六自由度并聯(lián)機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

梁辰滔+楊慧斌+甘興文+張浩+張偉鵬+耿其純

摘要：六自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)是當(dāng)今機(jī)器人領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，從六自由度并聯(lián)機(jī)器人平臺(tái)硬件搭建與位置控制兩個(gè)部分，提出了一種六自由度并聯(lián)機(jī)器人控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，通過(guò)對(duì)其空間位置與運(yùn)動(dòng)進(jìn)行分析計(jì)算，同時(shí)結(jié)合限位開(kāi)關(guān)、編碼器等傳感器對(duì)其實(shí)際位置進(jìn)行實(shí)時(shí)反饋，最終實(shí)現(xiàn)機(jī)器人平臺(tái)系統(tǒng)的位姿控制。

關(guān)鍵詞：六自由度并聯(lián)機(jī)器人；空間位置；控制系統(tǒng)開(kāi)發(fā)；硬件搭建

中圖分類(lèi)號(hào)：TB

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

doi：10.19311/j.cnki.16723198.2017.11.093

0引言

并聯(lián)機(jī)構(gòu)機(jī)器人系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)緊湊、剛度大、無(wú)累積誤差、精度較高、動(dòng)態(tài)響應(yīng)好、承載能力大等諸多優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)在已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于醫(yī)療、航空航天、娛樂(lè)、物流、機(jī)床設(shè)計(jì)等領(lǐng)域。

本文以六自由度并聯(lián)機(jī)器人為例，從硬件平臺(tái)搭建入手，通過(guò)電氣線路規(guī)劃、控制設(shè)備布局到建立控制器與上位機(jī)通訊、空間位置運(yùn)動(dòng)計(jì)算等，設(shè)計(jì)出一種六自由度并聯(lián)機(jī)器人的控制系統(tǒng)整體方案。

1硬件系統(tǒng)搭建設(shè)計(jì)

1.1硬件系統(tǒng)介紹

1.1.1機(jī)器人系統(tǒng)平臺(tái)本體

本文所選用的六自由度機(jī)器人系統(tǒng)平臺(tái)本體為格吉機(jī)電科技有限公司PT-028型號(hào)的六自由度并聯(lián)機(jī)器人，如圖1所示。

其中下平臺(tái)為定平臺(tái)，固定在基座上，上平臺(tái)為動(dòng)平臺(tái)，平臺(tái)之間由六個(gè)電動(dòng)缸構(gòu)成的六個(gè)運(yùn)動(dòng)軸通過(guò)鉸鏈連接，上位機(jī)通過(guò)程序控制運(yùn)動(dòng)控制器，進(jìn)而控制伺服執(zhí)行系統(tǒng)，改變六個(gè)電動(dòng)缸的行程實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)平臺(tái)六自由度的運(yùn)動(dòng)。

1.1.2伺服執(zhí)行系統(tǒng)

伺服執(zhí)行系統(tǒng)由六組伺服電動(dòng)缸與伺服驅(qū)動(dòng)器組成，伺服執(zhí)行系統(tǒng)的功能是將控制器發(fā)出的控制信號(hào)進(jìn)行處理放大轉(zhuǎn)化為驅(qū)動(dòng)信號(hào)，執(zhí)行具體的控制動(dòng)作。

1.1.3運(yùn)動(dòng)控制器

由于六自由度機(jī)器人系統(tǒng)平臺(tái)需要同時(shí)控制六個(gè)軸的運(yùn)動(dòng)并處理來(lái)自限位開(kāi)關(guān)與編碼器的反饋信息，所以運(yùn)動(dòng)控制器需要強(qiáng)大的運(yùn)算與處理能力。在該設(shè)計(jì)中，運(yùn)動(dòng)控制器只要包括以下兩個(gè)方面的作用：

（1）伺服控制部分：現(xiàn)平臺(tái)系統(tǒng)的啟動(dòng)、停止，對(duì)六個(gè)電動(dòng)缸伺服電機(jī)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)控制、接收來(lái)自上位機(jī)的位姿控制信號(hào)、實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)與工作狀態(tài)。

（2）信號(hào)調(diào)整部分：完成測(cè)試信號(hào)與I/O信號(hào)、系統(tǒng)平臺(tái)中各感器信號(hào)與伺服驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)等信號(hào)調(diào)整。

1.1.4反饋系統(tǒng)

本系統(tǒng)平臺(tái)的反饋系統(tǒng)硬件部分包含編碼器與限位開(kāi)關(guān)，編碼器將伺服電機(jī)的狀態(tài)實(shí)時(shí)反饋給運(yùn)動(dòng)控制器，以掌握軸的實(shí)時(shí)位置；限位開(kāi)關(guān)主要將電動(dòng)缸正負(fù)極限位置反饋給運(yùn)動(dòng)控制器，進(jìn)行安全保護(hù)。系統(tǒng)平臺(tái)硬件配置如圖2所示。

1.2硬件系統(tǒng)電氣線路與布局設(shè)計(jì)

1.2.1硬件系統(tǒng)線路連接

這個(gè)部分主要包括六個(gè)伺服驅(qū)動(dòng)器與運(yùn)動(dòng)控制器之間建立連接，以及伺服驅(qū)動(dòng)器與伺服電機(jī)（軸）之間建立連接，運(yùn)動(dòng)控制器采用24V5A電源供電，伺服驅(qū)動(dòng)器采用220V三相電源供電，運(yùn)動(dòng)控制器通過(guò)Xn端口與伺服驅(qū)動(dòng)器CN1端口連接。

1.2.2控制柜布局及電氣圖

對(duì)控制柜內(nèi)布局進(jìn)行規(guī)劃與電氣接線安裝，如圖3所示。

2空間位置算法設(shè)計(jì)

2.1空間位置計(jì)算原理

首先以六自由度并聯(lián)機(jī)器人系統(tǒng)平臺(tái)6個(gè)電動(dòng)缸行程均為零，即系統(tǒng)平臺(tái)初始狀態(tài)時(shí)的上平臺(tái)中心為基準(zhǔn)，分別建立定空間直角坐標(biāo)系O0—X0Y0Z0、動(dòng)空間直角坐標(biāo)系O1—X1Y1Z1，同時(shí)設(shè)上平臺(tái)六個(gè)鉸鏈端點(diǎn)為P1i（i=1，2，…，6），下平臺(tái)六個(gè)鉸鏈端點(diǎn)為P0i（i=1，2，…，6），則P1i與P0i（i=1，2，…，6）在定坐標(biāo)系O0—X0Y0Z0中可以分別表示為P0i（x0i，y0i，z0i）與P1i（x1i，y1i，z1i）（i=1，2，…，6），以1mm作為單位長(zhǎng)度，坐標(biāo)系如圖4所示。

3整體思路

整體控制思路由兩個(gè)回路組成。

3.1運(yùn)動(dòng)控制回路

由上位機(jī)編寫(xiě)程序發(fā)出信號(hào)，運(yùn)動(dòng)控制器接收到該信號(hào)，將上位機(jī)控制信號(hào)轉(zhuǎn)化為可識(shí)別的指令傳遞到伺服驅(qū)動(dòng)器，經(jīng)過(guò)伺服驅(qū)動(dòng)器放大調(diào)整，將放大后的信號(hào)傳遞給伺服電機(jī)，伺服電機(jī)執(zhí)行命令，控制電動(dòng)缸的伸縮控制六個(gè)軸的長(zhǎng)度，進(jìn)而控制六自由度并聯(lián)機(jī)器人平臺(tái)的空間位姿表示。

3.2運(yùn)動(dòng)反饋回路

編碼器在伺服電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生信號(hào)，將該信號(hào)傳遞給運(yùn)動(dòng)控制器，運(yùn)動(dòng)控制器通過(guò)對(duì)比該實(shí)際信號(hào)與期望目標(biāo)之間的偏差，進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控與判斷，發(fā)出修正指令保證機(jī)器人系統(tǒng)平臺(tái)的安全動(dòng)作，調(diào)整誤差。

4結(jié)語(yǔ)

本文提出了一種六自由度并聯(lián)機(jī)器人控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，包括其本體介紹、平臺(tái)搭建、電氣連線等方面詳細(xì)描述了該系統(tǒng)的硬件配置，對(duì)其空間位置計(jì)算原理的分析以及計(jì)算方法的介紹，基本實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)平臺(tái)在工作空間內(nèi)的任意位置角度表示以及對(duì)應(yīng)的控制方案，通過(guò)硬件與軟件相結(jié)合的實(shí)時(shí)反饋系統(tǒng)，可以對(duì)機(jī)器人平臺(tái)進(jìn)行空間位置的監(jiān)控與修正，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人平臺(tái)較精確的位姿控制。若要進(jìn)一步提高其控制精度，則可以考慮對(duì)其進(jìn)一步進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)分析，研究并聯(lián)機(jī)器人平臺(tái)的速度、加速度、受力情況以及與運(yùn)動(dòng)有關(guān)的幾何參數(shù)、時(shí)間參數(shù)，通過(guò)動(dòng)力學(xué)建模進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析，推算出動(dòng)力學(xué)方程，進(jìn)而構(gòu)建較為精準(zhǔn)的系統(tǒng)控制器；另一方面可以對(duì)控制程序根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行優(yōu)化，加入仿真控制環(huán)節(jié)，減小實(shí)際控制中的誤差。

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