(diǎn)進(jìn)行速度曲線的限制，完成指數(shù)形式的加速或者減速，這時(shí)候，插補(bǔ)的方式進(jìn)行修正。如圖2所示。

而加減速后的插補(bǔ)運(yùn)算則是在關(guān)節(jié)空間中進(jìn)行的，通過映射為關(guān)節(jié)中的序列號，從而完成速度的均勻控制。前一種運(yùn)算又是主要是對運(yùn)動軌跡的輪廓不會造成較大的影響，而缺點(diǎn)則是需要對加速或者減速的參數(shù)進(jìn)行精確的計(jì)算。后第二種運(yùn)算的主要有點(diǎn)則剛好相反，在智能機(jī)器人中，需要輸入和輸出復(fù)雜的非線性映射，采用改種方式進(jìn)行運(yùn)算的時(shí)候，焦點(diǎn)的運(yùn)動情況相對來說比較復(fù)雜。通過精確的分析，保障其運(yùn)動軌跡的合理性，同時(shí)有效控制速度。一般來說，PMAC具有相應(yīng)的加減速功能，能夠相應(yīng)的完成加減速的插補(bǔ)運(yùn)算，對用戶保持透明性，但是不對其進(jìn)行任何的干預(yù)。

在HIFU插補(bǔ)算法中，其中比較重要的是對插補(bǔ)前的時(shí)間常數(shù)以及周期的選擇。插補(bǔ)節(jié)點(diǎn)之間的加速度極有可能造成跳變和超越的情況，通過插補(bǔ)運(yùn)算，在智能機(jī)器人的HIFU焦點(diǎn)軌跡上進(jìn)行插補(bǔ)，加大可能的消除指令軌跡的突變，并保障整個(gè)軌跡在各種速度和加速度上的參數(shù)不超過限制，采用合適的做法，用指數(shù)形式以及插補(bǔ)加減速原則，同時(shí)使用精插補(bǔ)的方式，保障其速度正常。

一般來說，加速度的常熟直接取決于智能機(jī)器人中的電機(jī)軸行程指標(biāo)，而其最高的運(yùn)行速度一般不會超過5kHz，電機(jī)中的最高加速度的自安置為80kHz，因而在電機(jī)伺服系統(tǒng)中，有可能存在低頻振動的問題，但是由于串并聯(lián)的運(yùn)行速度區(qū)間，發(fā)改了電機(jī)的動態(tài)范圍，因而需要通過電機(jī)來進(jìn)行問題的解決。同時(shí)在實(shí)際的處理過程中，還需要對電機(jī)軸的速度進(jìn)行必要的限制。

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作者單位

浙江大學(xué)深圳研究院 廣東省深圳市 518000