王亞娟　李志

摘 要：主要對兩自由度并聯(lián)機械手控制系統(tǒng)進行了研究和設計，針對簡化后的機械機構(gòu)，完成了控制系統(tǒng)的整體框架及硬件總體架構(gòu)的設計，并對運動控制單元及伺服驅(qū)動單元進行選配和設置，系統(tǒng)控制器選用了運動控制 CPU，完成對各連桿坐標系及對應參數(shù)的確定，通過變換坐標系建立求解方程組（遵循相等矩陣對應元素分別相等的原則），實現(xiàn)機械手運動學逆解的獲取，在此基礎上通過幾何法的應用即可實現(xiàn)運動學方程組簡單快速的建立，從而獲取機械手運動學正解實現(xiàn)對機械手的控制過程，實現(xiàn)了機械手的有效控制及平穩(wěn)運行過程。

關鍵詞： 機械手; 兩自由度; 并聯(lián)機構(gòu); 軌跡控制; 同步控制

中圖分類號： TG 409

文獻標志碼： 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)機器人相比，并聯(lián)機械手（并聯(lián)機構(gòu)機器人）研究開展較遲，并聯(lián)機械手具備動態(tài)性能好、負載能力強、誤差傳遞少及剛度大等優(yōu)勢，已經(jīng)成為機械手控制領域的研究熱點之一，現(xiàn)階段高速輕型的并聯(lián)機械手已經(jīng)在眾多輕工業(yè)領域得以普遍應用（包括電子、食品、包裝等），研發(fā)滿足特定需求的機械手已成為目前重點研究方向之一，以期能夠在降低成本的同時提高承載重量、運動精度及控制質(zhì)量。作為少自由度并聯(lián)機器人中的一種，兩個運動支鏈對并聯(lián)機械手的運動精度及穩(wěn)定性（主要指末端執(zhí)行器）進行共同控制，兩自由度并聯(lián)機械手通過兩個主動電機對兩個運動支鏈進行驅(qū)動，因此需主動電機具備較高的控制精度。

1 兩自由度并聯(lián)機械手工作原理

兩自由度并聯(lián)機械手的主要構(gòu)成部分為伺服電機、主動臂、從動臂（各一對），此外還有平衡桿（2支）和托盤（1個），控制系統(tǒng)主要構(gòu)成部分為機械臂、控制器、伺服驅(qū)動器及伺服電機，靜平臺通過該機械手控制系統(tǒng)可同機架始終保持固定狀態(tài)，當在平面的平動盤處于運動狀態(tài)時，伺服電機（連接于主動臂始端）開始對2條運動鏈進行驅(qū)動，完成對機械手運動的共同操作過程。需對機械手目標運動軌跡曲線在虛軸（x，y）中（實際空間）進行預先規(guī)劃，并在在虛軸中結(jié)合使用包括直線、圓弧、多項式等形式在內(nèi)的插補指令完成對該目標運動軌跡曲線的確定，將當前機械手在虛軸中的坐標（x，y）（插補指令每個時刻的輸出）作為運動學反解算法的輸入，兩個伺服電機轉(zhuǎn)角（θ1，θ2）即為對應機械手的實軸坐標，通過相關運算即可得出此時的實軸坐標，將這兩個角度向機械臂的兩個電機實時傳送，電機據(jù)此完成同步的協(xié)調(diào)運行，從而實現(xiàn)對機械手運動過程的有效控制[1]。

2 兩自由度并聯(lián)機械手控制系統(tǒng)設計

以給定程序、軌跡與要求為依據(jù)機械手（屬于自動化裝置的一種）可實現(xiàn)對人手部分動作的有效模仿，完成自動抓取、搬運或操作過程，目前機械手控制系統(tǒng)的電機控制實時性不足，存在輸入輸出同步性差、算法流程較為復雜等不足，而在控制的實時性上并聯(lián)機械手具備較大的優(yōu)勢，本文在現(xiàn)有研究的基礎上完成了采用主周期任務控制方式的兩自由度并聯(lián)機械手控制系統(tǒng)的設計，該系統(tǒng)基于運動控制器317TPLC，通過精簡控制算法實現(xiàn)對機械手實時、精確的控制。

2.1 系統(tǒng)架構(gòu)設計

本文兩自由度并聯(lián)機械手系統(tǒng)分為監(jiān)控層和控制層，主要由PLC、工控機、觸摸屏、編碼器、伺服驅(qū)動器、同步交流電機等構(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實現(xiàn)，其中監(jiān)控層（包括工控機和觸摸屏）的主要功能在于監(jiān)控機械手運行情況?？刂茖樱ㄒ訮LC為主），用戶需先根據(jù)實際需要完成程序的編寫（在工控機里）及到 PLC的下載，在此基礎上完成PLC對伺服驅(qū)動的有效控制（同步運行的協(xié)調(diào)具體通過控制兩個伺服電機實現(xiàn)）。本文選用運動控制 CPU作為系統(tǒng)控制器（西門子317T），包含多種運動控制功能（直線、圓弧插補等），執(zhí)行位進行操作時工作循環(huán)時間不超過0.05μs，可有效滿足兩自由度并聯(lián)機械手對控制過程在速度、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)動器，具有快速電流限制（FCL）功能，該伺服驅(qū)動器可實現(xiàn)精確定位，對于剛性較低的系統(tǒng)也可實現(xiàn)加速/減速狀態(tài)下振動情況的有效抑制。采用在功率密度、動態(tài)響應等方面具備較大優(yōu)勢的西門子1FK7作為伺服電機。通過MPI總線方式的使用完成PC機、317T控制器和觸摸屏間的通信過程，伺服驅(qū)動器和控制器間則通過運動控制專用總線（PROFIBUS-DP-DRIVE）實現(xiàn)連接過程，伺服電機通過專用電纜實現(xiàn)同伺服驅(qū)動器的有效連接，從而實現(xiàn)系統(tǒng)的通信過程。

兩自由度并聯(lián)機械手在執(zhí)行具體任務時，用戶先將預先設定的參數(shù)通過HMI輸入到系統(tǒng)，再由PLC完成參數(shù)到計算模型中所需數(shù)據(jù)格式的轉(zhuǎn)換，然后以控制目標的位置及運動方式為依據(jù)，完成軌跡規(guī)劃（從開始位置到終止位置），根據(jù)運動軌跡位置數(shù)據(jù)的插值完成逆運動學求解過程，在此基礎上獲取各掃描周期內(nèi)PLC的運動量;在PLC據(jù)此完成包括輸出邏輯控制變量、爪手到位及檢測故障信號等在內(nèi)的相關輔助動作的基礎上，通過通訊總線（Mechatrolink-II）向伺服驅(qū)動器實時傳輸這些運動量，將接收到的電機運轉(zhuǎn)脈沖指令由伺服驅(qū)動器完成到電量并驅(qū)動電機運轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)換。同時，驅(qū)動器在對指令值進行插補時以絕對編碼器的反饋位置為依據(jù)（在控制周期內(nèi)）對伺服電機進行精確定位，機械手運動控制流程[2]，如圖2所示。

2.2 運動控制單元及伺服驅(qū)動單元選型

兩軸高速協(xié)調(diào)同步運動主要通過相位控制（由運動控制器完成）及直線插值功能的結(jié)合使用實現(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、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)傳送周期可達到125 μs），主要功能在于實現(xiàn)機械手同人機界面的實時數(shù)據(jù)交互、邏輯控制、系統(tǒng)故障檢測及實時監(jiān)控等功能，傳送速度可達到10 Mbps，控制器本體最多可對32根軸同步控制，能夠?qū)Χ噙_16根軸（21個站）進行高速同步控制，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），可實現(xiàn)多種插補功能（包括直線、圓弧及螺旋等）。PLC通過緩沖區(qū)（4 k大?。┑脑O定，使末端多段軌跡路徑的連續(xù)運動得以有效實現(xiàn)，在循環(huán)隊列對應的命令緩沖區(qū)內(nèi)存放用戶所需的部分運動指令參數(shù)，PLC執(zhí)行緩沖區(qū)中的運動指令，同時根據(jù)實際需要向緩沖區(qū)存放運動指令，以便獲取機械手較好的運動特性，從而在顯著提高通訊效率的同時，使對控制器的實時性要求得以有效滿足[3]。

本文使用具有閉環(huán)控制優(yōu)勢的S -7系列交流伺服電機（日本Yaskawa）作為伺服驅(qū)動單元（包括伺服電機和驅(qū)動器，可涵蓋機械的剛性不足），具備較好的共振抑制功能（有效避免低速時振動現(xiàn)象的出現(xiàn)）及頻率解析機能（FFT），具有速度過載和轉(zhuǎn)矩過載能力，速度頻率響應高達3.1 kHz，實現(xiàn)機械共振點的有效檢測以及對裝置末端的低頻振動的有效抑制，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)中可實現(xiàn)PLC對系統(tǒng)溫度狀態(tài)的實時監(jiān)控，避免溫度異常對控制系統(tǒng)精準度產(chǎn)生不良影響?？蛇_到額定轉(zhuǎn)矩三倍的最大轉(zhuǎn)矩能夠有效克服慣性負載的慣性力矩（在啟動瞬間產(chǎn)生），通過高分辨率編碼器（24位）的使用可將停止時振動控制在[-10 nm，10 nm]范圍內(nèi)，伺服驅(qū)動器對反饋信號（來自電機絕對編碼器）進行直接采樣，有效避免了步進電機過沖或丟步現(xiàn)象的出現(xiàn)，使機械手運動過程更加準確可靠[4]。

3 系統(tǒng)軟件設計

3.1 PLC 軟件設計

機械手兩驅(qū)動電機間通過線性多段插值功能（PLC相位控制）的運用確保高效精確協(xié)調(diào)運動過程的實現(xiàn)，控制流程，如圖3所示。

3.3 人機界面設計

本文以機械臂控制系統(tǒng)對實際監(jiān)控功能的需求為依據(jù)，在設計監(jiān)控軟件時使用了WinCC 監(jiān)控程序，兩自由度并聯(lián)機械手控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的人機界面，如圖5所示。

主要構(gòu)成為：主界面，可實時觀測到機械手位置，負責對電機左右抱閘、伺服鎖定過程的控制，運用指示燈指示不同狀態(tài);自動控制界面，由實現(xiàn)機械手自動運行的相關按鍵組成，同時可對自動運行過程中相關位置坐標（包括A、B點）、循環(huán)次數(shù)、運動速度等參數(shù)進行設置;手動控制界面，包括4個方向、指定位置的移動等;報警界面，通過指示燈對不同方向上（上、下、左、右4個方向）的越限報警及軸錯誤進行指示，發(fā)出越限報警時可通過系統(tǒng)清除錯誤并回歸初始位置[9]。

4 總結(jié)

快速發(fā)展的機械手控制系統(tǒng)為實現(xiàn)自動化控制提供了支撐，基于PLC的機械手控制系統(tǒng)具備成本低、工作效率高等優(yōu)勢，但存在電機控制實時性差等不足，為彌補傳統(tǒng)基于PLC的機械手控制系統(tǒng)的不足，在分析兩自由度并聯(lián)機械手基本結(jié)構(gòu)及工作原理的基礎上，本文的兩自由度并聯(lián)機械手控制系統(tǒng)主要通過運動控制器317T的使用完成了具體設計過程，詳細闡述了系統(tǒng)的總體架構(gòu)、硬件構(gòu)成及軟件主程序流程的設計和實現(xiàn)方案，對機械手通過數(shù)學模型的建立完成分析過程，使控制系統(tǒng)的控制精度、實時性及穩(wěn)定性等得以顯著提升。

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（收稿日期： 2019.08.25）