三自由度氣動(dòng)并聯(lián)平移機(jī)器人平臺(tái)的設(shè)計(jì)

王 波，王 濤，朱愛(ài)東

（北京理工大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，北京 100081）

隨著工業(yè)化進(jìn)程的加快，傳統(tǒng)手工操作領(lǐng)域中以機(jī)器人代替自然人完成操作已成為一種不可逆轉(zhuǎn)的趨勢(shì)。國(guó)務(wù)院2015年5月印發(fā)的《中國(guó)制造2025》國(guó)家戰(zhàn)略中，機(jī)器人被列為政府需要大力推動(dòng)實(shí)現(xiàn)突破發(fā)展的十大重點(diǎn)領(lǐng)域之一[1-3]。在電子、輕工、醫(yī)藥及食品等行業(yè)中，通常需要以很高的速度完成諸如包裝、分揀等抓放操作，且被操作對(duì)象具有重量輕、體積小的特征，使用高速并聯(lián)機(jī)器人來(lái)提高自動(dòng)化程度和保證產(chǎn)品質(zhì)量，已被眾多廠家所采用并具有廣闊的發(fā)展前景[4]。

本文設(shè)計(jì)了一種三自由度氣動(dòng)并聯(lián)平移機(jī)器人平臺(tái)，將結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、執(zhí)行驅(qū)動(dòng)、傳感檢測(cè)、計(jì)算機(jī)接口、軟件編程、算法設(shè)計(jì)等環(huán)節(jié)集成在整個(gè)系統(tǒng)中，把負(fù)載變化、摩擦力、死區(qū)、飽和、非對(duì)稱性等實(shí)際工程因素融合在控制系統(tǒng)中。利用該平臺(tái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)，可以培養(yǎng)學(xué)生的分析、綜合、設(shè)計(jì)、探索和創(chuàng)新能力，提高學(xué)生的工程素養(yǎng)。

1 氣動(dòng)并聯(lián)平移機(jī)器人平臺(tái)的設(shè)計(jì)

1.1 平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

針對(duì)氣動(dòng)并聯(lián)平移機(jī)器人的三自由度平移運(yùn)動(dòng)需求，分別設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)臂機(jī)構(gòu)和輔助臂機(jī)構(gòu)，前者驅(qū)動(dòng)并聯(lián)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)，后者隨驅(qū)動(dòng)臂運(yùn)動(dòng)并約束并聯(lián)機(jī)器人的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度。采用螺旋理論設(shè)計(jì)輔助臂結(jié)構(gòu)，通過(guò)分析并聯(lián)平移機(jī)器人自由度與輔助臂自由度之間的關(guān)系，確定輔助臂的運(yùn)動(dòng)螺旋系，根據(jù)輔助臂的運(yùn)動(dòng)螺旋系選擇運(yùn)動(dòng)副并完成輔助臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

氣動(dòng)并聯(lián)平移機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示，由固定平臺(tái)、末端平臺(tái)、3組相同的驅(qū)動(dòng)臂和輔助臂組成。驅(qū)動(dòng)臂為結(jié)構(gòu)，由上球鉸（S副）、氣缸（P副）和下球鉸（S副）組成，其中表示氣缸為并聯(lián)機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)。3個(gè)驅(qū)動(dòng)臂氣缸伸出或縮入帶動(dòng)末端平臺(tái)進(jìn)行空間運(yùn)動(dòng)。輔助臂為CPR結(jié)構(gòu)，由直線導(dǎo)軌、上軸承、花鍵軸和下軸承組成，其中直線導(dǎo)軌與上軸承組合實(shí)現(xiàn)C運(yùn)動(dòng)副、花鍵軸實(shí)現(xiàn)P運(yùn)動(dòng)副、下軸承實(shí)現(xiàn)R運(yùn)動(dòng)副。輔助臂中C運(yùn)動(dòng)副的轉(zhuǎn)軸與R運(yùn)動(dòng)副的轉(zhuǎn)軸平行，3個(gè)CPR輔助臂的C運(yùn)動(dòng)副軸線不互相平行，C運(yùn)動(dòng)副軸線均與固定平臺(tái)所在平面平行，R運(yùn)動(dòng)副軸線均與末端平臺(tái)所在平面平行。1個(gè)CPR輔助臂約束末端平臺(tái)垂直于C運(yùn)動(dòng)副軸線的2個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，3個(gè)輔助臂組合約束末端平臺(tái)的3個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度。氣動(dòng)并聯(lián)平移機(jī)器人的實(shí)物如圖2所示。末端平臺(tái)安裝有真空吸盤(pán)負(fù)責(zé)物體的抓取和放置。

圖1 氣動(dòng)并聯(lián)平移機(jī)器人平臺(tái)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

圖2 氣動(dòng)并聯(lián)平移機(jī)器人平臺(tái)實(shí)物圖

1.2 平臺(tái)系統(tǒng)組成

氣動(dòng)并聯(lián)平移機(jī)器人平臺(tái)的系統(tǒng)組成如圖3所示。使用3個(gè)帶位移傳感器的氣缸作為驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，采用3個(gè)比例方向閥控制驅(qū)動(dòng)臂的氣缸。上位機(jī)發(fā)送控制目標(biāo)信號(hào)給伺服控制器，并接收伺服控制器傳回的信號(hào)實(shí)時(shí)顯示機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)信息。伺服控制器根據(jù)上位機(jī)傳來(lái)的目標(biāo)位置信號(hào)和位移傳感器采集的位移信號(hào)，經(jīng)過(guò)控制算法輸出3個(gè)相應(yīng)的控制量，經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換后驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的比例閥動(dòng)作。氣動(dòng)并聯(lián)平移機(jī)器人平臺(tái)系統(tǒng)的主要元件組成如表1所示。

圖3 氣動(dòng)并聯(lián)平移機(jī)器人平臺(tái)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

表1 氣動(dòng)并聯(lián)平移機(jī)器人平臺(tái)系統(tǒng)的主要元件組成

氣動(dòng)并聯(lián)平移機(jī)器人平臺(tái)伺服控制器的結(jié)構(gòu)框圖和實(shí)物分別如圖4和5所示。伺服控制器包括CPU模塊、數(shù)字量伺服控制模塊和模擬量伺服控制模塊，分別負(fù)責(zé)通信與管理控制器各子模塊、執(zhí)行數(shù)字量控制算法和執(zhí)行模擬量控制算法。3個(gè)模塊的MCU均采用STM32F407芯片，其工作頻率可達(dá)168 MHz[5-7]，可滿足系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)控制的需要。CPU模塊采用RS232與上位機(jī)實(shí)時(shí)通信，采用CAN總線與各個(gè)擴(kuò)展模塊通信；數(shù)字量伺服控制模塊具有8路數(shù)字量輸入輸出功能，輸入輸出模式由編程確定，輸入信號(hào)采用 TLP290-4雙向光耦隔離，輸出信號(hào)采用TLP206G光耦隔離；模擬量伺服控制模塊采用2片ACSL-6400芯片處理3路A/B相正交信號(hào)，D/A部分采用AD5754芯片輸出3路0~10 V模擬量信號(hào)。

圖4 伺服控制器結(jié)構(gòu)框圖

圖5 伺服控制器實(shí)物圖

2 氣動(dòng)并聯(lián)平移機(jī)器人平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真

2.1 運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解仿真

運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解仿真框圖如圖6所示。在ADAMS中建立氣動(dòng)并聯(lián)平移機(jī)器人虛擬樣機(jī)，并在其末端平臺(tái)添加運(yùn)動(dòng)軌跡，在3個(gè)驅(qū)動(dòng)臂上添加速度和位移測(cè)量。在 MATLAB中根據(jù)氣動(dòng)并聯(lián)平移機(jī)器人虛擬樣機(jī)的結(jié)構(gòu)參數(shù)、末端平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)軌跡、運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解和雅克比矩陣，分別計(jì)算氣動(dòng)并聯(lián)平移機(jī)器人運(yùn)動(dòng)過(guò)程中 3個(gè)驅(qū)動(dòng)臂位移和速度的理論值。將 MATLAB計(jì)算出的位移和速度與ADAMS中測(cè)量出的位移和速度進(jìn)行比較，驗(yàn)證氣動(dòng)并聯(lián)平移機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解的正確性。

圖6 運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解仿真框圖

3個(gè)驅(qū)動(dòng)臂的位移和速度仿真曲線分別如圖7和8所示。可以看出，3個(gè)驅(qū)動(dòng)臂在ADAMS運(yùn)動(dòng)仿真中的位移和速度曲線與 MATLAB的理論位移和速度曲線重合，驗(yàn)證了氣動(dòng)并聯(lián)平移機(jī)器人平臺(tái)運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解和雅克比矩陣的正確性。

圖7 驅(qū)動(dòng)臂位移仿真曲線

圖8 驅(qū)動(dòng)臂速度仿真曲線

2.2 運(yùn)動(dòng)學(xué)正解仿真

運(yùn)動(dòng)學(xué)正解仿真框圖如圖9所示。從虛擬樣機(jī)的ADAMS運(yùn)動(dòng)仿真中導(dǎo)出3個(gè)驅(qū)動(dòng)臂的位移數(shù)據(jù)，根據(jù)這些位移數(shù)據(jù)由運(yùn)動(dòng)學(xué)正解表達(dá)式可以求解出末端平臺(tái)中心的空間運(yùn)動(dòng)軌跡。

圖9 運(yùn)動(dòng)學(xué)正解仿真框圖

求解得出的末端平臺(tái)中心的運(yùn)動(dòng)軌跡和預(yù)期設(shè)計(jì)的運(yùn)動(dòng)軌跡如圖10所示?？梢钥闯?條運(yùn)動(dòng)軌跡重合，驗(yàn)證了運(yùn)動(dòng)學(xué)正解的正確性。

3 氣動(dòng)并聯(lián)平移機(jī)器人平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)控制

圖10 末端平臺(tái)位移仿真曲線

氣動(dòng)并聯(lián)機(jī)器人平臺(tái)運(yùn)動(dòng)時(shí)，3個(gè)驅(qū)動(dòng)氣缸末端的負(fù)載會(huì)不斷變化且氣缸自身的摩擦力也無(wú)法準(zhǔn)確計(jì)算出來(lái)，因此3個(gè)驅(qū)動(dòng)臂組成的閥控缸系統(tǒng)實(shí)際是一個(gè)含有不確定項(xiàng)且具有較強(qiáng)非線性的系統(tǒng)。線性自抗擾控制器（linear active disturbance rejection control，LADRC）主要包括線性跟蹤微分器、線性擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器和線性狀態(tài)誤差反饋控制律，是一種針對(duì)含有不確定性項(xiàng)非線性系統(tǒng)的控制方法[8-10]。線性自抗擾控制器各個(gè)組成部分均由線性環(huán)節(jié)組成，便于參數(shù)整定。針對(duì)本系統(tǒng)而言，通過(guò)設(shè)計(jì)線性擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器，對(duì)閥控缸系統(tǒng)中時(shí)變的負(fù)載和活塞受到的摩擦力等不確定項(xiàng)進(jìn)行觀測(cè)，在控制過(guò)程中進(jìn)行補(bǔ)償。為了驗(yàn)證所設(shè)計(jì)控制算法的有效性，分別采用PID算法和LADRC算法進(jìn)行氣動(dòng)并聯(lián)平移機(jī)器人平臺(tái)的空間軌跡跟蹤實(shí)驗(yàn)，跟蹤軌跡為空間螺旋曲線，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖11所示。可以看出，與PID算法相比，LADRC算法可以有效地改善氣動(dòng)并聯(lián)平移機(jī)器人的控制效果。

圖11 末端平臺(tái)空間軌跡

4 氣動(dòng)并聯(lián)平移機(jī)器人平臺(tái)的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

氣動(dòng)并聯(lián)平移機(jī)器人平臺(tái)為自動(dòng)化及相關(guān)專業(yè)的本科生和研究生提供了良好的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，有助于學(xué)生深入理解和掌握工業(yè)機(jī)器人的相關(guān)知識(shí)。學(xué)生在該平臺(tái)上可以深入研究智能控制算法、先進(jìn)圖像處理算法和多對(duì)象協(xié)調(diào)控制算法等，從而大大提高工程實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力。

實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容的層次化設(shè)計(jì)如下：

（1）本科生。熟悉機(jī)械結(jié)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)方式、傳感技術(shù)，實(shí)現(xiàn)位置控制。

（2）碩士生。進(jìn)行機(jī)械結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)、協(xié)調(diào)控制算法的研究，實(shí)現(xiàn)伺服控制。

（3）博士生。進(jìn)行多傳感器信息融合、運(yùn)動(dòng)規(guī)劃的研究，實(shí)現(xiàn)智能控制和網(wǎng)絡(luò)化控制。

5 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種三自由度氣動(dòng)并聯(lián)平移機(jī)器人平臺(tái)，整合了機(jī)械、電子、單片機(jī)、傳感技術(shù)和控制算法等多方面的專業(yè)知識(shí)，可用于自動(dòng)化及其相關(guān)專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，有利于培養(yǎng)學(xué)生分析、綜合、設(shè)計(jì)、研究探索和創(chuàng)新能力，提高學(xué)生的工程實(shí)踐素養(yǎng)。