（机械设计及理论专业论文）3prru并联机器人运动仿真与控制系统设计.pdf

浙江理工大学硕士学位论文 摘要 本文以3 p 砌m 三自由度并联机器人为研究对象，提出基于虚拟样机和虚拟仪器技术 的并联机器人运动仿真和控制方案。在机构运动学分析的基础上，结合虚拟样机技术，对 机构进行了机电一体化仿真研究；并设计和搭建了基于n i 运动控制卡的开放式样机控制 系统平台，最后通过样机实验，验证了理论分析的正确性与实验平台控制系统的和可行性。 主要工作可概括为如下几个方面： 口运用螺旋理论，对3 p i u m 并联机构进行了自由度分析；建立了机构的运动学模型， 分析了其位置正、反解；并通过坐标变换，建立了工具末端与动平台中心点之间的 表达式。 口在s o l i d w b r k s 中建立了3 p i 汛u 并联机器人虚拟样机，利用c o s m o s m o t i o n 对机构 进行了运动轨迹规划和仿真，验证了位置反解的正确性；通过将l a b v i e w 、 s o l i ( 1 w 6 r k s 和c o s m o s m o t i o n 设计工具集成到一起，对3 p i 冰u 并联机器人进行了 机电一体化仿真，实现了对运动过程的参数化控制。程序代码的可移植性，也可直 接配置到后续物理样机的控制系统开发中，缩短了后期的开发时间。 口设计了基于p c + n i 运动控制卡的3 p r r u 并联机器人控制系统，并结合所需功能， 对运动控制卡与伺服驱动器之间的接口进行了详细设计和配置，为开放式的控制系 统软件设计奠定基础。 口利用l a b v i e w 图形化语言及相关的n i 运动控制应用程序，开发了基于层结构的开 放式3 p i 汛u 并联机器人运动控制软件平台，核心功能包括：回零，单轴调整，自动 运行，实现了系统良好的人机交互和信息共享。 口通过对样机实验平台进行调试及实验，验证了控制系统各个核心功能的可行性，实 验中运行平稳，可控性好，噪音和振动较小，基本达到了预期设计目标。 关键词：并联机器人；仿真；虚拟仪器；控制系统；运动控制 浙江理工大学硕士学位论文 m o t i o ns i m u l a t i o na n dc o n t r o ls y s t e md e s i g n o f3 一p r r up a r a n e lm a n i p u l a t o r a b s t r a c t t 1 1 i sn l e s i sf o c u s e so n 也e3 - p 砒wp a r a l l e lm a i l i ”l a t o r d e s i 萨a n dc o n t r o lp l a i lf o r p a r a l l e lm a i l i p u l a t o r b a s e do nv i r t u 甜p r o t o 够p i n ga l l dv i n l 】a li n s t n l n l e n ta r ep r o p o s e d m e c h a 们i l i c ss i m u l a t i o ni ss c u d i e db a s e do nl ( i n e m a t i c sa n a l y s i s 锄dv i n i l a lp r o t o t ) ，p i n g m a c h i n ec o n t l 0 1s y s t e mi sd e s i g l l e da n db u i l tb a s e do nn im o t i o nc o n t r o l l e r a 1 1 de x p e r i m e n t sa r e p e r f o 咖e dt ov e r i 母m ec o r r e c t n e s sa 1 1 df e a s i b i l i t ) ，o ft t l et h e o r ) ，a n dp l a t f o n l l 7 r h em a i nw o r k s o f t h er e s e 刮h 锄旧a sf o n o w s 口d o fo f3 - p p a r a l l e lm a i l i p u l a t o ri sa n a l y z c db ye m p l o y i n gs c r e wt h e o 硒n e m a t i c m o d e li se s t 乏l b l i s h e d ，t l l ei n v e r s ea i l df o 删p o s i t i o na n a l y s e sa r ep r o c e e d e d ；e q u a t i o n w m c hd e s c r i b et h er e l a t i o n s h i pb e “v e e nt h ee n do ft o o la i l dc e m e ro fm o v i n gp l a t f o 订r li s f i o n n u l a t e d 口v i m l a lp r o t o t y p co f3 一p 对mp a r a l l e lm a j l i p u l a t o ri se s t a b l i s h e db ys o l i d w b r k s ，a n d 缸司e 曲d d ，p l 锄l l l i n ga 1 1 d s i m u l a t i o no fm e c h a 面s ma r ep e r f o 珊e db yc o s m o s m o t i o n w l l i c hv d f i e d 恤v a l i d i t yo fi n v e r s ep o s i t i o n m e c h 舳m c ss i m u l a t i o ni sp r e f o m e d b y l a b v i e w ：s o l i d w 6 r k sa n dc o s m o s m o t i o ni i l _ t e 黟a t e dt o g e t h e rw l l i c ha c m e v e dt l l e p 猢e t e r sc o n t r o lo m o v e m e m i t sp r o 黟a mc o d ec 锄a l s ob et m s p l a j l t e dt 0c o n 廿0 1 s y s t e mo ft l l ep h y s i c a lp r o t o t y p e 、h i c hs h o r t e n m ed e v e l o p m e n tt i m e 口c o n n 0 ls y s t e mi sd e s i g i l e db a s e do np ca n dn im o t i o nc o r l t r o l l e r ，a 1 1 di n t e r f a c e sb 嘶张e n m o t i o nc o n t r o l l e ra 1 1 ds e r v od r i v e sa r ed e s i g n e da c c o r d i n gt ot h ed e s i r e d 如n c t i o n ，w | l i c h p r o v i d et l l ef o m l d a t i o nf o rd e s i g i lo fo p e nc o n t r o ls y s t e m 口t h es o f h a r ep l a 响n nw h i c hc o r ec o n t r o l 鼬l c t i o n si n c l u d eh o m e ，j o ga u t o r u n ，e t c i sd e v e l o p e db 嬲e do nl a b v i e wa n dn im o t i o nc o n t r o lm o d u l e p r o 可舢i n gt e c l l n i q u e s a r ee m p l o y e dt oe 1 1 1 1 a i l c et h eh 眦锄c o m p u t e ri n t e m c t i n g 锄di m 咖a t i o ns h a r i n g 口n l r o u g ht l l ed e b u g 锄d t e s to ne x p e r i m e n tp l a t f o m lv e l l i 匆t l l ef e a s i b i l i t ) ro fc o r e 如n c t i o n s d u r i n gt e s t ，m a c m n er u 皿i n gs m o o t h l y ，9 0 0 dc o n 仃0 l l a b i l 时a i l dl o wn o i s ea n dv i b m t i o 玛 b a s i c a l l yr e a c ht h ed e s i r e dg o a l k e yw o r d s ：p a r a l l e lm a n i p u l a t o r ；s i m u l a t i o n ；v i m l a ji n s t n l i i l e n t a t i o n ；c o m r o ls y s t e m ；m o t i o n c o n t i i o l 浙江理工大学硕士学位论文 1 1 课题背景与研究意义 第一章绪论 并联机构以其高刚度、高承载力、高精度等优点，在近2 0 年内受到工业界和学术界 的广泛关注，其中的一些典型的并联机构已成功地应用在工业生产中，应用最广的领域是 作为数控机床，又被称为并联机床或虚拟轴机床【l 匍，是并联机器人技术与现代机床技术的 成功融合。和传统的串联结构机床相比，并联机床具有结构简单，运动链短，刚度大，环 境适应性强，响应速度快等特点，特别是很容易实现多轴联动，可用来加工复杂的三维曲 面零件。9 0 年代初以来，国际学术界和工程界对并联机床的研究和开发非常重视，投入大 量人力物力积极开发，不断推出多种并联机床产品化样机。 随着对机床功能和要求的越来越高，设计也越来越复杂，采用时间、成本集中的制造 模式以及通过检测实际的原型来发现缺陷的传统设计方式已不再满足高速的制造业发展。 随着虚拟原型技术的发展，建模、仿真成为并联机床设计过程中不可缺少的环节，其目的 是在设计时能够预测机床的性能并进行优化，特别是并联机床的总体布局多样性，其工作 空间的大小和形状、运动参数以及静、动态特性都有很大差异；因此，在制定总体布局方 案时，除了运动学分析设计外，建立机床的三维实体模型，并对其性能进行仿真是十分必 要的。仿真作为机床开发的一种重要手段，可以及时的发现产品中不合理的、甚至是错误 的设计，明显减少设计的盲目性，有效地提高设计效率和质量。虚拟原型作为实际产品的 数字化模型，在设计过程中，实现迭代变化虚拟模型和改变设计变量直到性能符合设计要 求，从而较大地减少整个产品的加工时间和成本1 7 g j 。 随着产品的机电一体化程度越来越高，对仿真技术提出了更高的要求。目前，机械特 性仿真与电气、控制系统仿真几乎是相互独立的，不能很好的实现多学科的协同作业，所 带来开发周期长、设计成本高等问题，这也是传统的顺序设计理念亟待解决的问题。因此 模拟包含机械和电子元件的机械产品的运行性能有着重要意义。机电一体化的仿真设计， 将多学科的设计和仿真过程集成在一起，很好的解决了这些问题。把电子元件的数字模拟 与机械原型集成到机电一体化的过程中，节省了时间和成本，降低了风险，并可带来更具 创新性和更高质量的产品。 并联机床的另一特点是结构和配置形式的多样化。很难有一种控制系统能够适合所有 并联机床的要求，因此，要求并联机床的控制系统必须具有开放式的结构，能够将传统的 浙江理工大学硕士学位论文 数控程序程序转换成为空间机构的轨迹控制，并以工业计算机和运动控制器为基础，从而 实现控制系统的可移植性、可扩展性、可协同性的“开放 要求。 本文以三自由度的3 p i u 并联机构为研究对象，利用虚拟原型高效准确地在计算机 上实现可视化的“数字机床 ，进而为样机性能、功能和外观的评价提供了有利的理论依 据，为并联机器人设计探索新的仿真手段；并以此为基础，借助虚拟仪器技术开发独立的 控制系统软硬件实验平台，进行理论验证和样机实验；这对并联机床的研究和发展有着重 要的理论意义和应用价值。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 并联机器人研究现状 并联机构，又称并联机器人，英文名为p a r a l l e lm e c h a l l i s m ( p m ) 。我们一般可以这么 认为：通过至少两个独立的运动链将末端执行器和基座相连接，具有两个或两个以上自由 度，且以并联方式驱动的一种闭环机构【9 1 。对并联机构的研究主要是以著名的s t e w a n 【1 0 】平 台( 图1 1 ) 为基础的，其中应用最为广泛和成功的是在机床领域，与传统的串联结构机 床相比，并联机床具有刚度比重大、响应速度快、精度高、技术附加值高等特点，在数年 的时间，就得到了迅速的发展”1 5 1 。 图1 1s t e w a n 平台 在历届国际机床展上都有并联机床出现，1 9 9 7 年，德国汉诺威欧洲机床展览会 ( e m o 9 7 ) 上有多种并联机床参展，如德国m i k r o m a t 公司6 x 型高速立式加工中心( 图1 2 ) ， 瑞典n e o sr o b o t i c s 公司吲c e p t6 0 0 型并联机床( 图1 3 ) ；2 0 0 1 年，同样是在德国汉诺威 欧洲机床展览会( e m o 2 0 0 1 ) ，有德国d e c k e lm a h o 公司的三杆加工中心t r i c e n t e r ( 图 1 4 ) ；2 0 0 2 年，在美国芝加哥国际制造技术展览会( i m t s 2 0 0 2 ) 上，展出的并联机床有德国 d st e c h i l o l o g i s 公司推出的e c o s p e e d 型5 坐标卧式加工中心( 图1 5 ) 。 2 浙江理 j 大学硕十学位论文 图1 26 x 型高速立式加工中心 图1 3t r i c e p t6 0 0 型并联机床 图1 4e c o s p e e d 型5 轴卧式加工中心 图1 5d e c k e lm a h o 公司的三杆加工中心 国内的一些高校和研究机构对并联机床的研究也正在逐步展开，在2 0 0 3 年北京中国 国际机床展( c i m t 2 0 0 3 ) 上，哈尔滨工业大学与哈尔滨量具刃具厂联合研制的新一代商 品化六轴并联机床b x k 6 0 2 7 亮相( 图1 6 ) ，2 0 0 6 年，哈量集团与瑞典了e x e c h o n 公司合作， 研制出三自山度并联机床l i n k s e x e 7 0 0 ，足并联机床技术的一次人的突破( 图1 7 ) ，标 志着我困并联机床的，卜产和制造迈出了新的一步，已跨入能够生产和制造囡际高端数控并 联机床国家行列。 图1 6 六轴并联机床b x k 6 0 2 7图1 7j 轴并联机床u n k se x e 7 0 0 浙江理工大学硕士学位论文 1 2 2 基于虚拟样机的仿真技术研究现状 仿真一通常可被定义为通过对系统模型的实验去研究现有的或假设的一个系统【1 6 】。具 有多领域技术相互融合的性质，是以计算机能力为基础的现代设计手段。计算机仿真，可 以用于研制产品或设计系统的全过程中，包括方案论证、技术指标确定、设计分析、生产 制造、试验测试、维护训练、故障处理等各个阶段l l 丌。 现代机械产品功能的多样性，对设计提出了很高的要求，仅利用传统方法难于实现对 产品性能指标的表征，从而不能很好的对产品设计从数学角度来进行分析，因此利用物理 样机来对产品设计进行验证是比较常用的手段。然而，通过物理样机发现缺陷点带来的过 高的开发成本，和对设计更改的较大代价，这都是传统设计中不可避免的。此外，产品的 复杂度的增加，也带来了多系统的融合，从而更增加了设计修改的难度。因此，借助仿真 手段，来实现在系统层面上的产品性能指标的提高，为优选设计方案提供依据，越来越多 的产品设计引入了仿真技术。 随着计算机技术的发展，仿真技术也越来越高，同时由于软件、接口和终端技术的发 展而使人机交互能力也有很大提高，计算机已经具备作为现在仿真主要工具的物质条件。 目前，许多c a d c a m 软件已广泛应用于机械设计及制造领域，如三维设计软件p r o e 、 s o l i d w 6 r l 漆、s 0 1 i de d g e 、u g 和基于a u t o c a d r l 4 环境的m d t 等功能强大的软件；以及 分析软件，如动力学分析软件a d a m s 、有限元分析软件a n a s y s 等。利用这些软件可以 对所设计的产品进行三维实体造型仿真，以及力学性能、机械特性、动力响应等方面的仿 真和分析。 对机器人仿真系统的开发，国内外已有一些成熟的软件或c a d 软件包。例如，英国 的s a m m i e ，美国的r o b s m ，以色列的r o b c a d 等，以及s t e p h e n d e f b y 等人于1 9 8 3 年开发的g r a s p 仿真系统，c j d u 厨的离线路径规划计算机图形系统等；另外德国、日 本等也开发了相应的机器人离线编程系统【1 8 ，1 9 1 。国内许多高等院校及研究所，如浙江大学、 沈阳自动化所、清华大学、上海交通大学等在机器人c a d 研究方面做了一些工作，推出 了一些软件系统，如清华大学的崔培莲和孙增昕开发研制了p c r o b s m 微机机器人仿真系 统。也有通过高级编程语言( c h ) 和o p e n g l 图形库实现虚拟模型的显示和仿真1 2 啦，但这 需要较高的编程技术和较大的投入，结果也难于令人满意。尤其是针对并联机构的运动学 反解模块的开发，工作量很大。 目前，单领域仿真技术已广泛应用于复杂机电一体化产品的机械、控制、电子等单个 领域的设计中，增强了新产品的开发能力，然而即使应用了仿真技术于各个设计阶段的串 4 浙江理工大学硕士学位论文 行刀：发模式，也使得在设计早期不能很好的考虑产品生命周期中的各种因素，不可避免地 造成较多设计的返工，在一定程度上影响了产品投产的目标。 随着设计理念的不断创新，提出了并行设计思想，作为一个系统化的思想，是对传统 的产品丌发方式的一种根本性的改进。并行设计是一种以集成方式并行的设计产品及其制 造等相关过程的系统化方法。其核心是并行一体化设计，强调的是集成化、并行化地设计 产品及其相关过程1 2 2 1 ，在设计阶段就要考虑产品整个生命周期中工艺、制造、装配、测试 和维护等后期活动所涉及到的所有阶段和因素，以确保产品结构符合其功能需求及相应的 制造设施( 图1 8 ) ，为早期的产品决策提供依据，使设计尽可能一次成功。并行设计通过 产品开发各阶段的相互联系和影响来提高产品质量，利朋产品各开发阶段存在的相关性来 缩短设计周期，降低成本1 2 引。 要求 - 凡床要求 篱刚度 ，苗性能的进给 驱动 笥精度 低轨迹偏差 图1 8 并行设计 针对并行没计的仿真模式，现已有一些成熟的仿真软件，美困a n a l o g y 公司丌发的s a b e r 是一个机电一体化仿真软件，具有对机电体化系统建模、性能仿真、灵敏度缝隙等功能。 但建模功能基本上集中在信息系统或控制系统领域，同前还没有用于机械装置建模仿真的 例了。美国m a t h w o r k s 公司的m a t l a b s i m u l i n k 可以提供基丁方框图的机电一体化系统级的 建模与动念仿真的工作甲台：m a t l a b 的s i m m e c h a n i c s1 ：具箱支持建立包括驱动元件、 传感器和机械执行机构的仿真模型1 2 4 1 。比利时l m s 公司玎发的v i r t u a j l a bm o i i o n 和 a m e s i m 软件，也实现了对复杂机电系统的联合仿真，其中v i 九u a l l a bm o t i o n 对机械部分 进行二维建模，并进行运动学和动力学分析。m e s i m 对电子控制部分进行仿真，但是，两 款软什主要用j ：对发动机的仿真分析，模拟发动机的运行和燃烧过程，专业性较强，彳j 具 有通用性，f i 能运用一j 二其它领域1 2 川。 现有的一体化仿真手段，己应用于多种工程领域，如：汽车、机床、航天等，但尚存 气 浙江理工大学硕士学位论文 在许多问题。( 1 ) 机械系统仿真与控制系统仿真不能并重。有的侧重于机械部分，如利用 控制仿真语言( 如v b 或v c + + 等) 和3 d 机械建模软件实现的联合仿真，控制仿真的开发 难度大，对开发人员的编程能力要求高，且开发的控制软件不具备通用性，扩展性和可维 护性不高等；还有一些侧重于控制部分，如利用m a t i ，a b 和o p e n g l 实现的联合仿真，机 械建模能力无法与专业的c a d 建模软件相比，只能通过基本的图元来绘制几何模型，所 仿真的效果和数据也可想而知。( 2 ) 控制系统仿真程序不能与硬件直接通讯。现有的控制 系统仿真相对于硬件控制是相对独立的，如：驱动电机、传感器、运动控制器等，实际的 电气控制系统需要独立开发，需要二次设计，从而加大了设计工作量，延长了样机的开发 周期【2 6 】。 美国n i 公司开发的图形化开发语言l a b v i e w ，与s o l i d w b r l 岱合作，为运动控制系统 设计提供了机电一体化仿真为核心的虚拟设计工具，采用l a b v i e w 和s o l i d w 6 r k s ，机械 设备的设计者可以将s o l i ( 1 w b r k s 运动分析功能与l a b v i e w 工业级运动控制程序连接，创 造出真实的运动控制系统仿真。采用这种集成的方式，设计者可以开发控制逻辑、动作轨 迹描述，并将其应用于机器的三维c a d 模型中，在支付昂贵的加工成本和物理零件之前， 就能在软件中测试机器的运行，评估系统行为和功能。因此，二旦c a d 模型被创建，机 械工程师和控制工程师就能够合力工作。能够用虚拟原型工具创造出用于不同设计分析为 目的的实际机器的仿真，例如：可视化操作、完成精确地压力扭矩性能需求分析、运动控 制程序及碰撞检测的设计和验证、机械电气相关设计问题确认等。l a b v i e w 提供了简单 易用的高级功能模块和编程模式来对运动控制系统进行开发，那些只有一些或没有运动控 制程序使用经验的使用者都很容易上手。l a b v i e w 与s o l i d w b r k s 的结合，有助于开发运 动控制算法，并通过控制s o l i d w b r k s 环境中的c a d 模型来仿真实际的运行情景【2 7 1 。 此外，n i 公司提供了性能卓越的运动控制器，通过l a b v i e w 开发的控制算法可以直 接部署到运动控制平台中，并最终将其实现在实际的i o 模块和电机上。节省了对物理样 机开发控制系统的时间，大大缩短了设计周期，同时也降低了设计的成本和风险。 1 2 3 运动控制研究现状 运动控制系统是以电机为控制对象，以控制器为核心，以电力电子、功率变换装置为 执行机构，在控制理论指导下组成的电气传动控制系统。运动控制系统多种多样，但从基 本结构的角度来看，一个典型的现代运动控制系统的主要由被移动的机械设备、带反馈和 运动的的马达( 伺服或步进) 、马达驱动单元、智能控制器、以及编程操作接口软件( 上 位机) 五部分组成，如图1 9 所示。电机及其功率放大装置作为执行器主要为被控对象提 6 浙江理工大学硕士学位论文 供动力，特别设计应用于伺服系统的电机称之为伺服电机，通常自带位置反馈装置，如光 电编码器。目前主要应用于工业界的伺服电机包括直流伺服电机、感应交流伺服电机与永 磁交流伺服电机，其中永磁交流伺服电机应用相对广泛。 图1 9 典型运动控制系统组成 运动控制器正如运动控制系统的大脑，以中央逻辑控制单元为核心、以传感器为信号 检测元件、以电机或动力装置和执行单元为控制对象的一种控制装置。其功能在于为整个 伺服系统提供闭环控制，如位置控制、速度控制和转矩控制等。 机器人控制器作为机器人控制系统的核心，随计算机技术的发展而不断发展，从2 0 世纪5 0 年代至今，运动控制器的发展先是从单片机或微处理器为核心的运动控制器再到 以专业芯片( a s i c ) 作为核心处理器的运动控制器，现在发展到了基于p c 总线的以d s p 和 f p g a 作为核心处理器的开放式运动控制器。纵观其发展过程，可以发现其发展已经由硬 件向软件过渡、由专用控制器向通用开放式体系结构控制器的过渡【2 引，控制对象也由单机 控制向多机协调控制过渡【2 9 3 。 作为控制体系的基础，运动控制器现已有诸多成熟的产品，如美国的d e l t at a u 公司 的p m a c 运动控制器f 3 2 j ( 图1 1 0 ) ，采用m o t o l a 公司的高性能数字信号处理器d s p 5 6 0 0 x 作为c p u ，可以最多同时控制8 根轴，与各种类型的主机、放大器、电机和传感器一起完 成各种功能；又如n i 公司的m o t i o nc o n 仃o l l e f 和a b b 的i r c 系列运动控制器等。国内也 有生产运动控制器的公司，如固高科技有限公司的g t 系列运动控制器f 3 3 j ( 图1 1 1 ) 等； 因此，构建适合并联机构的软硬件体系结构和实验平台，并以此开发出模块化程度高、灵 活性好、扩展性强和操作方便的控制系统，是实现并联机构的优势和特点的关键技术。 7 浙江理l ：人学硕士学位论文 图1 1 0p m a c 运动控制器图1 1 1g t 系列运动控制器 国外对机器人控制器的研究归纳起来主要有两个方面：( 1 ) 机器人控制的功能结构，主 要是智能控制、多算法融合和性能分析、控制体系结构等：( 2 ) 控制器的实现结构，主要是 研究开放式结构标准、多控制器结构和网络化、实时多任务操作系统、运动控制器等【3 引。 控制系统的体系结构己成为研究热点，其重点是研究体系结构的功能层次划分标准及 各功能层之间信息的交互规范。美国和f 1 本的科研机构和公司均提出了相应的概念模型， 但基本上都是从硬什层面将机器人控制器分为机器人本体、伺服驱动、运动控制和操作界 面四个层浏”】，并未给出软件的功能层次划分标准。由于单机器人系统之间存在差异以及 丌发者的不同偏好，使得这结构很难用统一的模型规范。 从】9 9 6 年，美圈、欧洲和几本就不断讨论建立统一标准的问题，例如：美国空军在 “下代控制器”( n e x tg e n e r a t i o nc o n t r o l l e r 简称n g c ) 计划巾首先提 h jr 放体系结构的 控制器概念。并定义为在竞争环境中允许多个制造商销售tz j | 相互交换和相互操作的模块 【3 6 j 。欧洲在e s p r l t 科技发展计划中，设立了自动化系统控制器的丌放系统结构。目标是 ，l ：发与系统供应商无天的开放式控制系统的标准，受到欧洲数控系统厂商和机床制造商的 支持：同本通产省设立丌放式控制器推动部，致力于为最终用户、机床制造商、控制系统 供应商、软件供应商和系统集成商提供工业控制器的标准平台。目前，已经对“全球人机 界面应用程序( g 】o b a lh m ia p i ) ”已达成初步协议。因为它与数控技术和信息技术迅速发 展的关系比较宽松，容易实现丰，j ：准化。我围在“九血”期问，对丌放式控制器就进行了研 究。航空数控集团和华巾数控集引都先后推出了开放式数控平厶i j 。， 闩日订，多数控制器所支持的软件丌发语言如v b ，c + + ，v i s u a lc + + 、d e 】p h i 和p o w e r b u i l d e r 等都足基丁二文本编秤，这对丌发者的编程能力提出了很i 葛的要求，而且文本编程具 有不够卣观和j j ：发调试过程繁琐等缺点，使得软件，i ：发效率低下、j j ：发质鞋不易保订e 且丌 发的软件可维护性差恻。图形化的编程语苦l a b v i e w 8 5 ( l a b o r a t o r yv ir t u a l l n s t r u m e n t a t i o n 浙江理工大学硕士学位论文 e n g i n e 谢n gw | o r k b e n c h ) 以其独特的虚拟仪器面板设计功能和数据流图式的编程方式，让软 件编程更方便和灵活，所设计的软件具有模块化程度高，可维护性好等优点，能有效提高 软件设计的效率和质量【3 9 4 3 1 。 运动控制技术的发展是制造自动化前进的旋律，是推动新的产业革命的关键技术。运 动控制器采用了开放式结构，使用简便，功能丰富，可靠性高。若采用p c 机的p c i 总线 方式，无需进行任何跳线设置，所有资源自动配置，并且所有的输入、输出信号均用光电 隔离，提高了控制器的可靠性和抗干扰能力；在软件方面提供丰富的运动控制函数库，以 满足不同的应用要求。用户只需根据控制系统的要求编制人机界面，并调用运动函数库中 的指令函数，就可以开发出既满足产品要求、成本又低廉的多轴运动控制系统。运动控制 器的应用已经遍及众多领域，特别是在交流伺服和多轴控制系统中，它能够充分利用计算 机资源，方便地帮助用户实现运动轨迹规划、完成既定运动和高精度的伺服控制。运动控 制技术将不断和交流伺服驱动技术、直线电机驱动技术等相融合，促进我国机电一体化技 术不断提高。 1 3 主要研究内容 论文在现有的3 p r r u 并联机器人样机的基础上，研究基于机电一体化仿真技术和虚 拟仪器技术的机器人控制系统设计，其中包括建立并联机构空间数学模型，分析机构位置 正、反解；通过仿真技术验证和模拟机器人的实际运行情况；基于虚拟仪器技术的控制系 统软、硬件体系机构设计和关键技术开发，以及样机实验部分。全文编排如下： 第一章，阐述课题的目的与意义，综述国内外相关领域的研究现状和存在的问题，提 出以机电一体化仿真和开放式控制的设计路线，概述了主要的研究内容。 第二章，以螺旋理论为基础，对3 p 对w 并联机构自由度进行分析；建立机构的运动 学模型，并分析其位置正、反解；在动平台中心点安装刀具的情况下，分析刀尖的牵连运 动，建立刀尖点和动平台姿态之间的数学模型。 第三章，构建3 p 鼬w 并联机器人三维虚拟样机，对动平台刀具末端进行轨迹规划， 通过刀尖的确定运动样条曲线数据，应用m a t l a b 推导出移动驱动量，并利用s o l i d w b r k s 软件中的c o s m o s m o t i o n 模块进行运动仿真，验证机构特性；利用l a b v i e w 和 s o l i d w r o r k s ，设计机电一体化仿真程序，包括运动轨迹插补模块和软件接口，完成对机器 人轨迹运行的参数化控制。 第四章，以p c + n i 运动控制卡+ 伺服驱动器的开放式结构为核心，进行控制系统硬件 设计与实验平台的搭建。 o 浙江理工大学硕士学位论文 第五章，以一体化仿真程序为基础，在图形化开发工具l a b v i e w 中设计控制系统软 件，包括面向并联式机构的软件体系结构设计，驱动输入数据读取，核心控制功能开发和 软件界面设计等。 第六章，利用伺服电机的反馈功能验证控制系统功能，并利用三维模型运动仿真数据， 进行样机实验，验证运动的准确性。 第七章，对全文主要内容作总结，提出工作中的不足与进一步的展望。 浙江理工大学硕士学位论文 第二章运动学分析 2 1 引言 并联机构的自由度分析是机构运动学分析的基础，只有正确地分析出并联机构的自由 度才能正确地描述其动平台的位置与姿态；机构的位置正、反解分析主要研究正在支链约 束下输入和输出的映射关系，是运动学分析的基本任务，也是控制系统轨迹控制的理论依 据，因此必须从理论上建立准确的数学模型。本章首先基于螺旋理论对3 p i 渌u 并联机构 的自由度进行了分析，然后求解出并联机构的位置正、反解。为后续的运动仿真奠定理论 基础。 2 23 p r r u 并联机构描述 图2 13 - p r r u 并联机构 3 p r r u 并联机构【删为李秦川教授提出的一种新型3 自由度并联机构( 图2 1 ) ，由动 平台、定平台以及连接动平台和定平台的分支等组成。三条p i 汛u 分支，结构完全相同， 并呈“丁”字形分布，从定平台开始，依次为：移动副、两个转动副、u 铰，其中三个分 支与动平台相连的三个u 铰的中心点共线，通过改变三个分支中移动副的移动量，来实现 动平台在空间一定范围内不同位置和姿态的变化。 浙江理工大学硕士学位论文 2 33 p r r u 机构自由度 2 3 1 自由度计算 3 p 对并联机构属于空间闭环机构，其自由度的计算可采用k u t z b a c hq 曲l e r 公式： m = 6 ( ”一g 一1 ) + z 式中m 一机构自由度数 甩一机构总构件数 g 一机构运动副数 z 第f 个运动副相对自由度数 如图所示，本机构中疗= 1 1 ，g = 1 2 ， 度等特殊情况，则有： 2 - ( 1 ) g z = 1 5 ，且无复合铰链、虚约束、局部自由 j ；l m = 6 ( ，z g 一1 ) + z = 6 ( 1l 一1 2 1 ) + 1 5 = 3 2 - ( 2 ) 则该机构的自由度数为3 ，这与其输入数相等，因此，该机构能实现确定运动。 2 3 2 自由度的确定 自由度的减少是因为受到了约束，每个分支施加给动平台一个或几个结构约束，所有 分支结构约束的合成就决定了动平台失去的自由度。本文利用螺旋理论【4 5 加1 来分析确定自 由度，即用 s ，易，5 。 表示并联机构某一分支的运动螺旋， 为，& ，& ) 的反螺旋墨。就 表示该分支运动螺旋施加给动平台的结构约束螺旋；约束螺旋即为分支运动链对动平台施 加的结构约束，所有分支约束螺旋的合成构成机构约束螺旋系，对应于机构被约束的自由 度。 对于本文所研究的3 p r r u 并联机构，因三条分支完全相同，对其中任意一条分支利 用螺旋理论进行分析，其运动螺旋的建立如图2 2 所示，从左向右依次为：s 。，对应第1 个 移动副，$ ：，对应第1 个转动副，对应于第2 个转动副，$ 。对应u 铰的第1 个转动副， $ ，对应于u 铰的第2 个转动副。 1 2 浙江理工大学硕士学位论文 _ 一_ 一一 o 图2 2 单分支运动螺旋 在初始位形下，即动平台与定平台平行，定坐标系 0 ) 和动坐标系 n 的x 轴平行， p i u w 分支的运动螺旋为： = ( o ；而) ； = ( ；q 是，) ； $ 3 = = ( s 3 j ；e f s 3 ) ； 2 - ( 3 ) $ 4 ，= ( _ j ；g ，) ； $ 5 = ( s ，g j 岛) ； 其中$ 如为第f 个支链上第，个运动副的单位向量，且有s ：j 。s ，j 。 对以上运动螺旋系求约束反螺旋，得出各个分支的约束力螺旋为： $ 净( 是，f ；g ，是，i ) f = l ，2 ； 2 ( 4 ) $ ；= ( s 2 3 ；o ) 净3 ； 2 。( 5 ) 上式表示第f 分支施加了对动平台沿$ ：，方向的力，对应的，即：1 、2 分支限制了动平 台y 方向上的移动，3 分支限制了动平台x 方向的移动。 三条分支的约束力螺旋如图2 3 所示： 浙江理工大学硕士学位论文 图2 3 约束螺旋 其中，c l 、c 2 、c 3 分别为三个u 铰中心，$ r 和$ ；是平行的，根据螺旋理论可知，两相 互平行的力螺旋，约束了一个与力螺旋方向一致的移动和一个转动，转轴的方向与两力螺 旋决定的平面相垂直4 7 1 ，即限制了动平台在z 方向上的转动。 综上所述，本3 一p m 并联机构的自由度为：沿z 方向的移动和沿x 、y 方向的转动。 2 43 p r r u 机构位置分析 并联机构的位置分析是对其进行控制的基础，因此，首先要对并联机构进行位置分析。 位置分析分为位置正解和位置反解；给定确定的输入，求解并联机构末端的位置和姿态， 称为并联机构的位置正解；给定末端的位置和姿态，求解并联机构的输入称为并联机构的 位置反解。位置反解分析是机构运动学分析的基本任务【4 8 ，4 9 1 。 图2 43 p r r u 结构简图 ri；，；，、 浙江理工大学硕士学位论文 2 4 1 机构的数学模型 如图2 4 所示，4 4 呜为定平台，令定坐标系d 工，y ，z ) 固定于定平台的4 4 中点处， z 沿叫方向，有4 d = 叱= 口，哟= 办，皑上4 以，三个输入谚垂直于定平台，使动 坐标系尸缸，v ，w ) 固定于动平台c l c 2 c 3 的中心c 3 ，其中c l 、c 2 、c 3 位于同一条直线上， 且c l c 2 = c 2 c 3 = ，杆e 口= 厶，口e = 乞。初始位置时，动平台与定平台平行。由自由度 分析和机构特点可知，动平台始终被约束在由1 、2 分支确定的平面i 和第3 分支所确定 的平面i i 内，即c 3 点始终位于z 轴上。 2 4 23 p r r u 机构的位置正解分析 为表示动平台的空间位置和姿态，对于整个机构，选用动欧拉角5 0 1 来进行描述，选用 ，一掰一w 的动欧拉角转动顺序，旋转变换矩阵为： 尺= r ) 吃，( ) 凡，( 丫) ：r 笛州嬲等吖笏i 2 邓， = lc 吖c 脚一s i 一 c a s p 刚一s o c 刚c 仅s p q + s 仅即c a c p 式中：s s 加，c c ( 下同) 其中，角q 、夙y 分别为动平台绕动坐标系各轴转动的欧拉角，由机构约束条件可知， 动平台不能实现绕其法线方向的转动，即：丫= 0 ；则式2 ( 6 ) 简化为： r = r ( 口) r 。( ) = i o c 一s l c 仅s 仪s 8s 位c 叭 一s a c o c s b c 仅c p 2 - ( 7 ) 建立动坐标系 浙江理工大学硕士学位论文 图2 5 第3 分支坐标变换简图 建立中间分支各坐标系之间的变换矩阵为： 1 1 0 o 宁= l o 1o 1 00l ：丁= 0o1 一s b崛 0 一以一媚o l 0 ；丁：l s 岛 0 c 岛 一1 0 c 岛一s 岛 o f 1 旧 ；丁= o0 10 01 鸩s 皖o s 以幔0 00l i 以 弘i o ls 幺 7 = 守7 罗了= l 呜c 幺一鸱j 只 s 9 s e 3 c 9 l + c 9 s e | 一s 妒s 8 s e 4 + c q 吣9 4 一c 9 s e f 8 4 + s 9 s e ic 9 s e 3 s 9 + s q c e i s 幺 o1 o - 1 l c 只 oj 2 - ( 8 ) 其中：伊= 三一( 毋+ 幺) ，即为杆厶与水平方向夹角。 式2 ( 7 ) 与式2 ( 8 ) 均是由动坐标系 p ) 到定坐标系 0 ) 的坐标变换矩阵，两个公式是等 价的，则有矩阵的每个元素对应相等，我们可以得到如下式子： 一篆荔； 2 书， 求得： 1 6 a 7 0鸭伽鹕 浙江理工大学硕士学位论文 胪一s 矗萧 2 羽 对于中间分支，有几何关系可得： 寰：等一乞? 2 2 - ( 1 1 ) s 岛+ 乞叩= i i 、7 其中为动平台中心关于定坐标系的z 向坐标，2 - ( 1 0 ) 中的叩可由上式求得。 由机构结构尺寸，允许缈角在( 一州3 ，衫3 ) 范围内变化。 因动平台达到与定平台垂直的姿态时，是机构的奇异位形，实际运行中是不容许发生 的，所以d lc l 与砬c 2 始终在一条线上，则万向铰c l 、c 2 的z 向转动副在机构实际运动时不 发生转动，称为消极转动副。因此，d l c 3 d 2 始终在一条线上，动平台在实际运动中，其实 际转轴为y 轴和直线q d 2 ，所以q d 2 与水平夹角即为动平台关于动坐标系y 轴的姿态角， 见下图： 图2 61 - 2 分支简图 当输入碣、破已知时，有几何关系： i = 喝一s 办+ ( 乞+ ，) s 口 = 破一s 砍一( 乞+ ，) s 口 【口= 厶确+ ( 如+ 厂) c 口 其中：办= 唬= 矽。 求得： q ：一a r c s i n ! 望! = 型 2 ( 如+ ，) 1 7 2 - ( 1 2 ) 2 - ( 1 3 ) 浙江理工大学硕士学位论文 华一( ) s i n 口 ：吐+ ( 乞+ ，) s a 一孕- = i i 二否- 丽 一c o s c 型一 综上分析，动平台的位姿已全部解出： 口：一a r c s i n 垫二型 2 ( ，2 + ，) ：a r c c o s t 与 2 ( 1 4 ) l 一( 股j 妒) 2 ：矾+ ( 乞+ ，一屑彳i 丽 2 4 33 p r r u 机构的位置反解分析 如图2 6 所示，当动平台位姿确定，即、口、为己知量，有式2 。( 1 4 ) 司以求出： 嘎= 一( 乞+ ，) s 口+ 垒：二! ! 二竺：! ! 竺! ：2 ( 1 5 ) 吃= + ( 乞+ ，) 蜀货+ 2 一【口