三自由度氣動并聯(lián)平移機器人平臺的設(shè)計

王 波，王 濤，朱愛東

（北京理工大學 自動化學院，北京 100081）

隨著工業(yè)化進程的加快，傳統(tǒng)手工操作領(lǐng)域中以機器人代替自然人完成操作已成為一種不可逆轉(zhuǎn)的趨勢。國務(wù)院2015年5月印發(fā)的《中國制造2025》國家戰(zhàn)略中，機器人被列為政府需要大力推動實現(xiàn)突破發(fā)展的十大重點領(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，且被操作對象具有重量輕、體積小的特征，使用高速并聯(lián)機器人來提高自動化程度和保證產(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)計了一種三自由度氣動并聯(lián)平移機器人平臺，將結(jié)構(gòu)設(shè)計、執(zhí)行驅(qū)動、傳感檢測、計算機接口、軟件編程、算法設(shè)計等環(huán)節(jié)集成在整個系統(tǒng)中，把負載變化、摩擦力、死區(qū)、飽和、非對稱性等實際工程因素融合在控制系統(tǒng)中。利用該平臺進行實驗教學，可以培養(yǎng)學生的分析、綜合、設(shè)計、探索和創(chuàng)新能力，提高學生的工程素養(yǎng)。

1 氣動并聯(lián)平移機器人平臺的設(shè)計

1.1 平臺結(jié)構(gòu)設(shè)計

針對氣動并聯(lián)平移機器人的三自由度平移運動需求，分別設(shè)計驅(qū)動臂機構(gòu)和輔助臂機構(gòu)，前者驅(qū)動并聯(lián)機器人運動，后者隨驅(qū)動臂運動并約束并聯(lián)機器人的轉(zhuǎn)動自由度。采用螺旋理論設(shè)計輔助臂結(jié)構(gòu)，通過分析并聯(lián)平移機器人自由度與輔助臂自由度之間的關(guān)系，確定輔助臂的運動螺旋系，根據(jù)輔助臂的運動螺旋系選擇運動副并完成輔助臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計。

氣動并聯(lián)平移機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖1所示，由固定平臺、末端平臺、3組相同的驅(qū)動臂和輔助臂組成。驅(qū)動臂為結(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)機器人的驅(qū)動機構(gòu)。3個驅(qū)動臂氣缸伸出或縮入帶動末端平臺進行空間運動。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)軌與上軸承組合實現(xiàn)C運動副、花鍵軸實現(xiàn)P運動副、下軸承實現(xiàn)R運動副。輔助臂中C運動副的轉(zhuǎn)軸與R運動副的轉(zhuǎn)軸平行，3個CPR輔助臂的C運動副軸線不互相平行，C運動副軸線均與固定平臺所在平面平行，R運動副軸線均與末端平臺所在平面平行。1個CPR輔助臂約束末端平臺垂直于C運動副軸線的2個轉(zhuǎn)動自由度，3個輔助臂組合約束末端平臺的3個轉(zhuǎn)動自由度。氣動并聯(lián)平移機器人的實物如圖2所示。末端平臺安裝有真空吸盤負責物體的抓取和放置。

圖1 氣動并聯(lián)平移機器人平臺結(jié)構(gòu)簡圖

圖2 氣動并聯(lián)平移機器人平臺實物圖

1.2 平臺系統(tǒng)組成

氣動并聯(lián)平移機器人平臺的系統(tǒng)組成如圖3所示。使用3個帶位移傳感器的氣缸作為驅(qū)動機構(gòu)，采用3個比例方向閥控制驅(qū)動臂的氣缸。上位機發(fā)送控制目標信號給伺服控制器，并接收伺服控制器傳回的信號實時顯示機器人的運動信息。伺服控制器根據(jù)上位機傳來的目標位置信號和位移傳感器采集的位移信號，經(jīng)過控制算法輸出3個相應(yīng)的控制量，經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換后驅(qū)動相應(yīng)的比例閥動作。氣動并聯(lián)平移機器人平臺系統(tǒng)的主要元件組成如表1所示。

圖3 氣動并聯(lián)平移機器人平臺的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

表1 氣動并聯(lián)平移機器人平臺系統(tǒng)的主要元件組成

氣動并聯(lián)平移機器人平臺伺服控制器的結(jié)構(gòu)框圖和實物分別如圖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，分別負責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個模塊的MCU均采用STM32F407芯片，其工作頻率可達168 MHz[5-7]，可滿足系統(tǒng)運動控制的需要。CPU模塊采用RS232與上位機實時通信，采用CAN總線與各個擴展模塊通信；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，輸入信號采用 TLP290-4雙向光耦隔離，輸出信號采用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，D/A部分采用AD5754芯片輸出3路0~10 V模擬量信號。

圖4 伺服控制器結(jié)構(gòu)框圖

圖5 伺服控制器實物圖

2 氣動并聯(lián)平移機器人平臺的運動學仿真

2.1 運動學逆解仿真

運動學逆解仿真框圖如圖6所示。在ADAMS中建立氣動并聯(lián)平移機器人虛擬樣機，并在其末端平臺添加運動軌跡，在3個驅(qū)動臂上添加速度和位移測量。在 MATLAB中根據(jù)氣動并聯(lián)平移機器人虛擬樣機的結(jié)構(gòu)參數(shù)、末端平臺的運動軌跡、運動學逆解和雅克比矩陣，分別計算氣動并聯(lián)平移機器人運動過程中 3個驅(qū)動臂位移和速度的理論值。將 MATLAB計算出的位移和速度與ADAMS中測量出的位移和速度進行比較，驗證氣動并聯(lián)平移機器人運動學逆解的正確性。

圖6 運動學逆解仿真框圖

3個驅(qū)動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個驅(qū)動臂在ADAMS運動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，驗證了氣動并聯(lián)平移機器人平臺運動學逆解和雅克比矩陣的正確性。

圖7 驅(qū)動臂位移仿真曲線

圖8 驅(qū)動臂速度仿真曲線

2.2 運動學正解仿真

運動學正解仿真框圖如圖9所示。從虛擬樣機的ADAMS運動仿真中導(dǎo)出3個驅(qū)動臂的位移數(shù)據(jù)，根據(jù)這些位移數(shù)據(jù)由運動學正解表達式可以求解出末端平臺中心的空間運動軌跡。

圖9 運動學正解仿真框圖

求解得出的末端平臺中心的運動軌跡和預(yù)期設(shè)計的運動軌跡如圖10所示。可以看出2條運動軌跡重合，驗證了運動學正解的正確性。

3 氣動并聯(lián)平移機器人平臺的運動控制

圖10 末端平臺位移仿真曲線

氣動并聯(lián)機器人平臺運動時，3個驅(qū)動氣缸末端的負載會不斷變化且氣缸自身的摩擦力也無法準確計算出來，因此3個驅(qū)動臂組成的閥控缸系統(tǒng)實際是一個含有不確定項且具有較強非線性的系統(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、線性擴張狀態(tài)觀測器和線性狀態(tài)誤差反饋控制律，是一種針對含有不確定性項非線性系統(tǒng)的控制方法[8-10]。線性自抗擾控制器各個組成部分均由線性環(huán)節(jié)組成，便于參數(shù)整定。針對本系統(tǒng)而言，通過設(shè)計線性擴張狀態(tài)觀測器，對閥控缸系統(tǒng)中時變的負載和活塞受到的摩擦力等不確定項進行觀測，在控制過程中進行補償。為了驗證所設(shè)計控制算法的有效性，分別采用PID算法和LADRC算法進行氣動并聯(lián)平移機器人平臺的空間軌跡跟蹤實驗，跟蹤軌跡為空間螺旋曲線，實驗結(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并聯(lián)平移機器人的控制效果。

圖11 末端平臺空間軌跡

4 氣動并聯(lián)平移機器人平臺的實驗設(shè)計

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

實驗教學內(nèi)容的層次化設(shè)計如下：

（1）本科生。熟悉機械結(jié)構(gòu)、驅(qū)動方式、傳感技術(shù)，實現(xiàn)位置控制。

（2）碩士生。進行機械結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計、協(xié)調(diào)控制算法的研究，實現(xiàn)伺服控制。

（3）博士生。進行多傳感器信息融合、運動規(guī)劃的研究，實現(xiàn)智能控制和網(wǎng)絡(luò)化控制。

5 結(jié)語

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