關于六自由度并聯機器人運動控制系統的結構設計

摘 要：運動控制系統作為六自由度并聯機器人的關鍵控制系統，對機器人的精準快速運動具有至關重要的作用。通過對六自由度并聯機器人結構、內部控制結構及其工作原理的介紹，提出運動控制系統的設計思路，并對其中的關鍵技術問題進行了深入分析，對提高六自由度并聯機器人的研發和應用水平具有積極的推動作用。

關鍵詞：六自由度；并聯機器人；運動控制系統；結構分析

近年來，隨著計算機和電子信息技術的進步，機器人運動控制技術取得了突破性發展，機器人運動控制技術是將控制傳感器、電機、傳動機和驅動器等組合在一起，通過一定的編程設置對電機在速度、位移、加速度等方面的控制，使起機器人按照預定的軌跡和運動參數進行運動的一種高科技技術。伴隨著機械工業自動化技術的發展，運動控制技術經過了由低級到高級，由模擬到數字，再到網絡控制技術的發展演進過程。運動控制技術作為機械工業自動化的一項重要技術，主要包括全封閉伺服交流技術，直線式電機驅動技術、基于編程基礎上的運動控制技術、基于運動控制卡的控制技術等。其中，基于運動控制卡的控制技術通過內部各種線路的集成組合，可以實現對各種復雜的運動進行控制，該技術系統驅動程序主要包括：運動控制軟件、網絡動態鏈接數據庫、運動控制參數庫等子系統。運動控制卡控制技術的出現和發展有效的滿足了工業機械行業數控系統的柔性化、標準化要求，在工業自動化領域的應用越來越廣泛。

1 六自由度并聯機器人的構造

六自由度并聯機器人作為現代工業自動化技術發展的代表，主要結構包括床身、連桿和運動平臺等幾個部分。其中運動平臺與六個連桿相聯接，每個連桿各自聯接一個由虎克材料制成的滑塊，這些滑塊又與滾珠絲杠相連，在電機的驅動下可以帶動滑塊沿滾珠運動，進而帶動連桿有規則的運動，從而改變平臺的運動方向。通過在運動平臺上安裝不同的機械，可以有效滿足不同工作的需求。在六根連桿工作程序中，每根連桿都由一臺電機進行控制驅動來保證連桿運動的獨立性，因此，可以實現六自由度的機器控制運動。

2 六自由度并聯機器人運動控制系統工作原理與結構設計

2.1 并聯機器人運動控制系統的工作原理

六自由度并聯機器人運動控制系統主要由工控機、運動控制卡、伺服放大器、資料數據收集處理平臺等系統組成。在機器人工作過程中，工控機借助一定的程序指令對運動控制卡發出命令，運動控制卡將六路脈沖同時發向六套伺服放大器，在脈沖命令的指引下，這些放大器做出進一步運動，進而帶動機器人平臺進行運動。同時，伺服放大器將運動中形成的信號數據傳回到運動控制卡，進而完成一個全閉環式反饋控制運動。在運動過程中，可以通過Lab系統對并聯機器人的振動特性、相關數據進行實驗分析，進而研究并聯機器人的結構、尺寸等對其運動和工作的影響。

2.2 并聯機器人運動控制系統核心部件的結構設計

2.2.1 運動控制卡

六自由度并聯機器人運動控制系統的核心部件為運動控制卡，該運動控制卡通過PIC高速通信線路作為獨立的控制器提供運動控制功能。用于并聯機器人運動控制系統的控制卡，其最大輸入功率為20馬赫。根據功能需要，運動控制卡內具有增量式和模擬式編碼器，正弦和余弦分解器，矩陣型電流變換指令、脈沖輸入指令、編程設置系統、驅動器故障排除系統、6軸同步伺服放大器等，在這些系統部件的配合作用下，可以有效完成對并聯機器人運動過程的整體控制。

2.2.2 SPI運動處理器單元

在運動控制器的硬件結構中，核心部件為SPI運動處理器單元，功能強大，可以處理大部分的控制器任務。SPI為運動控制器中的伺服電機處理器，該部件可以處理適時性任務，每個SPI可以控制兩個高性能軸，如智能輸入與輸出，數字模擬的接口轉換、數據資料的閃存保留等。

2.2.3 固件應用程序及工具

固件的功能主要用于保存運動控制卡中的固定存儲器的數據程序，該程序定義了控制器的基本參數函數。這些參數函數主要用于指導用戶的應用程序。在操作過程中，固件應用程序應對不同條件下執行的具體控制和監測動作做出明確規定。比如，精確的動作序列，輸入與輸出指令的激活、人機交互等。

2.2.4 用戶應用程序組建系統

用戶應用程序組件系統在并聯機器人整個運動控制系統中占有重要地位。主要包括以下幾部分。一是主機程序。該程序主要有D或其他程序語言編寫完成，用于主機與控制面板之間的通信聯絡。主機程序可以通過控制卡的任何信號通道，如太網、FPIF等進行連接。通過主機程序，可以向運動控制卡發送相關指令和從控制卡讀取相關指令信息，還可以為前端用戶界面、高層決策等提供專用函數。二是ACSPK程序系統。該系統程序是一種主要為SPI運動控制卡研制開發的強大的程序語言。經過程序處理，可以將ACSPK命令作為AC-SPW的應用程序下載到運動控制卡內。運動控制卡上有多個位置可以安裝AC-SPW程序，在執行任務命令的過程中，只要嚴格按照程序運行就不會出現信號通信延誤的情況。三是變量配置。固件程序的預定義變量可以用于ACSPK程序的通信指令中，固件程序的預定義變量包括了變量配置。變量配置的數值參數是根據執行任務的不同和設備型號的不同來設置的。四是SPL程序系統。SPL程序是六自由度并聯機器人運動控制系統中的一個標準部分，因該程序一般不存在于用戶的應用程序中，且不支持手動操作，因此，在操作過程中，用戶可以根據具體任務的不同對該程序進行適時修改，使之成為應用程序的一部分。

3 并聯機器人運動控制系統中的關鍵技術問題

六自由度并聯機器人具有質量輕盈、慣性較小的特點，因此，在并聯機器人對程序指令做出快速反應的過程中，內部構造中的系統載荷容易發生改變，對機器人運動狀態的穩定性造成一定影響。為有效解決并聯機器人高速運動振動較大，狀態不穩的現象，科研人員應對機器人運動狀態的穩定性進行深入細致研究。可以借助Lab系統對運動過程中的相關參數數據進行測試，特別是加速度、驅動器控制系統、振動頻率等進行分析，確定和優化具體參數范圍，消除機器人運動過程中的振動現象。同時，在操作過程中，由于對六自由度并聯機器人的運動精確度要求較高（因為只有提高運動控制的精確度，才能保證鋼帶和連桿各司其職，互不干涉，保證機器人運動的穩定性），需要進一步提高并聯機器人的運動控制卡和伺服電機閉環裝置控制的精確度。此外，并聯機器人傳動裝置材料和設計的特殊性，會對機器人運動進程帶來一定的誤差，因為并聯機器人傳動裝置為鋼制材料，鋼帶在纏繞卷筒外層的過程中，因鋼帶的硬度和厚度導致卷筒會發生微小的變形，進而影響鋼帶運動長度數據參數的精度。因此，如何設計機器人傳動鋼帶嚴格附著在卷筒上，對鋼帶結構的設計提出了很高的要求，同時，還要對鋼帶的設計長度與運動的實際長度進行嚴格計算，消除相應的位置誤差。

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