至目前基于BLDC的新型五自由度并联机器人运动

基于BLDC 的新型五自由度并联机器人运动控制

摘 要:在自主研制的新型五自由度并联机器人的基础上, 设计完成了以微机、无刷直流电机、PCI 接口测控卡为基础的控制系统硬件部分, 应用ADAMS 软件求解了机构的位置反解曲线, 利用C++语言编写了机器人系统的控制软件, 实现了并联机构连续轨迹运动。实验结果验证了本并联机构及其控制系统的可行性。

关键词: 并联机构; 无刷电机; 运动控制; 位置分析

Abstr act:On the foundation of novel five - DOF parallel robot developed by University, thehardware of the control system based on microcomputer、 BLDC and PCI interface measure control cardwas done. Inverse kinematics solution of the machine solved by ADAMS, the control software of the robotsystem was written using C++ language. Continuous track motion of the parallel robot was periment result approved the feasibility of the parallel Mechanism and the control system.

Key words: Par allel mechanism; BLDC;Motion control; Position analysis.

1 引言

并联机构是由多个并行链构成的闭环机械系统。相对于串联机构, 由于它的驱动设备安装在固定地点, 位置而不随末端执行点的运动而改变, 由此可带来高速、高同时精度的运动。并联机构具有刚度大、无关节误差积累和放大、位置反解容易等优点, 与串联机构在应用上形成了互补关系。目前, 年均增长18%以上对并联机器人研究较多的是6 自由度（ 6DOF） 并联机器人, 但在某些场合2～5 个自由度即可满足使用要求, 这类少于6 自由度的并联机器人被称为少自由度并联机器人。少自由度并联机器人由于其驱动元件少、造价低、结构紧凑而有较高的实用价值。

在研发的5 自由度并联推拿机器人及其位置分析的基础上, 以微机、PCI 总线控制卡、PCI 总线数据采集卡为硬件基础,利用VC++6.0 设计机器人控制界面, 实现该机构的连续轨迹运动。

2 新型五自由度并联机器人机构原理

研究的并联机构如图1 所示。A1～A4、B1～B4 为球副, R1～R8 为转动副, L1～L4 为电动推杆, 实现伸缩运动。A1A2A3A4 组成了静平台, B1B2B3B4 为动平台。

其中, 在机器人系统中, 四根电动推杆L1～L4 和中间的转动副（ O） 为主动输入, 这样动平台相对于静平台就有五个自由度,相应的控制量为: 位移量l1、l2、l3、l4 及转角。工作时控制驱动关节使工件在三维空间进行移动或转动, 从而实现了动平台的运动。

3 控制系统的硬件组成

并联机构的控制系统组成如图2 所示, 该系统由微机、PCI总线测控卡、无刷直流电机及其驱动器、位移传感器等组成。

以微机作为处主理器, 实现控制运算, 以时间中断方式向控制卡接收和发送控制信号, 中断的最小时间间隔为1ms。控制卡具有5 路 D/A 输出, 16 路A/D 输入, 16 路开关量输入输出, 能够很好的满足实际控制的需要。D/A 输出分辨率为15 位, 输出范围 DC0～10V。A/D 采样的频率120KHZ, 分辨率12 位, 采样范围: 0- 10V, 内置采样保持器, 工作在软件查询方式。开关量输出高电平为+12V, 低电平为0V。微机由A/D 采样读取位移传感器的信号, 计算出电动推杆和转角的位置, 运算后向电机驱动器发送转速、转向和电机运行状态信号, 从而控制各个位移量。控制系统驱动使用的电机为永磁无刷直流电机, 该电机可以无级调速, 工作转速范围很大 0～3000r/min, 可以工作在超低转速, 能满足各种运行模式下的转速要求。该电机低速转矩大, 运行平稳,高效率, 低噪音。电机及其驱动器与测控板之间的连接方法如图3 所示。驱动器有三种可选调速方式:内部电位器调速、外部输入调速、多段选择调速。在实际应中选择外部输入调速, 即有D/A 转换的电压（ 相对于COM） 输入到 AVI 端进行速度调控。 AVI 的接受范围为DC0V～10V, 对应电机转速为0～3000 转/分; 端子内接电阻200K 到COM端, 因此悬空不接将被解释为0输入。

电机的正/反转、方向、运行/停止控制端被内部电阻上拉到12V, 无输入时均为高电平。通过控制端子 R/S 相对于 COM 的通、断可以控制电机的运行和停止。当 R/S 与端子 COM 断开时电机停止, 反之电机运行。使用运行/停止端控制电机停止时, 电机为自然停车, 其运动规律与负载惯性有关。通过控制端子 DIR 与端子 COM 的通、断可以控制电机的运转方向。当 DIR 与端子 COM 不接通时电机顺时针方向运行（ 面对电机轴） , 约定为正转;反之则逆时针方向运转, 约定为反转.为避免驱动器的损坏应避免在电机运行时进行运转方向控制。驱动器通过端子 BRK～COM可以控制无刷电机的迅速停止, 制动采用受控能耗制动方式, 相对于R/S 的自由停车会迅速的多, 但具体时间受用户系统（ 尤其是系统惯量） 的影响。

4 动平台运动轨迹的规划

本并联机构在实际控制时使用的轨迹参数是在ADAMS 环境中仿真获取的。部分仿真数据结果如图4 所示。ADAMS 软件使用交互式图形环境和零件库、约束库、力库, 创建完全参数化的机械系统几何模型, 其求解器采用多刚体系统动力学理论中的拉格郎日方程方法, 建立系统动力学方程, 对虚拟机械系统进行静力学、运动学和动力学分析, 可以输出位移、速度、加度和反作用力曲线。

ADAMS 是虚拟样机分析的应用历经7年的开发软件, 用户可以运用该软件非常方便地对虚拟机械系统进行静力学、运动学和动力学分析。通过本软件可以获取支路变量反解值曲线, 将获得的曲线离散化即可得到所需的控制量, 位置给定为离散化后的期望目标位置。

5 控制系统的软件设计

在Windows 环境中, 采用Visual C++设计控制程序。位移量l1 的闭环控制见图5。其中控制时间隔T=10ms, 位置给定为离散化后的期望轨迹, 位置如发现有漏油反馈通过A/D 转换读取位移传感器的信号, 数字滤波后计算出被控量的当前值。

程序中用SetTimer（ nIDEvent, time, NULL） 设置中断, 其中nIDEvent 为中断号, time 为中断时间间隔。中断处理函数的流程见图6。因为并联机构运动时各个支路之间具有一定的耦合性,应避免支路独立大范围运行。程序启动时要将每个控制端口初始化, 各模拟输出清零, 设置开关量输出使电机的停止、快速制动端有效, 确保程序启动时整个系统的安全。为了使并联机构的5 个支路同步运行, 程序中设置了5 个与之相对应的中断处理函数。联机构的5 个支路在汽车部品中的利用愈来愈广泛同步运行, 程序中设置了5 个与之相对应的中断处理函数。

此外, 另设置了一个计时器定时改变期望位置, 时间间隔为t, 通过改变t 的大小调节动平台的运动速度。位置给定r（ kt） 是由ADAMS 仿真得到, 离散化的时间间隔为0.05s。

通过A/D 采样获得被控量的当前位置c（ KT） , 采用平均值滤波, 采样次数20 次。

位移偏差:

e（ KT） =r（ kt） - c（ KT） （ 1）

通过实验验证得知: 当e（ KT） 0 时, 电机驱动器F/R 端为高电平, 即电机正转当e（ KT） 0 时, 电机驱动器F/R 端为低电平, 即电机反转, 此条件为闭环系统稳定的必要条件。由控制器运算得出控制量u（ KT） , 其值由D/A 转换输出到电机驱动器的转速端子 AVI , 调节无刷直流电机的转速。

6 控制系统的实验验证

在实验过程中, 首先调节并联机构的支路使动平台处在零坐标位置, 然后让动平台做以下合成运动: Y 轴方向上做100mm 往复平移, X 轴方向上做 15 旋转, 合成方法图略。使用ADAMS 软件求取相应的位置反解, 在控制程序中使用其离散化后的结果, 使动平台重复往返运动。在此过程中, 并联机构运行平稳, 动平台运动轨迹重复性较好。

7 结束语

以无刷直流电机为驱动部件, 微机为处理器, PCI 总线测控卡作为数据接口构建了系统的硬件部分。使用C++语言编写了控制软件。利用ADAMS 软件求解并联机构的位置反解曲线, 并应用到实验中。

实验结果表明:

（ 1） 由于无刷直流电机的驱动能力较强, 提高了系统的响应及运行性能。

（ 2） 并联机构各支路的控制精度能够满动平台运动的需求。

（ 3） 利用ADAMS 软件获得的位置曲在实物证验证中得到了较好的应用。

参考文献

1 Kim H S, Tsai L nematic Synthesis of a Spatial 3- RPS Parallel urnal of Mechanical Design, Transactions of the ASME, 2003,125（ 1） :92～97

2 蔡自兴. 机器人学[M]. 北京:清华大学出版社, 2000下面济南实验机厂给大家简单介绍1下冲击试样低温槽的具体操作步骤.

Motion control of novel five- DOF parallel robot based on BLDC

LI Shi- hua GAO Guo- qin MA Lv- zh1000mm/min的高速度一样对机械结构的性能提出了高的要求ong WANG Jin- song