（控制理论与控制工程专业论文）机械手控制实验平台的设计与开发.pdf

东北大学硕士学位论文摘要 摘要 机械手是机器人研究最典型最常用的对象，能够自动完成焊接、磨削、喷涂、 装配、搬运和医护等作业操作，因此在工业现场，特别是在恶劣危险以及要求精 确性较高的环境中得到了广泛的应用。随着机器人控制深入研究，各种智能控制 算法得以迅速发展。由于现行机械手实验平台的开放性和通用性较差。使得各种 先进的控制算法在实验中不易实现，大部分控制算法研究大都局限于仿真层面， 大部分实际生产的工业机械手仍以采用p i d 的控制方案为主流。针对现行机械手 控制算法研究局限于仿真层面的现状，为了加强机械手控制的实验研究，提高机 械手控制的精度，东北大学自动化研究中心在9 8 5 工程项目“流程工业自动化科 技创新工作平台”中，提出了机器人控制实验平台的设计要求。 本文依照开放式、模块化的设计思路，设计开发了一套通用性较强的机械手 控制实验平台，可以对机械手的控制算法开展实验研究。本文的工作围绕以下几 方面展开： 1 - 参照机械手控制系统的通用模型，应用“上位机下位机控制对象” 的设计思路对实验平台进行设计。从实验平台的测试功能和实验功能的要求出发， 提出了模块化、开放性和通用性的设计思想，设计了机械手控制实验平台的整体 结构。 2 按照机械手控制实验平台的整体结构设计了该平台的硬件系统。硬件系统 包括上位机和下位机两部分，主要的工作是下位机控制台的设计，包括控制台的 外观设计，接口设计和电气设计。在控制台的电气设计中涉及驱动电路设计，测 试电路设计，通讯电路的设计，控制电路的设计以及电源的设计。设计工作完成 后，对实验平台进行了成功的开发。 3 基于机械手控制实验平台的整体结构设计了系统的软件结构。软件结构分 为上位机和下位机两部分，上位机软件实现的功能为控制算法实现、通讯功能、 仿真显示功能以及扩展功能；下位机软件基于硬件部分实现的功能，完成电机驱 动、关节测试、工作模式切换、与上位机通讯以及对运动芯片的控制。 4 实验平台开发成功后对机械手进行数学建模，应用位置速度p d 控制方法， 未建模动态补偿控制方法和运动芯片编程控制方法在该实验平台上进行实验。实 验中实现了实验平台的测试功能和实验功能，验证了实验平台的通用性和易操作 性，并对该实验平台的实验效果和实验性能作以总结，提出了进一步改进和完善 东北大学硕士学位论文摘要 该实验平台的方法。 关键词：机械手控制，实验平台，运动控制，r 乜 路设计 i i 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h em a n i p u l a t o ri st h em o s tt y p i c a lo b j e c ti nr o b o tr e s e a r c h i th a sb e e nw i d e l y u s e di nh a r da n dd a n g e r o u sc o n d i t i o n sa n dc a nc o m p l e t et a s k ss u c ha sj o i n t i n g ，g r i n d i n g ， s p r a y i n g ，a s s e m b l i n g ，c o n v e y i n gm a dm e d i c a l w i 廿lt h ed e e p e rr e s e a r c h ，m a n y i n t e l l i g e n tc o n t r o ls c h e m e sa r ep r o p o s e d h o w e v e rt h ei n t e l l i g e n tc o n t r o ls c h e m e sa r e n o te a s i l yr e a l i z e di np r a c t i c ea n dl i m i tt os i m u l a t i o nr e s e a r c hb e c a u s eo fb e i n gl a c ko f o p e na n dc o m m o ne x p e r i m e n tp l a t f o r m a n dt h er o b o tm a n i p u l a t o ri ni n d u s t r yt a k e st h e p i dc o n t r o l l e ra st h em a i n s t r e a mc o n t r o ls c h e m e s ot h ec o n t r o le x p e r i m e n tp l a t f o r mo f t h er o b o tm a n i p u l a t o rh a sb e e nu r g e n tr e s e a r c hi nn o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t ya u t o m a t i o n r e s e a r c hc e n t e r t h ec o n t r o le x p e r i m e n tp l a t f o r mo ft h er o b o tm a n i p u l a t o ri sd e s i g n e di nt h i sp a p e r w i t ho p e na n dm o d u l ed e s i g np r o j e c t m a n yc o n t r o ls c h e m e sc a nb ec o m p l e t e di nt h i s p l a t f o m a t h i sp a p e rc a nb ep a r t e di n t op a r t sa sf o l l o w i n g ： 1 t h ep l a t f o r mi sd e s i g n e dw i t ht h e “u p s t r e a m d o w n s t r e a m c o n t r o lo b j e c t ”c o n t r o l p a r e ma c c o r d i n gt ot h ec o m m o nm o d e lo ft h er o b o tm a n i p u l a t o r 1 1 1 ew h o l es t r u c t u r e o ft h er o b o tm a n i p u l a t o ri s d e s i g n e df r o mt h ed e m a n do ft e s t i n ga n de x p e r i m e n t f u n c t i o nw i t ht h em o d u l e ，o p e na n dc o m m o nd e s i g nt h i n k i n g 2 1 1 1 eh a r d w a r es y s t e mi s d e s i g n e da c c o r d i n gt ot h ew h o l es t r u c t u r ew i t ht h e u p s t r e a mp a r ta n dd o w n s t r e a mp a r t t h em a i nt a s ki st h ed e s i g no fd o w n s t r e a mc o n t r o l p l a t f o r mi n c l u d i n gt h ea p p e a r a n c e ，i n t e r f a c ea n de l e c t r i cd e s i g n a n dt h ee l e c t r i cp a r t i n c l u d e sd r i v i n gc i r c u i t ，t e s t i n gc i r c u i t ，c o m m u n i c a t i o nc i r c u i t ，c o n t r o lc i r c u i ta n dt h e p o w e rs u p p l y 3 t h es o f t w a r es y s t e mi s d e s i g n e da c c o r d i n gt ot h ew h o l es t r u c t u r ew i t ht h e u p s t r e a mp a r ta n dd o w n s t r e a mp a r t t h eu p s t r e a mp a r ts o f t w a r ei n c l u d e sc o n t r o l a r i t h m e t i c ，c o m m u n i c a t i o nf u n c t i o n ，s i m u l a t i o n d i s p l a y f u n c t i o na n de x p a n d i n g f u n c t i o n t h ed o w n s t r e a mp a r ts o f t w a r ei sb a s e do nh a r d w a r ep a r ti n c l u d i n gm o t o r d r i v i n g ，r o b o t j o i n tt e s t i n g ，t h es w i t c h i n gb e t w e e nt h ew o r km o d e s ，c o m m u n i c a t i o nw i t h u p s t r e a mp a r ta n dt h ec o n t r o lo fm o t i o nc h i p s 4 t h ew a i s tj o i n to f t h er o b o tm a n i p u l a t o ri ss e l e c t e da sc o n t r o lo b j e c t a n dt h ep d c o n t r o l l e r , u n m o d e l l e dc o m p e n s a t i o nb a s e dg e n e r a l i z e dm i n i m u mv a r i a n c e ( g m v ) a n d 东北大学硕士学位论文 t h ef r e q u e n c yr e s p o n s ec o n t r o l l e rb a s e do nh c t l i10 0m o t i o nc h i pa r ed e s i g n e dt o c o m p l e t er e s e a r c hi n t h i sp l a t f o r m t h ee x p e r i m e n tr e s u l t sa r ep r o v i d e dt os h o wt h e e f f e c ta n dr e s e a r c hv a l u eo ft h ep l a t f o r m a n da i m p r o v e m e n td e s i g ni sg i v e nt op e r f e c t t h ep l a t f o r m k e y w o r d s ：r o b o tm a n i p u l a t o re x p e r i m e n tp l a t f o r m ，m o t i o nc o n t r o l ，e l e c t r i cd e s i g n v 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取 得的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或 撰写过的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确 的说明并表示谓 意。 学位论文作者签名：钐珞 日 期： j 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学 位论文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的 复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 ( 如作者和导师同意网上交流，请在下方签名；否则视为不同意。) 学位论文作者签名： 签字日期： 导师签名： 签字日期： 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 1 1 研究背景 第1 章绪论 机械手是一种机电一体化装置，是机器人研究最典型最常用的对象，能够自 动完成焊接、磨削、喷涂、装配、搬运和医护等作业操作，因此在工业现场，特 别是在恶劣危险以及要求精确性较高的环境中的到了广泛的应用j 。早期的机器人 研究几乎都是围绕机械手展开的，多自由度的机械手作为非线性、多变量、强耦 合的动态系统，迄今仍存在很高的研究价值。广义上的机器人研究涵盖了机械、 材料、电子、光学、计算机、通信、自动控制、人工智能和仿生学等诸多学科， 包括机械手、移动机器人、水下机器人等多种形式 2 1 。机械手作为机器人的一个分 支，具有典型的模型对象、传感装置和控制方法，因而可以定义为狭义的机器人。 目前，对于机器人控制研究的一般方法是利用现有的、通用的机器人数学模 型，将提出的新的控制算法应用到该模型，通过仿真曲线来评价该算法的优劣。 但由于现实中应用的机器人与标准的机器人模型在结构上有很大的差别，加之数 学模型建立过程中的种种假设与外界环境的变化干扰和不确定性，因此控制算法 的研究与其现实应用尚有一定距离。如果能够为机器人控制的算法研究提供一个 实际的实验平台，使之不仅仅局限于仿真层面，无疑成为解决该问题的良好途径。 1 2 机器人技术的应用和研究现状 机器人技术的迅速发展，已对许多国家的工业生产、太空和海洋探索、国防 以及国民经济和人民生活产生了重大影响。从上世纪5 0 年代末美国麻省理工学院 研制出第一代应用的机器人至今，全世界已经有近1 0 0 万台机器人。1 9 8 0 年，工 业机器人在日本开始普及，随后在日本得到了巨大发展，日本也因此赢得了“机 器人王国”的美称。之后，随着自动控制理论、电子计算机和航天技术的迅速发 展，人工智能开始与机器人技术结合，机器人技术进入一个新的发展阶段【”。上世 纪9 0 年代，机器人制造业成为发展最快和最好的经济部门之一。进人2 l 世纪， 机器人产业维持了良好的发展势头。经济参考报据联合国欧洲经济委员会1 1 日公 1 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 布的2 0 0 5 年全球机器人调查报告，2 0 0 4 年全球已销售的工业用机器人的数量为 9 5 3 6 8 台，比上年增加1 7 ，连续两年维持两位数增长，机器人技术和工业应用 得到了前所未有的飞速发展。现在的机器人已经能够使用工具，能看、能昕、能 说，并且开始能进行一些决策和思考的智能行为，其应用也从传统的加工制造业 逐渐扩展到军事、海洋探测、宇宙探索等领域，并开始进入家庭和服务行业。特 别是美国在2 0 0 3 年发射的火星探测车“勇气号”和“机遇号”分别在火星的不同 区域安全着陆，并完成了9 0 个火星目的科研工作，体现了迄今为止机器人的最高 应用水平【j 1 。 对机器人的需求和机器人工业的迅速发展，使机器人技术形成了一门综合性 学科机器人学。一般地说，机器人学的研究的目标是以智能计算机为基础的 机器人的基本组织和操作，它包括基础研究和应用研究两方面的内容，其涵盖的 研究领域有：机械手设计、机器人运动学、动力学控制、轨迹设计和路径规划、 传感器、机器入视觉、机器人控制语言、装置与系统结构、机器智能等。近年来， 关于智能机器入的研究得到了越来越多的重视。智能机器人具有学习、推理和决 策的能力。为了提高智能机器人的这些能人，许多最新的智能技术在智能机器人 中得到了应用，如临场感技术、虚拟现实技术、多智能体技术、人工神经网络技 术、多传感器融合技术等【5 】。 1 3 机械手控制研究现状 从机械手控制的角度来看，最基本的问题是：运动学和动力学问题及相应的 控制策略研究【4 h 。运动学包括前向运动学和逆运动学，或分别称为运动学的正问 题和逆问题。其中，前向运动学研究以机器人的各关节参数( 广义坐标) 来决定 终端操作器的位姿；而逆运动学则是研究由期望的终端操作器位姿来得到各关节 变量的过程。显然，由于机械手这种空间连杆机构的复杂性，逆运动学问题比起 其正问题来说要复杂得多。动力学问题主要包括两大类，即运动分析和力分析。 前者研究由机器人连杆系的受力情况( 外力和关节驱动力) 决定各关节运动状况 ( 位置、速度和加速度) ，进而通过运动学方法来最终获得终端操作器位姿的过程 和方法：而后者则是研究由期望的机器人各连杆的运动( 位移、速度和加速度) 得 到需旌加于各关节处的驱功力或力矩的方法和策略，即我们通常所说的控制综合 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 问越。 相对于机器人的总体技术进步来说，其相应的控制部分的发展则显得比较缓 慢。时至今f = = ：i ，大部分实际生产的工业机械手仍以采用p i d 的控制方案为主流【s j 。 要实施高质量( 高速高精度) 的控制，首先就要建立机器人系统的动力学模型。一 种广泛使用的n 自由度刚性机器人动力学方程具有下面的形式川【7 】： d ( g ) 百+ c ( q ，q ) q + ( g ) = f ( 1 1 ) 其中，d ( q ) 为惯性矩阵，c l ( g ，尊) 口包括离心力和哥氏力项，( g ) 为重力项。而f 为 施加于各关节上的广义力，各向量或矩阵均具有适当的维数。 传统的控制方法都强烈地依赖动力学数学模型，在精确知道系统模型时，能 得到很好的控制效果。然而，由于在实际应用中机器人参数不可能足够精确( 建模 过程中的各种假设等近似处理) ，或由于存在一些未建模的特性，再加上不可避免 地存在的一些干扰项( 如终端操作器抬起物体，其重量不可事先知道或确定) ，使 得这些方法不能单独得到实际应用，必须针对这些不确定因素相应地改造控制框 架。在这方面具有代表性的方法为自适应控制、非线性补偿控制、基于李亚普诺 夫第二方法的各种不同的设计方法等。 在研究被控对象的模型存在的不准确性( 当然包括不确定性或不精确性) 及与 未知环境交叉作用较强情况下的控制时，与上述思想不同的另一个有效途径、也 是近年来迅速得到关注的是各种智能控制方法【8 】。智能控制的特点之一，就是将传 统模型的范畴进行扩展形成广义模型，即对传统的模型由微分方程或差分方程的 表达形式加以扩充，以容纳各种形式的行为模型，而且可用人类自然语言的形式 来描述。近年来在机器人的智能控制方面，无论是理论研究还是实际应用 1 5 】【1 6 】 方面都取得了一定的迸展。 近些年，神经网络用于机器人控制的研究引起人们的极大关注 1 0 】，这是因为 神经网络具有学习任何复杂的非线性和不确定性对象的能力。在机器人的神经网 络控制方面，c m a c 是应用得较早且相当成功的解决方案之一，它的最大特点就 是实时性好，尤其适合于多自由度机械臂的现场学习控制。w t m 1 l e r 13 】等进行了 实物实验，采用可编程逻辑阵列( p l a ) 制成了专门芯片，从硬件上实现了c m a c 的控制，其学习机制的理论分析较a l b u s 1 2 的算法，也有了较大的进展。j m i l i t z e r 等还用严格的数学方法论证了各种算法的收敛性及共函数逼近能力的特性，从而 为这方面进一步发展提供了新的可贵的基础。需要进一步研究的主要是其训练算 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 法k - h t t 余参数的选择问题。对此方法在各性能方面的改进也成为研究的热点。 对机器人的模糊控制方面，人们进行了大量的研究上作【1 7 【1 8 】【2 0 】。在理论方 面，j j b a c k l e y 等论证了模糊系统的逼近特性：模糊控制应用的先驱、英国的 e ，h 。m a m d a n i 首次将模糊控制运用予一台实际机器人，从实验方面展现了模糊 控制在此方面的应用潜力。此外，模糊系统在机器人的建模、控制、对柔性臂的 控制、力位控制、模糊补偿控制以及移动机器人的路径规划等各个不同方面都得 到了广泛的应用与研究。 另外，变结构控制系统极其可贵的独特鲁棒性理所当然地决定了其在机器人 控制方面的应用研究会较深入且富有成果1 2 1 1 1 2 2 】【2 3 】。众所周知，抖振是阻碍变结构 实际应用的致命原因，对其固有的抖振进行削弱的各种改进算法也被陆续地提出 来，如设计滑动扇区以取代原有的切换直线、动态调整滑模参数、在线估计滑模 参数、设计非线性的滑动流型以取代线性切换面等。 在上述三种智能方法独立研究的基础上，其间的交叉融合研究也在同时进行。 如模糊控制与神经网络的融和研究、神经网络与变结构控制的融和研究、以及模 糊控制与变结构控制的融和研究等。其目的是扬长避短，发挥各种方法的优势。 迄今为止，智能控制方法已在多个方面得到了广泛的成功应用，尤其以模糊控制 的工程应用最为突出。 近年来，随着人们对机器人高速高精度要求的不断提高，使得整个机器人系 统对其控制部分的先进性需求也越来越迫切。显然，实现机器人先进的控制功能 依赖于多方面的因素，如： l ，控制理论应用的发展水平， 2 集成电子技术的光进程度， 3 控制运算部件( c p u ) 精度和速度， 4 存储器件的容量与存取速度， 5 伺服控制部分的性能及数字化程度， 6 ，人机界面的友好程度， 7 机器人语言及编辑功能， 8 ，可编程能力， 9 + 诊断和通信功能等。 但更为重要的是如何将控制理论的最新成果引入实际机机械手来研究。因此，开 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 发一套实验系统，用于将研究的最新控制算法方便、直接地实现显得尤为重要。 1 4 机械手控制实验平台存在的问题 现行的商品化机器人实验系统均采用封闭结构的专用控制器，一般采用专用 计算机作为上层主控计算机，使用专用机器人语言作为离线编程工具，采用专用 微处理器，并将控制算法固化在e p r o m 中。这种专用系统很难集成外部硬件( 包 括传感器和软件) ，修改封闭系统的代价是非常昂贵的。如果不进行重新设计，对 控制算法进行修改和实验在技术上是不可能的。这种实验系统的实验范围也仅仅 局限于机器人学的研究。 而自行研发的开放式机器人控制器【2 6 1 可以提高系统的柔性、可配置性、可扩 展性、交互性、可交换性、可移植性、可伸缩性、可靠性和复用性，开放式机器 人控制器的优点主要有： 1 开放式机器人控制器的设计可以由用户或第三方开发人员更换或修改，可 以根据需要进行机器人控制器改型，开放式机器人系统的应用范围更广。硬件和 软件结构很容易集成传感器、操作接口、新的伺服控制规律等。 2 开放式机器人控制器采用模块化技术，开发机器人系统的过程中可以使用 经过测试、性能良好的子系统模块。采用通用模块使得重复性的开发工作大大减 少，简化了编程工作，从而减少了整个系统开发的时间和成本。 3 开放式控制器便于实现平台、操作系统和用户接口的标准化。通用开放式 控制器具有减少培训需求、降低系统支持需求和减少维护成本的前景。 4 硬件和软件实现的开放式方法使得任何符合接口标准的第三方硬件和软件 包都可以添加到系统中或替换功能相同的部件，加速了从研究系统向可操作系统 的转化。 1 5 本文的工作 基于上述原因，开发新一代的开放式机器人控制系统变得尤为重要，特别是 对于方便、直接地开展各种控制算法实验的控制平台的需求更为迫切。机械手控 制实验平台是东北大学自动化研究中心9 8 5 工程项目“流程工业自动化科技创新 东北走学硕士学值论文 第1 章绪论 发一套实验系统，用于将研究的最新控制算法方便、直接地实现显得尤为重要。 1 4 机械手控制实验平台存在的问题 现行的商品化机器人实验系统均采用封闭结构的专用控制器，一般采用专用 计算机作为上层主控计算机，使用专用机器人语言作为离线编程工具，采用专用 微处理器，并将控制算法固化在e p r o m 中。这种专用系统很难集成外部硬件( 包 括传感器和软件) ，修改封闭系统的代价是非常昂贵的。如果不进行重新设计，对 控制算法进行修改和实验在技术上是不可能的。这种实验系统的实验范围也仅仅 局限于机器人学的研究。 而自行研发的开放式机器人控制器【“1 可以提高系统的柔性、可配置性、可扩 展性、交互性、可交换性、可移植性、可伸缩性、可靠性和复用性，开放式机器 人控制器的优点主要有： 1 开放式机器人控制器的设计可以由用户或第三方开发人员更换或修改，可 以根据需要进行机器人控制器改型，开放式机器人系统的应用范罔更广。硬件和 软件结构很容易集成传感器、操作接口、新的伺服控制规律等。 2 开放式机器人控制器采用模块化技术，开发机器人系统的过程中可以使用 经过测试、性能良好的子系统模块。采用通用模块使得重复性的开发工作大大减 少，简化了编程工作，从而减少了整个系统丌发的时间和成本。 3 开放式控制器便于实现平台、操作系统和用户接口的标准化。通用开放式 控制器具有减少培训需求、降低系统支持需求和减少维护成本的前景。 4 硬件和软件实现的开放式方法使得任何符合接l _ 标准的第i 方硬件和软件 包都可咀添加到系统中或替换功能相同的部件，加速了从研究系统向可操作系统 的转化。 1 5 本文的工作 基于上述原因，开发新一代的开放式机器人控制系统变得尤为重要，特别是 对于方便、直接地开展各种控制算法实验的控制平台的需求更为迫切。机械手控 制空验平台是东北大学f i 动化研究中心9 8 5t 程项目“流程t q p n 动化科技创新 制实验平台是东北大学自动化研究中心9 8 5 工程项目“流程工业自动化科技创新 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 发一套实验系统，用于将研究的最新控制算法方便、直接地实现显得尤为重要。 1 4 机械手控制实验平台存在的问题 现行的商品化机器人实验系统均采用封闭结构的专用控制器，一般采用专用 计算机作为上层主控计算机，使用专用机器人语言作为离线编程工具，采用专用 微处理器，并将控制算法固化在e p r o m 中。这种专用系统很难集成外部硬件( 包 括传感器和软件) ，修改封闭系统的代价是非常昂贵的。如果不进行重新设计，对 控制算法进行修改和实验在技术上是不可能的。这种实验系统的实验范围也仅仅 局限于机器人学的研究。 而自行研发的开放式机器人控制器【2 6 1 可以提高系统的柔性、可配置性、可扩 展性、交互性、可交换性、可移植性、可伸缩性、可靠性和复用性，开放式机器 人控制器的优点主要有： 1 开放式机器人控制器的设计可以由用户或第三方开发人员更换或修改，可 以根据需要进行机器人控制器改型，开放式机器人系统的应用范围更广。硬件和 软件结构很容易集成传感器、操作接口、新的伺服控制规律等。 2 开放式机器人控制器采用模块化技术，开发机器人系统的过程中可以使用 经过测试、性能良好的子系统模块。采用通用模块使得重复性的开发工作大大减 少，简化了编程工作，从而减少了整个系统开发的时间和成本。 3 开放式控制器便于实现平台、操作系统和用户接口的标准化。通用开放式 控制器具有减少培训需求、降低系统支持需求和减少维护成本的前景。 4 硬件和软件实现的开放式方法使得任何符合接口标准的第三方硬件和软件 包都可以添加到系统中或替换功能相同的部件，加速了从研究系统向可操作系统 的转化。 1 5 本文的工作 基于上述原因，开发新一代的开放式机器人控制系统变得尤为重要，特别是 对于方便、直接地开展各种控制算法实验的控制平台的需求更为迫切。机械手控 制实验平台是东北大学自动化研究中心9 8 5 工程项目“流程工业自动化科技创新 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 工作平台”中“智能机器人实验平台”的主要研究课题，核心任务是开发一套机 械手控制平台，目的是用于开展机械手控制算法实验，以及结合移动机器人平台 2 4 1 2 5 【2 6 1 ，针对自动化专业本科课程自动控制原理和计算机控制技术设计 教学实验。 本文的主要工作包括以下几个方面： 1 对该实验平台的控制对象z e b r a z e r o 机械手的整体结构、系统组成进行 研究和总结，并对机械手各组成部分的工作原理进行详细的分析。 2 参照机械手系统的通用模型，将整体的设计分为上位机、下位机和控制对 象三部分。按照实验平台的功能要求提出系统的整体结构和模块化、开放性和通 用性实验平台的设计思想。 3 具体设计的内容有实验平台的硬件设计，包括下位机控制台的外观发计， 接口设计和电气设计；对于软件部分的设计包括上位机界面的开发，上位机控制 算法的编程和下位机软件设计。 4 实验平台开发成功后进行了测试实验和算法验证实验。应用位置速度控制 方法，未建模动态补偿控制方法和运动芯片编程控制方法进行控制器的设计。实 现了实验平台的功能要求，验证了实验平台的通用性和可操作性。在实验的基础 上，对该实验平台的实验效果和实验性能作以总结，并提出了进一步改进和完善 该实验平台的方法。 东北大学硕士学位论文第2 章机械手控制对象描述 第2 章机械手控制对象描述 机械手控制实验平台是以美国i m i 公司生产的六自由度z e b r a z e r o 机械手 为控制对象，本章对该机械手的结构、系统组成以及各部分的：f = 作原理进行详细 的说明，在此基础上对机械手的腰关节进行建模。 2 1 机械手的结构与系统组成 图2 1 机械手结构不惹图 f i g 2 1c o n f i g u r a t i o no f m a n i p u l a t o r 如图2 1 ，控制对象部分由机械手臂和传动机构，驱动电机以及传感器三部分 组成。外部驱动器对机械手的关节电机进行驱动，电机轴与齿轮传动机构向连， 带动机械手各个关节实现运动功能。传感器也与电机轴相连，实时反映电机的运 动状态即机械手的运动状态。 图2 2 机械手实物图 f i g 2 2p h o t oo f m a n i p u l a t o r - 7 - 东北大学硕士学位论文第2 章机械手控制对象描述 实验平台中的z e b r a z e r o 机械手是美国i m i 公司生产的一台小型低惯量的 机械手，其运动的最大速度加速度有一定范围限制，只能承受轻度的损伤。最大 承受力1 0 0 k g f ，力矩4 0 0 0 k g f m m ，正常工作时，作用力限幅最大为2 0 k g f ， 力矩5 0 0 k g f m m 。圈2 2 为该机械手实物照片。 关节的运动依靠直流电机实现，六个自由度对应六个关节，六个关节对应六 个直流电机。表2 1 表示图2 2 所示关节对应的电机型号以及一些重要的参数。 图2 3 显示两种电机转矩与电机转速以及电机电流之间的关系。 表2 1 关节电机参数 t a b l e2 1p a r a m e t e ro f m o t o r 序号对应关节电机型号电机参数 1 腰关节 p i t t m a n k r = 5 5 1 + 1 0 。n j r d a ，k e = 5 5i * 1 0 v r a c l s ，r t = 1 7 3 g m l 4 6 0 2 q ，l = 2 5 4 m h ，e = 2 4 v ，j m = i 6 2 1 0 k g m 2 2 肩关节 p i t t m a n k r = 5 5 i + 1 0 n m a ，k e = 5 5 1 * 1 0 w r a d s ，r r = 1 7 3 g m l 4 6 0 2 q ，l - - 2 5 4 m h ，e = 2 4 v ，j r _ j r = 1 6 2 1 0 一k g i n 2 3 臂关节 p i t t m n k t = 3 6 5 1 0 n m a ，k e = 3 6 5 * 1 0 。v r a d s ，r t = 2 9 j g m 9 6 3 4 0 ，l = 2 5 i m h ，b 叱= o 1 6 a ，i p = 8 1 i a ，e = 2 4 v ，j m = 4 1 7 + 1 0 西k 1 t i 4 腕关节 p l t t m a n k t = 3 6 ，5 + 1 0 n m a ，k e - - 3 6 5 1 0 v r a d s ，r r = 2 。9 6 g m 9 6 3 4 q ，l = 2 5 1 m h ，i n f 0 1 6 a ，1 p = 8 1 i a ，e = 2 4 v ，j m = 4 1 7 1 0 k g m 5 手关节 p i t t m 慷n k t = 3 6 5 t 0 n m a ，k e = 3 6 5 1 0 v r a d s ，r t - - 2 9 6 ( 转动) g m 9 6 3 4 q ，l = 2 5 1 m h ，i m , = 0 1 6 a ，i p = 8 1i a ，e = 2 4 v 。j r = 4 1 7 1 0 k g i n 6 手关节 p i 下n 讧a n k r = 3 6 5 + 1 0 n m a ，k e = 3 6 5 + 1 0 v r a d s ，r t = 2 9 6 ( 平动) g m 9 6 3 4 q ，l = 2 5 1 m h ，i n l = 0 1 6 a ，1 p = 8 11 a ，e = 2 4 v ，j m = 4 1 7 1 0 k g m 2 图2 3 电机转矩与转速以及电流的关系 f i g 2 3m o t o rs p e e d c u r r e n tv s t o r q u e 机械手的实时运动信号的反馈依靠光学编码器实现，每个关节臼勺驱动电机都 配有光学编码器。编码器与电机转轴相连，被固定到电机的尾部，与电机联成一 体。实验平台中使用的六个编码器都是f a u l h a b e r 公司生产的h e d s - 5 5 0 0 ，采用相 对式编码计数。工作电压+ 5 v ，双通道计数，相位引前9 0 度，每转动一周输出9 6 东北大学硕士学位论文第2 章机械手控制对象描述 - - 1 0 2 4 个脉冲，输出t t l 电平信号。 2 2 机械手各部分工作原理 2 2 1 关节电机的工作原理 实验用机械手的关节电机采用p i t t m a n 系列中的g m 9 x 3 4 无刷直流电机，最大 工作电压为2 4 v ，采用p w m 调速方式2 7 1 1 28 1 ，对称式桥式电路驱动障9 1 。直流电动机 的机械特性方程式为： 门：导一半q 中2 ( 2 - 1 ) l pl p 改变电枢电路电阻r 、外加电压u 及磁通中三者中的任何一个参数就可以改变 机械特性曲线，从而也就改变电机的稳定运转的速度，因此直流电动机的基本调 速方式有三种，即调r 、调u 、调中1 3 0 1 。 直流调速系统主要是随着可控直流电源的发展而不断的更新换代。到目前为 止，常用的可控硅直流电源主要包括旋转变流机组、可控晶闸整流器、直流斩波 器或脉宽调制变换器。该系统中的电机调速，采用p w m 脉宽调制方式。脉冲宽度 调制简称脉宽调制，其电源由外加直流电源供给，而脉冲放大器用一个以固定频 率开关而宽度可以改变的电压来控制。改变脉冲宽度也就可以改变加于电动机电 枢两端的平均电压以及电机的转速。改变脉冲宽度也就可以改变加于电动机电枢 两端的平均电压以及电机的转速。 r一 i 0 ， 1 ： - 图2 4 脉冲调速的示意图 f i g 2 4p w mt i m i n gp r i n c i p l e 如图2 4 所示为脉冲调速的示意图。一个固定的直流电压u 经过以一定频率 东北大学硕士学位论文第2 章机械手控制对象描述 开闭的开关k 的控制作用来改变加到电动机电枢上的电压。假定开闭周期为t ， 每次闭合的时间为t ，则电枢两端的平均电压为u d = ru 厂r 。可见，当t 不变( 频 率固定) ，只要改变导通时间就可以改变电枢两端的平均电压，从而改变电机的转 速。+ 般开闭时间t 选得比电机的机电时间常数小的多，因此用这种方法来控制 电机不会引起转速脉动的。系统中采用的p w m 波开关频率为2 0 k h z 。频率过低， 电枢电流容易断续，是机械特性变坏、精确度降低、效率也低，电机运行时还会 产生抖动。频率过高，三极管单位时间内转换的次数太多，管耗增大，温度过高， 如果散热条件不好，容易将管子烧毁。为了保证开关断开时电流还能维持继续， 通常在电枢两端并联一个续流二极管，当开关三极管断开期问，储存在电枢电感 中的能量可以通过二极管释放，因此尽管电压成脉冲状，而电流则是连续的。 在小功率的调速系统和随动系统中最常用的是对称式桥式电路，如图2 5 所 不。 图2 , 5 对称式桥式电路 f i g 2 5w o r k i n gp r i n c i p l ef o rh - b r i d g ec i r c u i t 当要求正转时，在晶体管的基极上加上一定宽度的控制脉冲，间断导通电机 正转。改变控制脉冲的宽度就可以改变转速。当要求电机反转式，在基极加上控 制脉冲，随之间断导通，电机反转。实际上也可以采用另外一种控制正反转的方 式，即在四个三极管上同时加上控制脉冲，但两组管子的脉冲极性相反。如果正 组管导通时问长，那么电机将正转；如果反组导通时间长则反转。两组管子导通 的时间一样长，电机将静止不动。这种电路采用直流电源时电机还能进行再生制 动。 旺陆 东北大学硕士学位论文第2 章机械手控制对象描述 2 2 2 传动机构工作原理 机械手具有六个自由度，对应机械手的六个关节，机械手工作时关节运动如 图2 6 所示 图2 6 机械手工作示意图 f i g 2 6w o r k i n gp r i n c i p l eo fm a n i p u l a t o r 机械手的所有关节运动都是有电机带动的，而且它的齿轮结构是耦合的。其 传动机构的工作原理川如图2 7 ，2 8 所示： 图2 7 机械手荚节传动示意图1 f i g 27w o r k i n gp r i n c i p l ef o rm a c h i n et r a n s m i s s i o n1 一号电机转动将动力传给齿轮b ，齿轮b 与齿轮b 咬合，b 固定在底座上 从而使机械手相对与底座发生相对转动，实现腰部的转动；二号电机转动将动力 东北大学硕士学位论文第2 章机械手控制对象描述 传给齿轮c ，齿轮c 与斜齿轮c 咬合，斜齿轮c 与轴a 配合从而带动肩关节 的转动。 图2 8 机械手关节传动示意图2 f i g 2 8w o r k i n gp r i n c i p l ef o rm a c h i n et r a n s m i s s i o n2 三号电机转动将动力传给齿轮d ，齿轮d 与齿轮d 1 咬合，齿轮d 1 通过轴将动 力传给斜齿轮d 2 ，斜齿轮d 2 与斜齿轮d 3 咬合，将动力传给斜齿轮d 3 ，斜齿轮 d 3 固定在前臂的套筒上从而带动前臂运动。四号电机转动将动力传给齿轮e ，齿 轮e 与齿轮e l 咬合，齿轮e 1 通过轴将动力传给斜齿轮e 2 ，斜齿轮e 3 同时与斜齿 轮e 2 、e 4 咬合这样动力就传到斜齿轮e 4 上，斜齿轮e 4 通过轴将动力又传给齿 轮e 5 ，齿轮e 5 与齿轮e 6 咬合同时固定在中空轴m 上，手腕部就是与中空轴m 相 连，中空轴m 转动从而带动腕部转动。 五号电机是控制手爪的运动，它控制的动作是使手爪能够实现自转。它的动 东北大学硕士学位论文第2 章机械手控制对象描述 力传动过程撼本上与前三个电机相似，不同的是在动力传到前臂时是通过一个中 空轴将动力传给斜齿轮g 6 ，g 6 通过g 7 将动力传给h 实现自转。但由于齿轮f 5 、 f 6 、g 6 、g 7h 是耦合的，实际上要实现自转五号六号电机应同时转动或五号电 机转动时六号电机无负载，否则将阻碍自转运动。六号电机转动将动力传给齿轮 f 齿轮f 与齿轮f l 咬合，齿轮f 1 通过轴将动力传给斜齿轮f 2 ，斜齿轮f 3 同时与斜 齿轮f 2 和f 4 相咬合，这样动力传到齿轮f 4 上，齿轮f 4 固定在l 轴上，l 轴通 过键配合与斜齿轮f 5 连接。这样五号电机的转动会引起轴l 的转动，l 的转动带 动f 5 的转动。f 6 同时与斜齿轮f 5 固定在手爪上的斜齿轮h 齿轮咬合l 的转动将 使手爪能够摆动1 8 0 度。 2 2 3 光学编码器的工作原理 机械手的位置传感器是机器人最早、最广泛使用的传感器，它用于检测机械 手各运动关节的旋转角度或伸缩距离。对于旋转关节，通常采用光电轴角编码器 检测关节角度3 2 】，这种传感器分为绝对编码传感器和增量编码传感器两类。这两 种传感器都是利用光电转换原理，将随轴转动的码盘角度或者码盘角度的变化量 转换成电脉冲，并由此得到角度信号。增量式光电角编码器的工作原理如图2 9 所示： 图2 9 增量式光电编码器的工作原理 f i g 2 9w o r k i n gp r i n c i p l ef o ri n c r e m e n te n c o d e r 它采用的码盘沿圆周排列了一圈黑白相间的条码，一对发光二极管、光电二极管 安装在码盘两侧。当黑色条纹转到两个二极管之间时光线被遮挡，光电二极管输 出信号为0 ，否则为1 。因此随着码盘的转动得到一串脉冲信号，每个埋藏对应于 一组黑白条纹，通过累积脉冲数就可以得到转动的角度。 1 3 东北大学硕士学位论文 第2 章机械手控制对象描述 为了区分转动的方向，通常采用两对发光、光电二极管同时进行检测。这两 对二极管安装位置存在