两自由度并联机械手控制系统设计

王亚娟　李志

摘 要：主要对兩自由度并联机械手控制系统进行了研究和设计，针对简化后的机械机构，完成了控制系统的整体框架及硬件总体架构的设计，并对运动控制单元及伺服驱动单元进行选配和设置，系统控制器选用了运动控制 CPU，完成对各连杆坐标系及对应参数的确定，通过变换坐标系建立求解方程组（遵循相等矩阵对应元素分别相等的原则），实现机械手运动学逆解的获取，在此基础上通过几何法的应用即可实现运动学方程组简单快速的建立，从而获取机械手运动学正解实现对机械手的控制过程，实现了机械手的有效控制及平稳运行过程。

关键词： 机械手; 两自由度; 并联机构; 轨迹控制; 同步控制

中图分类号： TG 409

文献标志码： 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

同发展较为成熟的串联机器人相比，并联机械手（并联机构机器人）研究开展较迟，并联机械手具备动态性能好、负载能力强、误差传递少及刚度大等优势，已经成为机械手控制领域的研究热点之一，现阶段高速轻型的并联机械手已经在众多轻工业领域得以普遍应用（包括电子、食品、包装等），研发满足特定需求的机械手已成为目前重点研究方向之一，以期能够在降低成本的同时提高承载重量、运动精度及控制质量。作为少自由度并联机器人中的一种，两个运动支链对并联机械手的运动精度及稳定性（主要指末端执行器）进行共同控制，两自由度并联机械手通过两个主动电机对两个运动支链进行驱动，因此需主动电机具备较高的控制精度。

1 两自由度并联机械手工作原理

两自由度并联机械手的主要构成部分为伺服电机、主动臂、从动臂（各一对），此外还有平衡杆（2支）和托盘（1个），控制系统主要构成部分为机械臂、控制器、伺服驱动器及伺服电机，静平台通过该机械手控制系统可同机架始终保持固定状态，当在平面的平动盘处于运动状态时，伺服电机（连接于主动臂始端）开始对2条运动链进行驱动，完成对机械手运动的共同操作过程。需对机械手目标运动轨迹曲线在虚轴（x，y）中（实际空间）进行预先规划，并在在虚轴中结合使用包括直线、圆弧、多项式等形式在内的插补指令完成对该目标运动轨迹曲线的确定，将当前机械手在虚轴中的坐标（x，y）（插补指令每个时刻的输出）作为运动学反解算法的输入，两个伺服电机转角（θ1，θ2）即为对应机械手的实轴坐标，通过相关运算即可得出此时的实轴坐标，将这两个角度向机械臂的两个电机实时传送，电机据此完成同步的协调运行，从而实现对机械手运动过程的有效控制[1]。

2 两自由度并联机械手控制系统设计

以给定程序、轨迹与要求为依据机械手（属于自动化装置的一种）可实现对人手部分动作的有效模仿，完成自动抓取、搬运或操作过程，目前机械手控制系统的电机控制实时性不足，存在输入输出同步性差、算法流程较为复杂等不足，而在控制的实时性上并联机械手具备较大的优势，本文在现有研究的基础上完成了采用主周期任务控制方式的两自由度并联机械手控制系统的设计，该系统基于运动控制器317TPLC，通过精简控制算法实现对机械手实时、精确的控制。

2.1 系统架构设计

本文两自由度并联机械手系统分为监控层和控制层，主要由PLC、工控机、触摸屏、编码器、伺服驱动器、同步交流电机等构成，系统架构，如图1所示。

编写控制程序和监控功能则通过PC实现，其中监控层（包括工控机和触摸屏）的主要功能在于监控机械手运行情况。控制层（以PLC为主），用户需先根据实际需要完成程序的编写（在工控机里）及到 PLC的下载，在此基础上完成PLC对伺服驱动的有效控制（同步运行的协调具体通过控制两个伺服电机实现）。本文选用运动控制 CPU作为系统控制器（西门子317T），包含多种运动控制功能（直线、圆弧插补等），执行位进行操作时工作循环时间不超过0.05μs，可有效满足两自由度并联机械手对控制过程在速度、精确度、稳定性方面的需求;选用具备全闭环控制回路的SINAMICS作为系统的伺服驱动器，具有快速电流限制（FCL）功能，该伺服驱动器可实现精确定位，对于刚性较低的系统也可实现加速/减速状态下振动情况的有效抑制。采用在功率密度、动态响应等方面具备较大优势的西门子1FK7作为伺服电机。通过MPI总线方式的使用完成PC机、317T控制器和触摸屏间的通信过程，伺服驱动器和控制器间则通过运动控制专用总线（PROFIBUS-DP-DRIVE）实现连接过程，伺服电机通过专用电缆实现同伺服驱动器的有效连接，从而实现系统的通信过程。

两自由度并联机械手在执行具体任务时，用户先将预先设定的参数通过HMI输入到系统，再由PLC完成参数到计算模型中所需数据格式的转换，然后以控制目标的位置及运动方式为依据，完成轨迹规划（从开始位置到终止位置），根据运动轨迹位置数据的插值完成逆运动学求解过程，在此基础上获取各扫描周期内PLC的运动量;在PLC据此完成包括输出逻辑控制变量、爪手到位及检测故障信号等在内的相关辅助动作的基础上，通过通讯总线（Mechatrolink-II）向伺服驱动器实时传输这些运动量，将接收到的电机运转脉冲指令由伺服驱动器完成到电量并驱动电机运转的转换。同时，驱动器在对指令值进行插补时以绝对编码器的反馈位置为依据（在控制周期内）对伺服电机进行精确定位，机械手运动控制流程[2]，如图2所示。

2.2 运动控制单元及伺服驱动单元选型

两轴高速协调同步运动主要通过相位控制（由运动控制器完成）及直线插值功能的结合使用实现，控制系统的控制核心（包括数据转换、轨迹规划及位置插补、位置速度逆解和正解等）选用使用Mechatrolink-II通讯的PLC MP2300S控制器（属于插槽式多功能集成型，数据传送周期可达到125 μs），主要功能在于实现机械手同人机界面的实时数据交互、逻辑控制、系统故障检测及实时监控等功能，传送速度可达到10 Mbps，控制器本体最多可对32根轴同步控制，能够对多达16根轴（21个站）进行高速同步控制，具有4种相位控制模式（包括同步、转矩、速度及位置方面的控制），可实现多种插补功能（包括直线、圆弧及螺旋等）。PLC通过缓冲区（4 k大小）的设定，使末端多段轨迹路径的连续运动得以有效实现，在循环队列对应的命令缓冲区内存放用户所需的部分运动指令参数，PLC执行缓冲区中的运动指令，同时根据实际需要向缓冲区存放运动指令，以便获取机械手较好的运动特性，从而在显著提高通讯效率的同时，使对控制器的实时性要求得以有效满足[3]。

本文使用具有闭环控制优势的S -7系列交流伺服电机（日本Yaskawa）作为伺服驱动单元（包括伺服电机和驱动器，可涵盖机械的刚性不足），具备较好的共振抑制功能（有效避免低速时振动现象的出现）及频率解析机能（FFT），具有速度过载和转矩过载能力，速度频率响应高达3.1 kHz，实现机械共振点的有效检测以及对装置末端的低频振动的有效抑制，使系统稳定性得以有效提升。此外，通过将温度传感器配置于该伺服系统中可实现PLC对系统温度状态的实时监控，避免温度异常对控制系统精准度产生不良影响。可达到额定转矩三倍的最大转矩能够有效克服惯性负载的惯性力矩（在启动瞬间产生），通过高分辨率编码器（24位）的使用可将停止时振动控制在[-10 nm，10 nm]范围内，伺服驱动器对反馈信号（来自电机绝对编码器）进行直接采样，有效避免了步进电机过冲或丢步现象的出现，使机械手运动过程更加准确可靠[4]。

3 系统软件设计

3.1 PLC 软件设计

机械手两驱动电机间通过线性多段插值功能（PLC相位控制）的运用确保高效精确协调运动过程的实现，控制流程，如图3所示。

3.3 人机界面设计

本文以机械臂控制系统对实际监控功能的需求为依据，在设计监控软件时使用了WinCC 监控程序，两自由度并联机械手控制系统结构的人机界面，如图5所示。

主要构成为：主界面，可实时观测到机械手位置，负责对电机左右抱闸、伺服锁定过程的控制，运用指示灯指示不同状态;自动控制界面，由实现机械手自动运行的相关按键组成，同时可对自动运行过程中相关位置坐标（包括A、B点）、循环次数、运动速度等参数进行设置;手动控制界面，包括4个方向、指定位置的移动等;报警界面，通过指示灯对不同方向上（上、下、左、右4个方向）的越限报警及轴错误进行指示，发出越限报警时可通过系统清除错误并回归初始位置[9]。

4 总结

快速发展的机械手控制系统为实现自动化控制提供了支撑，基于PLC的机械手控制系统具备成本低、工作效率高等优势，但存在电机控制实时性差等不足，为弥补传统基于PLC的机械手控制系统的不足，在分析两自由度并联机械手基本结构及工作原理的基础上，本文的两自由度并联机械手控制系统主要通过运动控制器317T的使用完成了具体设计过程，详细阐述了系统的总体架构、硬件构成及软件主程序流程的设计和实现方案，对机械手通过数学模型的建立完成分析过程，使控制系统的控制精度、实时性及稳定性等得以显著提升。

参考文献

[1] 张帅，杨惠忠，卿兆波. 基于PLC的2-DOF并联机械手控制系统设计[J]. 制造业自动化， 2018（10）：100-104.

[2] 蔡云飞，郑淑涛，韩俊伟. 一种新型并联机构的运动学分析[J].液压与气动， 2016（9）：114-118.

[3] 陈修龙，董芳杞，王清.基于牛顿-欧拉法的4-UPS-UPU并联机构动力学方程[J]. 光学精密工程， 2017（11）：3129-3137.

[4] 储婷婷，刘延杰，韩海军. 一种基于多轴工业机器人的非线性同步控制方法[J]. 机械与电子， 2016（8）：72-76.

[5] LiMin Zhang， JiangPing Mei， XueMan Zhao， et al. Dimensional synthesis of the Delta robot using transmission angle constraints Dimensional synthesis of the Delta robot using transmission angle constraints[J]. Robotica. 2016 （3）：343-349.

[6] 秦佳，李娟，李偉达，等. 两自由度并联机器人的动力学建模与研究[J].现代制造工程， 2016（2）：43-47.

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[8] 屈稳太，杨家强，张明晖. 大部件姿态的快速计算与高精度多轴同步控制[J]. 浙江大学学报（工学版）， 2017（12）：2216-2222.

[9] 于丰博，杨惠忠，卿兆波. 基于D-H参数法的两自由度并联机械手逆运动学求解[J]. 制造业自动化， 2016（22）：10-13.

（收稿日期： 2019.08.25）