兩自由度并聯(lián)機(jī)械手控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王亞娟　李志

摘 要：主要對(duì)兩自由度并聯(lián)機(jī)械手控制系統(tǒng)進(jìn)行了研究和設(shè)計(jì)，針對(duì)簡(jiǎn)化后的機(jī)械機(jī)構(gòu)，完成了控制系統(tǒng)的整體框架及硬件總體架構(gòu)的設(shè)計(jì)，并對(duì)運(yùn)動(dòng)控制單元及伺服驅(qū)動(dòng)單元進(jìn)行選配和設(shè)置，系統(tǒng)控制器選用了運(yùn)動(dòng)控制 CPU，完成對(duì)各連桿坐標(biāo)系及對(duì)應(yīng)參數(shù)的確定，通過變換坐標(biāo)系建立求解方程組（遵循相等矩陣對(duì)應(yīng)元素分別相等的原則），實(shí)現(xiàn)機(jī)械手運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解的獲取，在此基礎(chǔ)上通過幾何法的應(yīng)用即可實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)學(xué)方程組簡(jiǎn)單快速的建立，從而獲取機(jī)械手運(yùn)動(dòng)學(xué)正解實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械手的控制過程，實(shí)現(xiàn)了機(jī)械手的有效控制及平穩(wěn)運(yùn)行過程。

關(guān)鍵詞： 機(jī)械手; 兩自由度; 并聯(lián)機(jī)構(gòu); 軌跡控制; 同步控制

中圖分類號(hào)： TG 409

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

Abstract： This paper mainly studies and designs the two-degree-of-freedom parallel manipulator control system. For the simplified mechanical mechanism， the overall framework of the control system and the overall hardware architecture are designed， and the motion control unit and servo drive unit are selected. The system controller selects the motion control CPU to complete the determination of the coordinate system and corresponding parameters of each link. The equations are solved by transforming the coordinate system （following the principle that the corresponding elements of the equal matrix are equal） to realize the kinematics of the robot. On the basis of the acquisition of the inverse solution， the application of the geometric method can realize the simple and rapid establishment of the kinematics equations， so as to obtain the positive solution of the kinematics of the manipulator to realize the control process of the manipulator， and realize the high-speed， precise and smooth operation of the manipulator.

Key words： two degrees of freedom; parallel mechanism; trajectory control; synchronous control

0 引言

同發(fā)展較為成熟的串聯(lián)機(jī)器人相比，并聯(lián)機(jī)械手（并聯(lián)機(jī)構(gòu)機(jī)器人）研究開展較遲，并聯(lián)機(jī)械手具備動(dòng)態(tài)性能好、負(fù)載能力強(qiáng)、誤差傳遞少及剛度大等優(yōu)勢(shì)，已經(jīng)成為機(jī)械手控制領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一，現(xiàn)階段高速輕型的并聯(lián)機(jī)械手已經(jīng)在眾多輕工業(yè)領(lǐng)域得以普遍應(yīng)用（包括電子、食品、包裝等），研發(fā)滿足特定需求的機(jī)械手已成為目前重點(diǎn)研究方向之一，以期能夠在降低成本的同時(shí)提高承載重量、運(yùn)動(dòng)精度及控制質(zhì)量。作為少自由度并聯(lián)機(jī)器人中的一種，兩個(gè)運(yùn)動(dòng)支鏈對(duì)并聯(lián)機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)精度及穩(wěn)定性（主要指末端執(zhí)行器）進(jìn)行共同控制，兩自由度并聯(lián)機(jī)械手通過兩個(gè)主動(dòng)電機(jī)對(duì)兩個(gè)運(yùn)動(dòng)支鏈進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，因此需主動(dòng)電機(jī)具備較高的控制精度。

1 兩自由度并聯(lián)機(jī)械手工作原理

兩自由度并聯(lián)機(jī)械手的主要構(gòu)成部分為伺服電機(jī)、主動(dòng)臂、從動(dòng)臂（各一對(duì)），此外還有平衡桿（2支）和托盤（1個(gè)），控制系統(tǒng)主要構(gòu)成部分為機(jī)械臂、控制器、伺服驅(qū)動(dòng)器及伺服電機(jī)，靜平臺(tái)通過該機(jī)械手控制系統(tǒng)可同機(jī)架始終保持固定狀態(tài)，當(dāng)在平面的平動(dòng)盤處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)時(shí)，伺服電機(jī)（連接于主動(dòng)臂始端）開始對(duì)2條運(yùn)動(dòng)鏈進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，完成對(duì)機(jī)械手運(yùn)動(dòng)的共同操作過程。需對(duì)機(jī)械手目標(biāo)運(yùn)動(dòng)軌跡曲線在虛軸（x，y）中（實(shí)際空間）進(jìn)行預(yù)先規(guī)劃，并在在虛軸中結(jié)合使用包括直線、圓弧、多項(xiàng)式等形式在內(nèi)的插補(bǔ)指令完成對(duì)該目標(biāo)運(yùn)動(dòng)軌跡曲線的確定，將當(dāng)前機(jī)械手在虛軸中的坐標(biāo)（x，y）（插補(bǔ)指令每個(gè)時(shí)刻的輸出）作為運(yùn)動(dòng)學(xué)反解算法的輸入，兩個(gè)伺服電機(jī)轉(zhuǎn)角（θ1，θ2）即為對(duì)應(yīng)機(jī)械手的實(shí)軸坐標(biāo)，通過相關(guān)運(yùn)算即可得出此時(shí)的實(shí)軸坐標(biāo)，將這兩個(gè)角度向機(jī)械臂的兩個(gè)電機(jī)實(shí)時(shí)傳送，電機(jī)據(jù)此完成同步的協(xié)調(diào)運(yùn)行，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械手運(yùn)動(dòng)過程的有效控制[1]。

2 兩自由度并聯(lián)機(jī)械手控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

以給定程序、軌跡與要求為依據(jù)機(jī)械手（屬于自動(dòng)化裝置的一種）可實(shí)現(xiàn)對(duì)人手部分動(dòng)作的有效模仿，完成自動(dòng)抓取、搬運(yùn)或操作過程，目前機(jī)械手控制系統(tǒng)的電機(jī)控制實(shí)時(shí)性不足，存在輸入輸出同步性差、算法流程較為復(fù)雜等不足，而在控制的實(shí)時(shí)性上并聯(lián)機(jī)械手具備較大的優(yōu)勢(shì)，本文在現(xiàn)有研究的基礎(chǔ)上完成了采用主周期任務(wù)控制方式的兩自由度并聯(lián)機(jī)械手控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，該系統(tǒng)基于運(yùn)動(dòng)控制器317TPLC，通過精簡(jiǎn)控制算法實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械手實(shí)時(shí)、精確的控制。

2.1 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

本文兩自由度并聯(lián)機(jī)械手系統(tǒng)分為監(jiān)控層和控制層，主要由PLC、工控機(jī)、觸摸屏、編碼器、伺服驅(qū)動(dòng)器、同步交流電機(jī)等構(gòu)成，系統(tǒng)架構(gòu)，如圖1所示。

編寫控制程序和監(jiān)控功能則通過PC實(shí)現(xiàn)，其中監(jiān)控層（包括工控機(jī)和觸摸屏）的主要功能在于監(jiān)控機(jī)械手運(yùn)行情況?？刂茖樱ㄒ訮LC為主），用戶需先根據(jù)實(shí)際需要完成程序的編寫（在工控機(jī)里）及到 PLC的下載，在此基礎(chǔ)上完成PLC對(duì)伺服驅(qū)動(dòng)的有效控制（同步運(yùn)行的協(xié)調(diào)具體通過控制兩個(gè)伺服電機(jī)實(shí)現(xiàn)）。本文選用運(yùn)動(dòng)控制 CPU作為系統(tǒng)控制器（西門子317T），包含多種運(yùn)動(dòng)控制功能（直線、圓弧插補(bǔ)等），執(zhí)行位進(jìn)行操作時(shí)工作循環(huán)時(shí)間不超過0.05μs，可有效滿足兩自由度并聯(lián)機(jī)械手對(duì)控制過程在速度、精確度、穩(wěn)定性方面的需求;選用具備全閉環(huán)控制回路的SINAMICS作為系統(tǒng)的伺服驅(qū)動(dòng)器，具有快速電流限制（FCL）功能，該伺服驅(qū)動(dòng)器可實(shí)現(xiàn)精確定位，對(duì)于剛性較低的系統(tǒng)也可實(shí)現(xiàn)加速/減速狀態(tài)下振動(dòng)情況的有效抑制。采用在功率密度、動(dòng)態(tài)響應(yīng)等方面具備較大優(yōu)勢(shì)的西門子1FK7作為伺服電機(jī)。通過MPI總線方式的使用完成PC機(jī)、317T控制器和觸摸屏間的通信過程，伺服驅(qū)動(dòng)器和控制器間則通過運(yùn)動(dòng)控制專用總線（PROFIBUS-DP-DRIVE）實(shí)現(xiàn)連接過程，伺服電機(jī)通過專用電纜實(shí)現(xiàn)同伺服驅(qū)動(dòng)器的有效連接，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的通信過程。

兩自由度并聯(lián)機(jī)械手在執(zhí)行具體任務(wù)時(shí)，用戶先將預(yù)先設(shè)定的參數(shù)通過HMI輸入到系統(tǒng)，再由PLC完成參數(shù)到計(jì)算模型中所需數(shù)據(jù)格式的轉(zhuǎn)換，然后以控制目標(biāo)的位置及運(yùn)動(dòng)方式為依據(jù)，完成軌跡規(guī)劃（從開始位置到終止位置），根據(jù)運(yùn)動(dòng)軌跡位置數(shù)據(jù)的插值完成逆運(yùn)動(dòng)學(xué)求解過程，在此基礎(chǔ)上獲取各掃描周期內(nèi)PLC的運(yùn)動(dòng)量;在PLC據(jù)此完成包括輸出邏輯控制變量、爪手到位及檢測(cè)故障信號(hào)等在內(nèi)的相關(guān)輔助動(dòng)作的基礎(chǔ)上，通過通訊總線（Mechatrolink-II）向伺服驅(qū)動(dòng)器實(shí)時(shí)傳輸這些運(yùn)動(dòng)量，將接收到的電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)脈沖指令由伺服驅(qū)動(dòng)器完成到電量并驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)換。同時(shí)，驅(qū)動(dòng)器在對(duì)指令值進(jìn)行插補(bǔ)時(shí)以絕對(duì)編碼器的反饋位置為依據(jù)（在控制周期內(nèi)）對(duì)伺服電機(jī)進(jìn)行精確定位，機(jī)械手運(yùn)動(dòng)控制流程[2]，如圖2所示。

2.2 運(yùn)動(dòng)控制單元及伺服驅(qū)動(dòng)單元選型

兩軸高速協(xié)調(diào)同步運(yùn)動(dòng)主要通過相位控制（由運(yùn)動(dòng)控制器完成）及直線插值功能的結(jié)合使用實(shí)現(xiàn)，控制系統(tǒng)的控制核心（包括數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、軌跡規(guī)劃及位置插補(bǔ)、位置速度逆解和正解等）選用使用Mechatrolink-II通訊的PLC MP2300S控制器（屬于插槽式多功能集成型，數(shù)據(jù)傳送周期可達(dá)到125 μs），主要功能在于實(shí)現(xiàn)機(jī)械手同人機(jī)界面的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交互、邏輯控制、系統(tǒng)故障檢測(cè)及實(shí)時(shí)監(jiān)控等功能，傳送速度可達(dá)到10 Mbps，控制器本體最多可對(duì)32根軸同步控制，能夠?qū)Χ噙_(dá)16根軸（21個(gè)站）進(jìn)行高速同步控制，具有4種相位控制模式（包括同步、轉(zhuǎn)矩、速度及位置方面的控制），可實(shí)現(xiàn)多種插補(bǔ)功能（包括直線、圓弧及螺旋等）。PLC通過緩沖區(qū)（4 k大?。┑脑O(shè)定，使末端多段軌跡路徑的連續(xù)運(yùn)動(dòng)得以有效實(shí)現(xiàn)，在循環(huán)隊(duì)列對(duì)應(yīng)的命令緩沖區(qū)內(nèi)存放用戶所需的部分運(yùn)動(dòng)指令參數(shù)，PLC執(zhí)行緩沖區(qū)中的運(yùn)動(dòng)指令，同時(shí)根據(jù)實(shí)際需要向緩沖區(qū)存放運(yùn)動(dòng)指令，以便獲取機(jī)械手較好的運(yùn)動(dòng)特性，從而在顯著提高通訊效率的同時(shí)，使對(duì)控制器的實(shí)時(shí)性要求得以有效滿足[3]。

本文使用具有閉環(huán)控制優(yōu)勢(shì)的S -7系列交流伺服電機(jī)（日本Yaskawa）作為伺服驅(qū)動(dòng)單元（包括伺服電機(jī)和驅(qū)動(dòng)器，可涵蓋機(jī)械的剛性不足），具備較好的共振抑制功能（有效避免低速時(shí)振動(dòng)現(xiàn)象的出現(xiàn)）及頻率解析機(jī)能（FFT），具有速度過載和轉(zhuǎn)矩過載能力，速度頻率響應(yīng)高達(dá)3.1 kHz，實(shí)現(xiàn)機(jī)械共振點(diǎn)的有效檢測(cè)以及對(duì)裝置末端的低頻振動(dòng)的有效抑制，使系統(tǒng)穩(wěn)定性得以有效提升。此外，通過將溫度傳感器配置于該伺服系統(tǒng)中可實(shí)現(xiàn)PLC對(duì)系統(tǒng)溫度狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，避免溫度異常對(duì)控制系統(tǒng)精準(zhǔn)度產(chǎn)生不良影響?？蛇_(dá)到額定轉(zhuǎn)矩三倍的最大轉(zhuǎn)矩能夠有效克服慣性負(fù)載的慣性力矩（在啟動(dòng)瞬間產(chǎn)生），通過高分辨率編碼器（24位）的使用可將停止時(shí)振動(dòng)控制在[-10 nm，10 nm]范圍內(nèi)，伺服驅(qū)動(dòng)器對(duì)反饋信號(hào)（來自電機(jī)絕對(duì)編碼器）進(jìn)行直接采樣，有效避免了步進(jìn)電機(jī)過沖或丟步現(xiàn)象的出現(xiàn)，使機(jī)械手運(yùn)動(dòng)過程更加準(zhǔn)確可靠[4]。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 PLC 軟件設(shè)計(jì)

機(jī)械手兩驅(qū)動(dòng)電機(jī)間通過線性多段插值功能（PLC相位控制）的運(yùn)用確保高效精確協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)過程的實(shí)現(xiàn)，控制流程，如圖3所示。

3.3 人機(jī)界面設(shè)計(jì)

本文以機(jī)械臂控制系統(tǒng)對(duì)實(shí)際監(jiān)控功能的需求為依據(jù)，在設(shè)計(jì)監(jiān)控軟件時(shí)使用了WinCC 監(jiān)控程序，兩自由度并聯(lián)機(jī)械手控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的人機(jī)界面，如圖5所示。

主要構(gòu)成為：主界面，可實(shí)時(shí)觀測(cè)到機(jī)械手位置，負(fù)責(zé)對(duì)電機(jī)左右抱閘、伺服鎖定過程的控制，運(yùn)用指示燈指示不同狀態(tài);自動(dòng)控制界面，由實(shí)現(xiàn)機(jī)械手自動(dòng)運(yùn)行的相關(guān)按鍵組成，同時(shí)可對(duì)自動(dòng)運(yùn)行過程中相關(guān)位置坐標(biāo)（包括A、B點(diǎn)）、循環(huán)次數(shù)、運(yùn)動(dòng)速度等參數(shù)進(jìn)行設(shè)置;手動(dòng)控制界面，包括4個(gè)方向、指定位置的移動(dòng)等;報(bào)警界面，通過指示燈對(duì)不同方向上（上、下、左、右4個(gè)方向）的越限報(bào)警及軸錯(cuò)誤進(jìn)行指示，發(fā)出越限報(bào)警時(shí)可通過系統(tǒng)清除錯(cuò)誤并回歸初始位置[9]。

4 總結(jié)

快速發(fā)展的機(jī)械手控制系統(tǒng)為實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制提供了支撐，基于PLC的機(jī)械手控制系統(tǒng)具備成本低、工作效率高等優(yōu)勢(shì)，但存在電機(jī)控制實(shí)時(shí)性差等不足，為彌補(bǔ)傳統(tǒng)基于PLC的機(jī)械手控制系統(tǒng)的不足，在分析兩自由度并聯(lián)機(jī)械手基本結(jié)構(gòu)及工作原理的基礎(chǔ)上，本文的兩自由度并聯(lián)機(jī)械手控制系統(tǒng)主要通過運(yùn)動(dòng)控制器317T的使用完成了具體設(shè)計(jì)過程，詳細(xì)闡述了系統(tǒng)的總體架構(gòu)、硬件構(gòu)成及軟件主程序流程的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)方案，對(duì)機(jī)械手通過數(shù)學(xué)模型的建立完成分析過程，使控制系統(tǒng)的控制精度、實(shí)時(shí)性及穩(wěn)定性等得以顯著提升。

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（收稿日期： 2019.08.25）