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哈尔滨理t 大学t 学硕士学位论文 多步进电机的同步精确运动控制研究 摘要 步进电机作为一种执行元件，具有控制简便、定位准确等特点，在许多领域得 到了广泛的应用。随着对各种机械性能和产品质量要求的逐渐提高，许多控制领域 需要对多台步进电机进行同步协调控制，如军事、航空、机器人控制等。因此，深 入研究多步进电机的同步控制，提高其运动控制精度具有重要的意义。 本文是基于多操作机排牙机器人的研究，以数字i o 接口卡作为步进电机控制 的硬件基础，采用软件程序来实现多步进电机的同步精确运动控制。这种控制方法 的关键是软件程序，软件程序的好坏将决定是否能实现步进电机的同步协调控制。 本文首先对多操作机排牙机器人的整体结构及工作原理进行了阐述，并对单步进电 机的控制方法和精确定时方法进行了详细的分析，提出了一种单步进电机精确运动 控制的实时定时软件实现方法；然后对多步进电机的控制方法和w i n d o w s 操作系统 多任务控制机制进行了进一步的分析，提出一种基于令牌调度的并发控制策略，实 现了多步进电机同步控制；最后针对多操作机排牙机器人5 0 个步进电机编制了同 步控制程序，并进行了实验。实验表明，将本文所提出的多步进电机同步控制策略 应用到多操作机排牙机器人中，能够使受力结构受力均匀，减小了因受力结构变形 而产生的排牙障碍，增加了控制的灵活性，同时缩短排牙时间，提高了排牙效率。 本文的研究成果也为其它行业的多步进电机同步精确运动控制提供了有效的 控制方法，为多步进电机的应用开拓了更广阔的天地。 关键词多步进电机；同步控制；精确控制；排牙机器人 哈尔滨理t 大学工学硕士学位论文 r e s e a r c ho ns y n c h r o n i z a t i o na n d p r e c i s i o nm o t i o nc o n t r o lo f m u l t i p l e s t e p p i n gm o t o r s a b s t r a c t a sa l le x e c u t i n gc o m p o n e n t , as t e p p i n gm o t o rh a sc h a r a c t e r i s t i c so f s i m p l ec o n t r o l , a c c m a t ep o s i t o n i n ga n d8 4 ) o na n di sa p p l i e di nm a n yf i e l d s b e c a m eo f t h e h i g hd e m a n d f o rm e c h a n i s mp e r f o r m a n c ea n dp r o d u c tq u a l i t y , m o r es t e p p i n gm o t o r sn e e dt ob e c o n t r o l l e da n dr u ni np h a s ei nm a n yc o n t r o lf i e l d s , s u c ha sm i l i t a r ya f f a i r s , a v i g a t i o n , r o b o tc o n t r o la n ds of o r t h s oi th a sa l li m p o r t a n ts i g n i f i c a n c 蟹t od e e p l ys t u d yo nm u l t i p l e s t e p p i n gm o t o r ss y n c h r o n i z a t i o nc o n t r o la n di m p r o v et h e i rm o t i o nc o n t r o lp r e c i s i o n t h i st h e s i si sb a s e do nt h er e s e a r c ho na m u l t i - m a n i p u l a t o rt o o t ha n a n g e m e n tr o b o t as o f t w a r ep r o g r a mi sa d o p t e dt or e a l i z es y n c h r o n i z a t i o na n dp r e c i s o nm o t i o nc o n t r o lo f m u l t i p l es t e p p i n gm o t o r st a k i n gad i g i t a li oc a r da st h eh a r d w a r eb a s eo fs t e p p i n gm o t o r c o n t r 0 1 t h ek e yo ft h i sc o n t r o lm e t h o di st h es o f t w a r ep r o g r a m , w h i c hd e c i d e sw h e t h e r t h es y n c h r o n i z a t i o nc o n t r o lc a nb er e a l i z e d f i r s t l y , t h ew h o l es t r u c t u r ea n dw o r k i n g t h e o r yo ft h em u l t i - m a n i p u l a t o rt o o t ha r r a n g e m e n tr o b o ta r ed i s c u s s e d s e c o n d l y , t h e c o n t r o lm e t h o d so fo n e s t 印p i n gm o t o ra n dt i m i n gm e t h o d sa r ea n a l y z e di nd e t a i la n da s o i h a l er e a l i z a t i o nm e t h o do fp r e c i s i o nm o t i o nc o n t r o lo fo n es t e p p i i l gm o t o ri s p r o p o s e d t h i r d l y , t h ec o n t r o lm o h o d so fm a s ss t e p p i n gm o t o r sa n dm u l t i - t a s kc o n t r o l m e c h a n i s mo f w i n d o w so p e r a t i n gs y s t e ma l ef u r t h e ra n a l y s e da n da s t r a t e g yo f m u l t i p l e s t e p p i n gm o t o r ss y n c h r o n i z a t i o nc o n t r o lb a s e do np ca n di 0c a r d si sb r o u g h tf o r t h f i n a l l y , as y n c h r o n i z a t i o nc o n t r o lp r o g r a mi sp r o g r a n u n e df o r5 0s t e p p i n gm o t o r so ft h e m u l t i - m a n i p u l a t o rt o o t ha r r a n g e m m tr o b o ta n da ne x p e r i m e n ti se x e c u t e d t h er e s u l t s h o w st h a tw h e nt h es t r a t e g yo fm u l t i p l es t e p p i n gm o t o r ss y n c h r o n i z a t i o nc o n t r o l p r o p s e di nt h i st h e s i si sa p p l i e di nt h em u l t i m a n i p u l a t o rt o o t ha r r a n g e m e n tr o b o t , t h e s t r u c t u r ew i l le x p e r i e n c eau n i f o r mf o r c e w h i c hd i m i n a t e st h et o o t ha n m g m go b s t a c l e p r o d u c e db y t h ed e f o r m i t yo fs t r u c t u r e , i n c r e a s e st h ea g i l i t yo fc o n t r o l ，s h o r t e n st h et o o t h a r r a n g i n gt i m ea n di m p r o v e st h et o o t ha r r a n g i n ge f f i c i e n c y i i - 哈尔滨理工人学工学硕+ l ：学位论文 t h er e s e a r c ho ft h i st h e s i sa l s oo f f e r sa l le f f e c t i v ec o n t r o lm e t h o df o rt h em u l t i p l e s t e p p i n gm o t o r ss y n c h r o n i z a t i o nc o n t r o li no t h e rf i e l d sa n db r e a k sa 诵d ep a t hf o rt h e a p p l i c a t i o no f m u l t i p l es t e p p i n g m o t o r s k e y w o r d sm u l t i p l es t e p p 吨 t o o t h - a w a n g e m e n tr o b o t - i i i 哈尔滨理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文多步进电机的同步精确运动控制 研究，是本人在导师指导下，在哈尔滨理工大学攻读硕士学位期间独立进行研究 工作所取得的成果。据本人所知，论文中除已注明部分外不包含他人已发表或撰写 过的研究成果。对本文研究工作做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式注 明。本声明的法律结果将完全由本人承担。 作者签名：荡暑：番 日期：力竹年弓月习e l 哈尔滨理工大学硕士学位论文使用授权书 多步进电机的同步精确运动控制研究系本人在哈尔滨理工大学攻读硕士学 位期间在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研究成果归哈尔滨理工大学所 有，本论文的研究内容不得以其它单位的名义发表。本人完全了解哈尔滨理工大学 关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有关部门提交论文和电子版本， 允许论文被查阅和借阅。本人授权哈尔滨理工大学可以采用影印、缩印或其他复制 手段保存论文，可以公布论文的全部或部分内容。 本学位论文属于 保密，口在 不保密舀 ( 请在以上相应方框内打4 ) 作者签名：勃苏卷 年解密后适用授权书。 日期：释3 月别日 ， - , - 9 n - 签- 名：j 触t 日期：叫年；月日 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 第1 章绪论 1 i 课题研究背景及意义 本课题来源于国家自然科学基金项目：“多操作机全口义齿排牙机理及实验 研究 ( 编号：5 0 6 7 5 0 5 4 ) 。 多操作机排牙机器人是一套计算机辅助设计、机器人辅助操作的全口义齿 制作系统。它的研制成功将为口腔修复医学提供一种高效率、高质量、自动化 的全口义齿制作设备，改变了传统的手工操作模式，实现了全口义齿排牙的数 字化和定量化，避免了手工技师因疲劳、情绪、疏忽等原因造成的失误，确保 了义齿的质量，提高了工作效率，同时克服了单操作机排牙机器人的定位困 难，定位精度低，排牙时间长，效率低等缺点【卜3 1 ，极大的促进机器人技术以 及口腔修复医学的发展。 多操作机排牙思想是采用多个操作机分别实现对每个人工牙的位置和姿态 的独立调整和操作，同时利用牙弓曲线发生器来获得牙列的牙弓曲线，从而极 大地减少整个机器人的自由度数目。这一思想不需要机器人对复杂形状人工牙 的依次抓取操作，以及人工牙在排牙过程在任意空间的定位和固定问题。每个 操作机负责自己的人工牙排列，采用共轭牙套的方法来实现对人工牙的精确抓 取。 由于人的每颗牙齿经设定具有五个自由度。因此，多操作机排牙机器人安 置了5 0 个步进电机并对其进行驱动控制来完成1 4 颗牙齿的排列。为了在排牙 过程中使受力结构受力均匀，减小因受力结构变形而产生的排牙障碍，增加控 制的灵活性，同时缩短排牙时间，提高排牙效率，对5 0 个步进电机实现同步 运动控制非常重要。然而，对这样一个具有5 0 个步进电机的庞大的控制系统 进行同步控制无疑具有一定的难度。同时由于多电机在很多行业应用越来越广 泛，对同步运动要求高的过程控制场合，多电机同步精确运动控制也显得越发 重要，对其研究越来越深入，但能够同步控制的电机数却十分有限，控制精度 低，因此对多电机的同步精确运动控制始终是一个有待解决的难题，本课题的 研究主要解决这样多步进电机的同步精确运动控制以及控制中运动之间的协调 等问题，课题研究的成功不仅弥补了多操作机排牙机器人步进电机顺序控制所 带来的不足，实现了排牙机器人5 0 个电机的同步精确运动控制，而且对其它 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 行业多电机控制的实现具有重要意义。 1 2 多电机在机器人领域中的应用 在机器人控制领域，很多类型机器人具有多自由度、多关节，如蛇形机器 人，多指灵巧手机器人，仿人头像机器人，双足步行机器人等，在这些机器人 控制中常常需要大量电机进行同步协调控制来实现其运动。 蛇形机器人是一种新型的仿生机器人，外形狭长m 】。为更好模仿蛇的运 动，蛇形机器人的躯体结构设计将与蛇形相仿，由多个关节串联组成，同时通 过多个电机进行驱动，来完成运动功能。如德国k a r l l p a a p 研制了( g m d m a k c l ) 1 ，该样机每节由两个橡胶关节组成，一个单元有四组驱动装置( 8 个电 机、可以在垂直和水平方向上弯曲，其优点是运动在各个方向灵活，缺点是抬 起时由于重力作用，关节将产生失控的扭动作用，如图1 - 1 所示，随后又推出 了第二代刚性蛇形机器人嗍，每一单元由三个电机驱动，单元之间用万向节连 接，同时在机体的周围安装有小的被动轮充当鳞片的作用。 图1 1 蛇形机器人g m d图1 - 2s t a a f o r d j p l 多指手 f i g1 - 1s n a k e - l i k er o b o t g m df i g1 - 2s t a u f o r d j p l m u l t i - f i n g e r e d h a n d 多指机器人手的研究克服了传统的工业机器人末端夹持器灵活性差、缺少 感知能力和精确的力控制等缺点，从结构与功能上模仿人手，可以实现对多种 物体的灵巧操作和精确的力控制，具有解决一些复杂作业问题的可能性【9 ，”l 。 如2 0 世纪8 0 年代胡美国斯坦福大学研制成功了s t a n f o r d j p l 手【】“，如图1 - 2 所示，该手有3 个手指，每指各有3 自由度没有手掌，采用1 2 个直流伺服电 机作为关节驱动器，采用n + 1 型腱驱动系统传递运动和动力，可以抓取不同 形状的物体，如方块或鸡蛋等，其控制系统也更为复杂。 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 近几年，双足步行机器人的研究在国内外已经有了飞速的发展，提高其稳 定性与扩大工作空间已成为一种发展趋势。根据人体的结构组成特性，通过设 定，全身总计有2 9 个自由度，北京交通大学的曾强等人通过对双足步行机器 人整体协调运动控制的研究f l ”，克服了传统关节结构设计的缺点，采用局部连 杆机构驱动，直接加电机于关节转动轴上，驱动连杆，通过调整连杆长度，产 生要求角度的自动限位，使关节运动更加稳定可靠，如图1 - 3 所示。 图1 - 3 双足步行机器人 、警眵 ；i i _ i _ - f i g1 - 3 b i p e d w a l k i n gr o b o tf i g 1 - 4 “h & f r o b o t - i ”e x p r e s s i o n a l p h o t o 仿人头像机器人是模仿人类的头部，具有人类面部器官，或者具有人类头 部功能的机器人【l3 “】。哈尔滨工业大学类人与类人猿机器人研究室于2 0 0 4 年 在国内首次研制成功了具有八种基本面部表情( 包括自然表情、严肃、高兴、 微笑、悲伤、吃惊、恐惧、生气) 的仿人头像机器人h & fr o b o t - i 【1 5 ，如图 l - 4 所示，该机器人具有1 4 个自由度，其中仿人头像机器人头部具有7 个自由 度，其结构采用了大量直流伺服电机驱动实现了对人体头部器官运动和基本面 部表情的模仿。 由于机器人头部设计的特点是额定负载小，空间有限，体积和重量要求 小，局部力矩、体积要求比较大。所以，为了减小控制系统复杂性，在满足控 制精度的前提下可采用开环控制。基于机器人这些自身结构和控制的特点，哈 尔滨理工大学罗旆嗄等人在机器人仿生面部的表情模型研究中选用了大量步进 电机驱动机器人头部的眉毛、眼球、眼睑、嘴、下颌、颈部( 共2 2 个自由度) 的模块机构l i ”，如图1 - 5 所示。 囊嗽龟 片 照 隋表咖 rfh “ 4 图 兰玺篓耋三奎耋三兰堡圭兰堡耋三 鬻届 图l - 5 机器人头部的三维模型图 f i f r l - 53 d s m o d e l o f r o b o t h e a d 综上所述，在机器人领域，单一电机已经不能实现复杂的运动要求，其运 动的实现离不开多电机的存在，这也为多电机的控制提出了迫切的要求。 1 3 多电机同步控制的国内外研究现状 国内外对多电机同步控制的研究已经开展很多年了。目前，保持多电机的 协调运转常有两种方法：一种是机械方式；另一种是电方式。电方式的多电机 的协调传动控制使用范围基本上不受限制，使用方式十分灵活。在对多电机之 间的同步运动要求高的过程控制领域( 如机器人控制) ，研究基于电方式的同 步控制，有者更为重大的意义。同步控制应用的主要控制方式从开始时采用传 统的机械总轴到目前的电子控制方式，现今又推出电子虚拟轴的概念。在同步 控制的实时性上自从出现总线方式后也有了比较好的发展，数据传送及时、准 确，目前比较常见的基于总线方式的同步控制有c a n 、p r o f i b u s 、c c l i n k 总线等嗍。 同步控制通常包括三类；( 1 ) 同步控制系统中的各台电动机具有相同的速 度。这是通常的狭义同步，也就是最简单的同步控制”。( 2 ) 同步控制系统中 的电动机保持某一种比例关系。在系统实际工作中，有时并不一定要求各台电 机的速度完全相等，而一般的情况是要求各台电动机之间能协调运行，即要求 系统中第1 台电机的速度和第1 + l 台电机的速度之间始终保持某种比例关系以 满足系统的实际工艺要求，这种情况也被称为协调控制。而且这种比例关系也 是可以调整的，但在调整过程中，依然保持一个比例关系，通常也可以认为这 是一种同步控制 2 0 1 。( 3 ) 一种特殊的工艺要求，不是要求两个输出单元的速度 保持一定的比值，而是要求在不同速度下保持恒定的速差，这种运行方式也可 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 以归为同步控制主令参考和主从方式两种同步控制方法【2 1 1 。 1 3 1 机械总轴多电机同步控制 机械总轴同步控制方式是最早形成的一种同步控制方式，控制策略相对其 它控制方式而言较为简单，在范围较小，系统功率不大的情况下能很好地满足 同步控制的要求。主要由机械部件实现，用一台大功率电动机拖动一根较长的 机械总轴，所有的分区单元电动机都通过齿轮箱胶合在这根总轴上，所有的分 区单元都共用相同的输入信号。 其优点就是其固有的同步性能，但传统的机械同步控制有不足之处： ( 1 ) 用一个电动机拖动多个负载，由于电机的容量有限，限制了负载的拖 动功率，因此系统的总体输出功率较小。 ( 2 ) 机械总轴容易出现震荡现象。机械总轴中的粘性系数小，使传递函数 中的振荡环节容易出现共振现象，难以取得理想的动态性能。 ( 3 ) 受机械总轴固有弹性的限制。当生产工艺要求电机之间距离较远时， 如果采用传统的总轴控制方式，为保证总轴能产生带动负载时所需的扭矩，要 求加大总轴的截面积，从而增加成本。 ( 4 ) 所有的机械单元连接一起，结构相对固定。但当环境变化时，频繁的 单元变动会让系统的操作复杂化。 ( 5 ) 总轴拖动的每一个单元都要配备一个齿轮箱。 1 3 2 电子虚拟总轴多电机同步控制 电子虚拟总轴多电机同步控制最早由l o r e n z 和m e y e r 在1 9 9 9 年提出1 2 z j ， 并由v a l e n z u e l a 和l o r e n z 进一步将其发展田】，。以两台电机为例，如图1 - 6 所 示。虚拟总轴方案模拟了机械总轴的物理特性，因而具有与机械总轴相似的固 有同步特性。虚拟总轴系统的系统输入信号经过总轴的作用后，得到单元驱动 器的参考信号，即参考输入角速度，此时单元驱动器同步的是参考输入信号而 非系统的输入信号。 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 纛缀圭赣 图1 - 6 双电机虚拟总轴同步控制系统结构图 f i g 1 - 6e v l ss t r u c t u r ef o rat w o - m o t o rs y n c h r o n o u sc o n t r o ls y s t e m 优点是同步控制信号是经过总轴作用后得到的、经过过滤后的信号，因此 该信号更易于为单元驱动器所跟踪，从而提高同步性能，并有机械总轴的固有 同步特性。 缺点是虚拟总轴控制系统在启动、负载发生扰动、停机的过程中，轴之间 会产生不同步的现象，并且在主参考值和每个轴之间会保持一个恒定的偏差 洲 o 1 3 3 主令多电机同步控制 主令参考多电机同步控制方式是应用较为广泛的一种同步控制方式【2 5 1 ，如 图1 7 所示，在这种控制方式中，系统所有单元共享一个输入信号，即参考信 号。各单元由独自的电动机驱动，而不再共享同一个电动机输出功率，整个系 统的输出功率可以成倍增加。主令系统的各分区单元之间完全没有耦合，因此 不存在反馈信号，任一单元的扰动都不会影响其它单元的运动状态。在此系统 中，系统的输入信号一主令参考信号，直接作用于每个单元的电动机上，因此 每个单元获得一致的输入信号。 、优点是各单元的输入信号仅受参考信号的影响而不会受其他因素的影响， 如果仅仅是主令参考信号的波动，此时各单元的同步主要靠各单元对主令信号 一致跟随。 缺点是当某一单元发生扰动时，同步就得不到保证。 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 主令参考多电机同步控制方式适用于各单元电动机不会出现较大扰动，控 制系统输出功率高，各单元距离不受限制的场合。 图l - 7 主令同步控制系统结构图 f i g 1 - 7p a r a l l e ls t r u c r n - ef o rat w o - m o t o rs y n c h r o n o u sc o n t r o ls y s t e m 1 3 4 主从多电机同步控制 在仅有两台电动机的情况下，主从控制系统只有一种方式：一台为主电动 机，另一台为从属电动机。主电动机接受给定的输入信号，从属电动机的输入 信号是主电动机的输出信号 2 6 1 。当有多台电动机时，则有两种不同的控制方 式： ( 1 ) 第一台为主电动机，其余的都为从属电动机，如图1 - 8 所示，主电动 机接收给定的输入信号，而所有的从属电动机共享主电动机的输出信号作为其 输入信号。在这种控制方式下，主电动机负载受到扰动时，就会影响所有的电 动机，某一台电动机出现扰动时，则不会影响其它电动机。 图1 8 主从同步控制系统结构图 f i g 1 - 8m a s t e r - s l a v es t r u c t u r ef o rat w o - m o t o rs y n c h r o n o u sc o n t r o ls y s t e m ( 2 ) 第一台电动机为主电机，最后一台电动机为从属电动机，而其余的电 动机既为主电动机也为从电动机，对于前一个电动机而言是从电动机，对于后 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 一个电动机而言是主电动机，除最后一台电动机外，所有电动机都可以扮演主 电动机的角色，其中任何一台电动机发生负载扰动都不会影响到前面的电动 机，如图1 - 9 所示，只会影响到后面的电动机。 q 图1 - 9 主从同步控制系统结构图 f i g 1 - 9m a s t e r - s l a v es t r u c t u r ef o rat w o - m o t o rs y n c h r o n o u sc o n t r o ls y s t e m 优点是从系统跟踪主系统的输出，但对于从系统的控制可以采用与主系统 完全不同的方法，这样大大增加了控制策略的可选择性。主从式同步控制适用 于同步驱动系统中每个单独系统的控制目标基本一致的情况。 1 3 5 交叉耦合多电机同步控制 交叉耦合多电机同步控制策略最初由k o r e n 在1 9 8 0 年提出口7 1 ，其控制原 理图如图1 1 0 所示。交叉耦合同步控制策略最主要的特点就是将两台电机的 速度或者是位置信号进行比较，从而得到一个差值作为附加的反馈信号。将这 个附加的反馈信号作为跟踪信号，根据此跟踪信号，控制系统能够根据任何一 台电机的负载变化进行调整，从而获得良好的同步控制精度。但是同时指出， 这种控制策略不适合两个以上电动机的同步控制情况。 图1 1 0 交叉耦合同步控制结构图 f i g 1 10c r o s sc o u p l i n gs t r u c t u r ef o rat w o - m o t o rs y n c h r o n o u sc o n t r o ls y s t e m 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 1 3 6 偏差耦合多电机同步控制 偏差耦合多电机同步控制策略的主要思想是将某一台电机的速度反馈同其 它电机的速度反馈分别作差，然后将得到的偏差相加作为该电机的速度补偿信 号，增益墨用来补偿各个电机之间的转动惯量的不刚2 引。这种偏差藕合控制 策略能够克服以上各种控制策略的缺点，实现很好的同步性能。图1 1 l 和图 1 1 2 表示了这种偏差耦合控制。 图1 1 l 双电机偏差耦合同步控制系统结构图 f i g l 一1 1r e l a t i v ec o u p l i n gs t r u c i m r ef o r at w o - m o t o rs 弘l c h l u n 吣c o n t r o ls y s t e m l 稿2 图1 1 2 速度补偿器 f i g 1 - 1 2s p e e dc o m p e n s a t i o n 1 3 7 基于c a n 总线的多电机同步控制 c a n ( c o n t r o l l o ra r e an e t w o r k ) 总线是一种具有很高保密性、有效支持分布 式控制或实时控制的串行通信网络。c a n 总线最初是由德国的b o s c h 公司为 汽车的监测和控制系统而设计的，但由于它本身的特点，其应用范围目前已不 再局限于汽车行业，而向过程工业、机械工业、纺织机械、农用机械、机器 人、数控机床、医疗器械及传感器等领域发展，并且已经被i s o 国际标准组织 制订为国际标准。 基于c a n 总线网络的多电机同步控制系统采用总线式多主多从网络拓扑 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 结构。当系统中不仅有工程师层还包括管理层即多个主节点时，主主通信将 实现不同功能主节点的交流。整个控制系统由三部分组成：上位p c 机、c a n 总线、以d s p 控制系统为主的下位机。系统采用p c 机( 或工业p c 机，i e c ) 作 为监控主机，实现对各节点的监控和管理；c a n 总线接口卡完成c a n 协议的 物理层和数据链路层功能，实现p c 机与c a n 总线之间的通信：各从节点通 过d s p 完成数据的收发和对交流电机的控制，网络拓扑结构图如图1 1 3 所示 2 9 1 。 图1 1 3 网络拓扑结构图 f i g 1 - 1 3n e t w o r kt o p o l o g ys t m c t u r e 1 3 8 基于p r o fib u s 总线的多电机同步控制 p r o f i b u s 总线主要由德国西门子公司支持，是按照i s o o s i 参考模型制订 的现场总线。p r o f i b u s 由三部分组成，即p r o f i b u s f m s 、p r o f i b u s d p 及 p r o f i b u s p a 。其中，f m s 主要用于非控制信息的传输，p a 主要用于过程自动 化的信号采集及控制，p r o f i b u s d p 是制造业自动化主要应用的协议内容，是满 足用户快速通信的最佳方案，传输速度为1 2 m b s ，扫描1 0 0 0 个i o 点的时间 少于l m s 3 0 j 。图1 1 4 为实现某印刷机组多电机同步控制而设计的一个基于现场 总线p r o f i b u s d p 的多电机同步控制系统。 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 棚 图l 一1 4 某印刷机组多电机同步控制系统 f i g 1 - 1 3 m u l t i - m o t o r s y n c h r o n o u se o n t r u ls y s t e mb a s e d o n p l x s $ s e t s 综上所述，多电机同步控制的实现方法多种多样。其中前五种方法侧重于 电机控制的硬件设计，一旦硬件系统设计完成后很难改动，灵活性差，所能控 制的电机数量也不多。后两种方法是近年来随着网络技术的发展而出现的较为 新颖的控制方法，其优点在于灵活性好，只需增加或者减少网络的节点数即可 改变所控电机的数量，可以实现多电机的控制。但是，上述方法都需要大量的 硬件资源，成本高，对于需要控制成本的场台很难应用。 1 4 课题的主要研究内容 针对多步进电机在目前难以实现同步控制，控制精度低等问题，本课题基 于对多操作机捧牙机器入的研究，解决多步进电机的同步和精确运动控制问 题，同时弥补了多操作机排牙机器人5 0 个步进电机顺序控制所带来的不足， 本课题主要研究为： 1 多操作机排牙机器人系统结构以及工作原理的研究； 2 通过对单步进电机控制方法和精确定时方法详细分析，对单步进电机精 确运动控制的软件实现方法进行研究； 3 通过对多步进电机控制方法和w i n d o w s 操作系统多任务控制机制的分 析，对多步进电机同步控制策略进行研究； 4 基于多操作机排牙机器人的多步进电机同步控制实验研究。 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 2 1 引言 第2 章多操作机排牙机器人结构分析 人类的上下牙齿全部缺失后，称为无牙颌，需要全口义齿修复。全口义齿 的设计和制作是一项复杂的、操作要求高的精细劳动。然而，传统的义齿制作 具有很大的随机性和局限性，极大的阻碍了口腔医学的发展和医疗质量的普遍 提高【3 l 】，为改善这一情况，机器人技术被引入到口腔医学中，排牙机器人从此 应蕴而生。 最初全口义齿的计算机辅助制作系统主要是由北京理工大学机器人中心和 北京大学口腔医学院联合制作的单操作机系统【3 羽。该系统主要的工作过程是由 计算机控制机器人到牙库中抓取定位块并放到装有光固化胶的托盘中，同时开 启光源，使定位块在光固化胶中固定，定位块固定后，机器人与该定位块分离 来执行下一个牙的排列任务直到排完1 4 颗牙。然后手工将排牙器定位销插入 定位块中，再将各个散牙安放到排牙器的共轭牙套中，向排牙器中浇入液态石 蜡连接各散牙成为一体。这样，各个散牙都达到了自己的目标姿态，从而得到 义齿牙列的最终排列【3 3 1 。该操作系统是进行次序排牙的，这样就带来了排牙过 程中牙齿固定难、排牙精度低、排牙效率低、成本高等问题，针对这些问题， 多操作机排牙机器人的设计思想被提出来。 多操作机排牙机器人采用1 4 个独立的机器人操作机分别实现1 4 个与其相 应人工牙共轭的牙套的位姿，获得牙套列，再进一步转换为牙列。每个操作机 结构相同，分别安装在一个弹性材料( 该弹性材料通过电机驱动可以形成牙弓 曲线) 上，操作机可以在上面进行滑动，以适应不同人的牙弓长度，通过改变 弹性材料上的几个点可以改变曲线的形状，使其逼近真正的牙弓曲线，这样每 个操作机只需要有三个转动的自由度以实现牙齿的姿态0 4 1 。由于考虑到机构的 控制精度和造价等问题，以及步进电机的自身所具有的特点，整个排牙系统采 用了5 0 个步迸电机来进行驱动。该系统避开了机器人手爪直接抓取人工牙， 省略了手爪的结构、解决了单个机器人操作机系统难以实现人工牙在牙库中的 定位、排牙过程中的人工牙依次固定等问题，因而使系统的精度得到大幅度的 提高。 多操作机排牙系统采用了5 0 个步进电机来进行驱动，要实现这样多的步 略尔滨理工大学工学硬士学位论文 进电机的同步精确运动控制，必须首先对系统的结构进行分析，根据其结构特 点来制定合理的控制方案。 2 2 多操作机排牙机器人结构简介 多操作机排牙机器人的结构从外观上可以分为三层，从上至下第一层为1 4 个排牙操作机及其对应的1 4 个步进电机和牙弓曲线发生器部分，第二层为中 间的移动机构部分( 包括8 个步进电机) ，第三层为下方的2 8 个驱动电机及支 架部分，总体结构如图2 1 所示。 e 电机 f 目曲拽置 # 动* 节和 m 自# 自 美节 图2 - 1 多操作机捧牙机器人的结构 f i g 2 - 1s t n l c t m e o f 埘m 6 珊壮j p i _ a t o r t o o t ha m n g 锄鳓tr o b o t 每个排牙操作机结构相同，如图2 - 2 所示。它的下方是两个平行竖直放置 的螺栓杆1 ，2 ，它们分别连接一根由步进电机驱动的钢丝软轴，当步进电机通 过联轴器带动软轴转动时，螺栓杆随之运动，运动的同时相对于滑动板上下移 动。当两个螺栓杆的转动一致时，转动架带着与散牙共轭的牙套( 如图2 - 3 所 示) 上下移动，而牙套是通过销连接固定在转动螺柱上的，这样完成了散牙的 一个移动的自由度；当两个螺栓杆的转动不一致时，转动架带着牙套旋转，完 成了一个转动的自由度。图中的转动螺柱也连接一根由步进电机驱动的软轴， 电机转动时带动转动螺柱的转动，这样转动架就带着牙套旋转，也就完成了一 个转动的自由度。这样，这个操作机可以实现三个自由度的运动，机构非常简 单，又可以减速自锁。与1 4 个操作机对应的1 4 个电机以牙弓曲线幂函数形状 排列在操作机的轴线上。牙弓曲线发生器如图2 - 4 所示，它是一个u 形弹簧薄 哈皋滨理工大学工学馥士学位论文 板。在弹簧板外侧用螺栓连接5 个提供销孔的零件，其中第1 ，2 ，3 ，4 处的 用圆柱销与下层的移动机构连接，第5 处用圆柱销直接与它们与支架周定连 接。其中通过电机驱动移动机构带动弹簧薄板上1 ，2 ，3 ，4 四处动点形成牙 弓曲线。1 4 个操作机分别夹装在牙弓曲线发生器上，而且操作机可以在上面进 行滑动，以适应不同人的牙弓长度，这样通过形成牙弓曲线的运动实现了教牙 的一个旋转自由度，而不需要用电机控制来实现这一自由度。 处 r o b o t 图2 - 3 与各散牙共轭的牙套 f i g2 - 3 t o o t hs h 日t hc o n u g a u 鲥t he v e r s i 札出t o o t h 雕 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 图2 _ 4 多操作机排牙机器人的牙弓曲线发生器 f i g2 4 d e n t a l 砌a l m g e n c x a t o r o f m u l t i - m a n i p u l a t o r t e e t h a r r a n g e m e n tr o b o t 中间的移动机构部分( 包括8 个步进电机) ，每个移动机构结构相同，并且 两两组成一组，来实现x 向和y 向的运动，并带动牙弓曲线发生器使之能到 达运动平面范围内的形状。如图2 - 5 所示，光轴导轨1 ，2 起支撑导向作用并 承受压力，中间的是螺栓杆，图中的滑台体有三个孔，中间的是螺栓孔，与螺 栓杆配合，其他两孔与光轴导轨1 ，2 配合，上层移动机构的滑台体上固连一 铰支体，带动牙弓曲线发生器变形的圆柱销就插在上面的销孔内，而下层移动 图2 - 5 多操作机排牙机器人的移动结构 f i g 2 - 5 t r a n s f e r s h a o t u f eo f m u l t i - m a a l p u l a t n r t e e t ha r r a n g c f n e n tr o b o t 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 机构的滑台体与上层移动机构的底座固连。当步进电机l 转动时带动螺栓杆1 转动，通过螺纹副带动其上的滑台体沿y 方向移动，同时滑台体带动整个上层 移动机构沿y 方向移动，其上的铰支体通过圆柱销牵动牙弓曲线发生器沿y 方向变形；同理当步进电机2 转动时，牙弓曲线发生器沿x 方向变形，这样通 过控制步进电机使牙弓曲线发生器变形成需要的牙弓曲线，而控制了牙弓曲线 x y 方向的变形即控制了牙套上散牙x y 方向的位姿，从而完成了两个相互垂 直的自由度。 最下面一层2 8 个步进电机排放在与幂函数的形式相似的半个圆周上，而 且电机分两层分布。这些电机通过钢丝软轴连接来驱动1 4 个操作机对应的2 8 根螺旋杆。支架的作用主要是起支撑作用，并且节省空间。 2 3 多操作机排牙机器人电机选择 考虑到机构的控制精度和造价等的问题，多操作排牙机器入在设计上选用 步进电机，因为它具有如下的特点： ( 1 ) 可以用数字信号直接进行开环控制，整个系统廉价简单。 ( 2 ) 位移与输入脉冲信号数相对应，步距误差不长期积累，可以组成结构 简单而又具有一定精度的开环控制系统，也可在要求更高精度时组成闭环控制 系统。 ( 3 ) 无刷，电机本体部件少，可靠性高。 ( 4 ) 易于启动、停止、正反转及变速，响应性也好。 ( 5 ) 停止时，可有自锁能力。 ( 6 ) 步距角选择范围大，可在几十度至1 8 0 。大范围内选择。在小步距情 况下，通常可以在超低速下高转距稳定进行，通常可以不经减速器直接驱动负 载。 ( 7 ) 速度可在相当宽范围内平滑调节，同时用一台控制器控制几台步迸电 机可使它们完全同步进行。 ( 8 ) 步进电动机带惯性负载的能力较差。 ( 9 ) 由于出现失步和共振，因此步进电动机的加减速方法根据利用状态的 不同而复杂化。 ( 1 0 ) 不能直接使用普通的交直流电源驱动。 多操作机排牙机器人采用了5 0 个步进电机进行驱动，布局如图2 - 6 所 示。 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 图2 - 6 步进电机的排放位置 f i g 2 - 6p l a c e m e n to fs t 印m o t o r s 步进电机具有步距角( 与相数有关) 、静转矩和电流三大要素【3 5 】。一旦这三 个要素确定，步进电机的型号便确定下来了。该系统主要考虑的是步距角和静 转矩要素。 ( 1 ) 步距角的确定 电机的步距角取决于负载精度的要求，将负载的最小分辨率( 当量) 换算到 电机轴上，就是每个当量电机应走多少角度( 包括减速) 。电机的步距角应等于 或小于此角度，其计算公式为： 口；8 x 3 6 _ 0 o ) ( 2 1 ) 口= 一j l z ll 式中：a 为步进电动机的步距角( o ) ；d 为转轴直径( 埘嘲) ；6 为机械机构精 度( m m ) 。 根据实际的应用情况，系统的精度要求为0 2 m m ，螺旋杆的直径为6 m m 时，根据公式2 - 1 可以计算出步进电动机的步距角。 口：8 x 3 6 0 ：0 2 x 3 6 0 ：3 8 2 2 4 。 口= 一= 一= j 。 7 d3 1 4 6 为了驱动控制方便，选择步距角在7 5 0 3 0 的二相永磁式步进电动机即可 满足系统的精度要求。 ( 2 ) 静转矩的确定 排牙机器人结构比较紧凑，且控制牙套位姿的螺旋副与电动机传动轴轴线 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 不在同一直线上，采用钢丝软轴能够使步进电机的位置向外扩展，可以缓解机 构的拥挤状况，使执行机构有足够的运行空间。本机器人所用的步进电动机所 输出的力矩较小，选用江阴市同方车业有限公司生产的直径为2 m m 的钢丝软 轴，该软轴具有平滑、柔韧、高弹性和低振动等性能，技术数据见表2 1 。通 过实验表明该软轴能符合我们的要求。 表2 - 1 钢丝软轴的技术指标 t a b l e2 - 1s p e c i f i c a t i o no fs o i la x i s 直径 公差最大正扭曲转角最小破坏静扭转力矩参数重量 层数 ( r a m ) ( o ) ( n m ) ( k g 1 0 0 m ) 3 2：l - 0 0 251 2 01 o4 6 通过对整个软轴传动系统进行静转矩实验，可以