3自由度Delta型并聯(lián)機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

張中輝1，溫秀蘭1，徐官南2，夏慶觀2

(1. 南京工程學(xué)院 自動(dòng)化學(xué)院，南京211167；2. 南京康尼科技實(shí)業(yè)有限公司 技術(shù)中心研發(fā)部，南京210038)

摘要：針對(duì)康尼公司設(shè)計(jì)的3自由度Delta型并聯(lián)機(jī)器人機(jī)械本體樣機(jī)，提出了一種基于PC機(jī)和運(yùn)動(dòng)控制卡的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案；在Windows操作系統(tǒng)下，基于PCI1040運(yùn)動(dòng)控制卡和Visual C++ 6.0軟件，開發(fā)了3自由度Delta型并聯(lián)機(jī)器人控制系統(tǒng)平臺(tái)。通過編寫實(shí)驗(yàn)程序?qū)C(jī)器人進(jìn)行了試運(yùn)行，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)了該控制系統(tǒng)滿足穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性和簡(jiǎn)單易操作要求。

關(guān)鍵詞：Delta并聯(lián)機(jī)器人；控制系統(tǒng)；運(yùn)動(dòng)控制卡

文章編號(hào)：1001-2265(2015)09-0099-03

收稿日期：2014-11-08

基金項(xiàng)目：*江蘇省自然科學(xué)

作者簡(jiǎn)介：張中輝(1990—)，男，江蘇鹽城人，南京工程學(xué)院碩士研究生，研究方向?yàn)闄C(jī)器人控制技術(shù)；

中圖分類號(hào)：TH165;TG659

Design of 3-DOF Delta Parallel Robot Control System

ZHANG Zhong-hui1，WEN Xiu-lan1，XU Guan-nan2，XIA Qing-guan2

(1. Automation Department, Nanjing Institute of Technology, Nanjing 211167,China；2. Technology Center R&D Department, Nanjing Kangni Technology Industy Co.,Ltd., Nanjing 210038，China)

Abstract：According to the 3-DOF delta parallel robot prototype developed by KNT company, the design scheme of the control system based on PC and movement control card is proposed. Under the Windows operating system, the control system platform is developed based on PCI 1040 movement control card and Visual C++ 6.0 software By writing the test program to debug the robot, the experiment results verify the control system meets the requirements of stability, accuracy and easy operation.

Key words： delta parallel robot; control system; motion control card

0引言

并聯(lián)機(jī)器人具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)動(dòng)精度高、速度快和負(fù)載大等優(yōu)點(diǎn)[1]，近年來已在眾多工業(yè)領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用。并聯(lián)機(jī)器人控制系統(tǒng)是一種非常典型的多自由度實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)優(yōu)劣將直接決定整個(gè)機(jī)器人系統(tǒng)的性能。絕大多數(shù)傳統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人控制器都是專用控制器，其功能取決于機(jī)器人所需要完成的特定任務(wù)，而且這些專用控制器幾乎都是封閉的，沒有開放性，開發(fā)成本高，周期長(zhǎng)[2]。針對(duì)這些情況，開放式控制系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生，伴隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和DSP技術(shù)的快速發(fā)展，基于PC+DSP運(yùn)動(dòng)控制卡的開放式控制器因其開發(fā)周期短，經(jīng)濟(jì)實(shí)用，已逐漸得到大家的認(rèn)可，成為機(jī)器人控制發(fā)展新的潮流方向[3]，如美國Delta Tau公司的PMAC運(yùn)動(dòng)控制卡已經(jīng)在很多工業(yè)機(jī)器人上得到成功運(yùn)用，東南大學(xué)研究的基于PCI8134的多軸聯(lián)動(dòng)控制系統(tǒng)[4]，華中科技大學(xué)基于PC機(jī)+運(yùn)動(dòng)控制卡的焊接教學(xué)機(jī)器人研究等。

本文從研究應(yīng)用的角度出發(fā)，通過以PC+運(yùn)動(dòng)控制卡為核心，搭建3自由度Delta型并聯(lián)機(jī)器人的控制系統(tǒng)平臺(tái)，并基于VC6.0軟件提供的MF研究開發(fā)該并聯(lián)機(jī)器人控制系統(tǒng)軟件，旨在完成3自由度Delta型并聯(lián)教學(xué)機(jī)器人設(shè)計(jì)以實(shí)現(xiàn)推廣應(yīng)用。

1機(jī)器人控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1.13自由度Delta型并聯(lián)機(jī)器人本體

并聯(lián)機(jī)器人的本體樣機(jī)如圖1所示，該機(jī)器人主要由上平臺(tái)(靜平臺(tái))、下平臺(tái)(動(dòng)平臺(tái))、3個(gè)交流伺服電機(jī)、3根驅(qū)動(dòng)桿和3個(gè)平行四邊形從動(dòng)支鏈組成。

伺服電機(jī)與驅(qū)動(dòng)桿的一端固定連接，驅(qū)動(dòng)桿的另一端通過轉(zhuǎn)動(dòng)副與平行四邊形從動(dòng)支鏈連接，從動(dòng)支鏈由球頭關(guān)節(jié)軸承與桿件組成閉環(huán)的平行四邊形，此閉環(huán)通過兩個(gè)球頭球鉸與動(dòng)平臺(tái)連接。3根驅(qū)動(dòng)桿分別在3個(gè)伺服電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下作一定的角度擺動(dòng)，動(dòng)平臺(tái)就能耦合出3個(gè)自由度(即X方向、Y方向和Z方向)。

圖1　3自由度Delta型并聯(lián)機(jī)器人本體

1.2控制系統(tǒng)的硬件組成

機(jī)器人控制系統(tǒng)的硬件主要包括以下幾部分：PC機(jī)(Windows XP操作系統(tǒng)平臺(tái))、PCI1040運(yùn)動(dòng)控制卡、KSA—07BAB交流伺服驅(qū)動(dòng)器、米格60ST—MO1330伺服電機(jī)、限位開關(guān)接近傳感器和其他一些控制電路，其控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。整個(gè)控制系統(tǒng)是采用通用的PC機(jī)和運(yùn)動(dòng)控制卡為控制中心，進(jìn)行伺服控制和一些開關(guān)量的控制。PC機(jī)和PCI運(yùn)動(dòng)控制卡組成了上位機(jī)控制單元，運(yùn)動(dòng)控制卡插在PC機(jī)主板上的PCI插槽內(nèi)。PCI1040是PCI總線最多可獨(dú)立控制八軸伺服電機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制卡，可完成直線插補(bǔ)和S曲線加減速等功能。

圖2　機(jī)器人控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1.3控制系統(tǒng)的控制線路設(shè)計(jì)

機(jī)器人控制系統(tǒng)的控制電路主要由運(yùn)動(dòng)控制卡控制電路、伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、限位開關(guān)控制電路組成[5]，控制電路的實(shí)體接線圖如圖3所示。主要控制過程如下：閉合伺服驅(qū)動(dòng)器的使能開關(guān)，對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)設(shè)置之后，PC機(jī)控制運(yùn)動(dòng)控制卡發(fā)送位置指令等信號(hào)給伺服驅(qū)動(dòng)器，從而控制3個(gè)伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)3組擺桿運(yùn)動(dòng)，耦合出動(dòng)平臺(tái)的平移和上下運(yùn)動(dòng)。其中，運(yùn)動(dòng)控制卡可接受每個(gè)伺服電機(jī)內(nèi)部的增量式編碼器反饋回來的脈沖信號(hào)，構(gòu)成了半閉環(huán)回路控制系統(tǒng)；在每組手臂上擺桿的工作行程兩端都裝有限位開關(guān)，防止電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)角度超程，實(shí)現(xiàn)了硬限位功能。

1.3.1伺服驅(qū)動(dòng)電路

PCI1040運(yùn)動(dòng)控制卡與一號(hào)電機(jī)的交流伺服驅(qū)動(dòng)器的接線圖如圖4所示，其中二號(hào)、三號(hào)伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的接線圖與圖4類似，不同之處是對(duì)應(yīng)所接的PCI1040運(yùn)動(dòng)控制卡引腳號(hào)不同。

圖3　控制電路實(shí)體接線圖

圖4　運(yùn)動(dòng)控制卡與伺服驅(qū)動(dòng)器接線圖

1.3.2限位開關(guān)控制電路

3組伺服電機(jī)在行程的兩端都有正負(fù)限位開關(guān)傳感器與PCI1040運(yùn)動(dòng)控制卡相連，其中一號(hào)伺服電機(jī)的正向限位開關(guān)電路接線如圖5所示，其余電機(jī)的正向限位開關(guān)電路接線圖與圖5一樣類似。

圖5　運(yùn)動(dòng)控制卡與限位開關(guān)接線圖

2機(jī)器人控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3自由度Delta型機(jī)器人軟件系統(tǒng)以Visual C++ 6.0的MFC為開發(fā)平臺(tái)，采用WindowsXP操作系統(tǒng)平臺(tái)，即充分發(fā)揮了PC機(jī)的優(yōu)勢(shì)，又能實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)控制的精度和速度。MFC不僅為用戶提供了Windows圖形環(huán)境下的應(yīng)用程序的框架，而且還提供了創(chuàng)建應(yīng)用程序的組件。MFC完整地封裝了Windows API函數(shù)，且其為經(jīng)常使用的Windows API函數(shù)提供支持，包括窗口函數(shù)、消息、控件、菜單、對(duì)話框、GDI(圖形設(shè)備接口)對(duì)象、對(duì)象鏈接，以及多文檔界面(MDI)[6]。PCI1040運(yùn)動(dòng)控制卡提供了Windows下動(dòng)態(tài)鏈接庫，它是用戶控制運(yùn)動(dòng)控制卡的接口，用戶通過調(diào)用其庫函數(shù)，就可控制運(yùn)動(dòng)控制卡實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能。

2.1控制系統(tǒng)程序流程

圖6　機(jī)器人控制系統(tǒng)流程圖

控制系統(tǒng)啟動(dòng)之后，運(yùn)動(dòng)控制卡首先進(jìn)行初始化，通過人機(jī)界面設(shè)置其運(yùn)動(dòng)參數(shù)后，運(yùn)動(dòng)控制卡接收PC機(jī)發(fā)來的命令，從而執(zhí)行運(yùn)動(dòng)控制程序?？刂瞥绦蛄鞒虉D如圖6所示。

2.2控制系統(tǒng)軟件的功能模塊

2.2.1逆解運(yùn)算模塊

將并聯(lián)機(jī)器人的逆解算法程序?qū)懺诖四K中，只需在逆解運(yùn)算的人機(jī)接口界面中，輸入動(dòng)平臺(tái)中心點(diǎn)的(X,Y,Z)坐標(biāo)，執(zhí)行逆解運(yùn)算程序，就可以算出每個(gè)伺服電機(jī)所需的轉(zhuǎn)動(dòng)角度。當(dāng)輸入的目標(biāo)點(diǎn)坐標(biāo)超出機(jī)器人的工作空間范圍，程序就會(huì)自動(dòng)報(bào)錯(cuò)，提醒用戶重修輸入一個(gè)合適的坐標(biāo)。

2.2.2運(yùn)動(dòng)控制模塊

單軸運(yùn)動(dòng)控制是通過設(shè)置速度、加速度等參數(shù)來調(diào)試3個(gè)伺服電機(jī)的性能，通過調(diào)用PCI1040_StartLVDVCHV單軸直線/S曲線函數(shù)來啟動(dòng)每個(gè)伺服電機(jī)的單步正反向運(yùn)動(dòng)，進(jìn)行每個(gè)電機(jī)的單步調(diào)試，檢查其是否能正常工作。

3軸聯(lián)動(dòng)功能模塊則通過調(diào)用PCI1040_StartLineInrerpolation_3D 3軸直線插補(bǔ)驅(qū)動(dòng)函數(shù)來控制機(jī)器人的3軸耦合運(yùn)動(dòng)，通過讀取逆解運(yùn)算模塊中的三個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度，換算成脈沖量后控制電機(jī)的運(yùn)動(dòng)。返回原點(diǎn)功能是通過調(diào)用PCI1040_SetOutORG原點(diǎn)搜尋函數(shù)和PCI1040_SetOutEnableDrv啟動(dòng)函數(shù)來是實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)電機(jī)到達(dá)原點(diǎn)時(shí)，接近開關(guān)信號(hào)和編碼器的Z相信號(hào)就會(huì)發(fā)生跳變，電機(jī)就立即停止運(yùn)動(dòng)，就實(shí)現(xiàn)了返回原點(diǎn)功能。只要機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)過程中，有任何軸運(yùn)動(dòng)超程，就會(huì)促發(fā)限位開關(guān)傳感器發(fā)出低電平信號(hào)給運(yùn)動(dòng)控制卡的硬件限位ELP接口，從而調(diào)用PCI1040_InstStop函數(shù)，使機(jī)器人立即停止運(yùn)動(dòng)。

2.2.3運(yùn)動(dòng)狀態(tài)實(shí)時(shí)顯示模塊

在機(jī)器人運(yùn)動(dòng)過程中，狀態(tài)顯示模塊能夠?qū)崟r(shí)顯示機(jī)器人每條支鏈的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，通過調(diào)用PCI1040_ReadCV讀取電機(jī)的當(dāng)前速度、調(diào)用PCI1040_ReadCounter讀取位置計(jì)數(shù)器的值，通過相應(yīng)的換算，轉(zhuǎn)換成速度和角度等信息在控制面板上顯示。

3機(jī)器人控制系統(tǒng)的程序?qū)嵗?/p>

首先通過Visual C++ 6.0的MFC AppWizard建立一個(gè)基于對(duì)話框的工程，將PCI1040.lib和PCI1040.h文件添加進(jìn)工程[7]，并在對(duì)話框中添加相應(yīng)的按鈕和編輯框等控件，修改相應(yīng)的菜單和工具欄等資源，機(jī)器人控制系統(tǒng)人機(jī)界面如圖7所示。

圖7　機(jī)器人控制系統(tǒng)人機(jī)界面

以單軸運(yùn)動(dòng)控制模塊，實(shí)現(xiàn)其單軸正方向單步運(yùn)動(dòng)為例具體介紹開發(fā)過程，相關(guān)代碼如下：

在OnInitDialog( )函數(shù)中加入如下代碼對(duì)運(yùn)動(dòng)控制卡進(jìn)行初始化工作：

HANDLE hDevice；//定義設(shè)備對(duì)象句柄

hDevice=PCI1040_CreateDevice(0)；//創(chuàng)建句柄設(shè)備ID號(hào)

PCI1040_Reset(hDevice,AxisNum)；//對(duì)某個(gè)軸進(jìn)行復(fù)位

在CDeltaDlg類中，對(duì)單軸運(yùn)動(dòng)控制模塊的各個(gè)編輯框關(guān)聯(lián)成員變量m_Multiple，m_StartSpeed，m_DriveSpeed，m_Acceleration，m_PluseNum設(shè)置單軸S曲線的運(yùn)動(dòng)參數(shù)：

DL.Multiple=m_Multiple；//倍率(0.1~250)DL.StartSpeed=m_StartSpeed；//初始速度(1~4095750)

DL.DriveSpeed=m_DriveSpeed；//驅(qū)動(dòng)速度(1~4095750)

DL.Acceleration=m_Acceleration；//加速度(125~511 968 750)

DL.Deceleration=m_Deceleration；//減速度(125~511 968 750)

DL.nPluseNum=m_PluseNum；//單步運(yùn)動(dòng)的脈沖數(shù)

設(shè)置完運(yùn)動(dòng)參數(shù)后，在“單軸正向單步運(yùn)動(dòng)”按鈕的OndanzhouStepMove()函數(shù)中添加如下代碼：

PCI1040_InitLVDVCHV(hDevice,pDL，pLC)；//初始化連續(xù)脈沖驅(qū)動(dòng)

PCI1040_StartLVDVCHV(hDevice,PCI1040_AXIS1)；//啟動(dòng)單軸正向單步運(yùn)動(dòng)

如果在單步運(yùn)動(dòng)時(shí)，電機(jī)的轉(zhuǎn)角超過行程，就會(huì)立即觸發(fā)限位開關(guān)，電機(jī)停轉(zhuǎn)，其實(shí)現(xiàn)代碼如下：

PCI1040_SetELPFun(hDevice,0,LCData.AxisNum)//正向硬件限位

PCI1040_DevMode(hDevice,LCData.DecMode,LCData.Line.Curve,LCData.AxisNum)；//設(shè)置停止運(yùn)動(dòng)模式

最后在“停止運(yùn)動(dòng)”按鈕的OndanzhouStop()函數(shù)中添加以下代碼：

PCI1040_InstStop(hDevice,PCI1040_AXIS1)；//立即停止一號(hào)電機(jī)

PCI1040_ReleaseDevice(hDevice)；//釋放設(shè)備。

利用所編寫程序?qū)C(jī)器人多次運(yùn)行，結(jié)果證實(shí)了所設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)能夠滿足穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性和簡(jiǎn)單易操作要求。

4結(jié)束語

通過對(duì)并聯(lián)機(jī)器人特性分析，確立了基于PC機(jī)加運(yùn)動(dòng)控制卡的控制系統(tǒng)體系架構(gòu)，建立了機(jī)器人控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)和軟件調(diào)試平臺(tái)。針對(duì)性地進(jìn)行了軟件的人機(jī)界面設(shè)計(jì)，編寫了詳細(xì)的控制軟件程序，實(shí)現(xiàn)了運(yùn)動(dòng)逆解、單軸運(yùn)動(dòng)、三軸聯(lián)動(dòng)、運(yùn)動(dòng)顯示等任務(wù)功能，證實(shí)了該機(jī)器人控制系統(tǒng)不但滿足了研究的需求，而且操作簡(jiǎn)單、動(dòng)作準(zhǔn)確、穩(wěn)定，具有一定實(shí)用價(jià)值，便于推廣應(yīng)用。

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(編輯李秀敏)