（机械电子工程专业论文）二自由度并联机器人的运动控制技术研究.pdf

， l _ 一 r i n 锄i ji n gu n i v e r s i t yo f a e r o n a u t i c sa 1 1 da s 缸o n a u t i c s t h eg r a d u a t es c h o o l c o l l e g eo f m e c h 锄i c a l 锄de l e c t r i c a le n g i n e 嘶n g r e s e a r c ho nm o t i o nc o n t r o lf o ra2 d o f p a r a l l e lr o b o t a t h e s i si l l m e c h a n i c a le n g i n e 砸n g b v g u o q u a n “a i l g a 嘶s e d b y a s s o c i a t ep r o j i a n b i nx u e s u b n l i t t e di np a 】r t i a lf u l f i n n l e n t o ft h er e q u i r e m e n t s f o r t h ed e g r e eo f m a s t e ro fe n 百n e e m g j a n u 叫2 0 1 0 i 1 承诺书 本人声明所呈交的硕士学位论文是本人在导师指导下进 行的研究工作及取得的研究成果。除了文中特别加以标注和致 谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果，也不包含为获得南京航空航天大学或其他教育机构的学位 或证书而使用过的材料。 本人授权南京航空航天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，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本承诺书) 作者签名：鎏凰全 日期：型、；9 南京航空航天大学硕士学位论文 摘要 、 二自由度并联机器人是并联机器人的一个研究分支，一般研究其运动学、动力学、奇异性、 和工作空间，以及研究并联机器人机构的运动控制。本文研究一种新型的二自由度并联机器人， 对其机械机构及相应的运动控制进行研究。 首先设计了一个新型的二自由度并联机器人机构，该二自由度并联机器人采用平行四边形 结构限制了其末端产生的旋转运动，使工作台保持始终垂直向下。求解了该二自由度并联机构 的运动学正逆解，输入与输出的速度关系，对工作空间进行了分析，并提出了该机器人的运动 轨迹规划的基本原理。 为了实现该二自由度并联机器人的运动控制，设计了该并联机器人控制系统的硬件和软件。 根据现有的d s p 2 8 1 2 运动控制板和安川伺服驱动单元，设计了专门的伺服转接板，该转接板将 控制板发送出的指令信号、脉冲、模拟电压等信号送到伺服驱动器控制电机，达到控制并联机 器人运动的目的；软件方面设计了人机界面程序，p w m 波程序，d a 程序，以及伺服电机的 m 厂r 控制算法程序。 利用直线和圆周轨迹规划的方法，设计了该并联机器人的电机控制实验，将实验中采集到 数据导入到m a ：n 。a b 环境中进行仿真，仿真结果出来的轨迹与预设轨迹大体相同，表明基本 完成了该二自由度并联机器人的运动控制。 关键词：二自由度并联机器人，运动控制，轨迹规划 二自由度并联机器人的运动控制技术研究 a b s t r a c t 2 司e g r c eo f 船e d o m ( 2 - d o f ) p a m l l e lr o b o t sa 托o mo fm er e s e a r c hb 砌c h e so fp a m l l e lr o b o t s m a n ye 肋n sh a v eb e 饥m a d e0 n 1 e i rk i m m a t i c s ，d y 舱i n i c s ，s i i l g u l 撕劬锄dw o r k s p a c e 锄a l y s i s ，舔 w e i l 舔龇i rm o t i o nc o n 们1 h l 缸l i sp a p a 鹏wp 锄l l e l 幽t i c 鹏c h a i l i s m 谢m2 - d o fi sd e s i g n e d ， a n dd e 印他s e a r c hw o r i 【sa 他m 孤把o ni t sm e c h a l l i s m 舭t i l 陀a n dm o t i o nc o n 虹d 1 f i i 瓯t l 圮m e c h 趾i s ms t u c t l l l eo f 地2 - d o fp a m l l e lr o b o t i ci sd e s i 印e d ap a m l l e l o 莎蚰 s 眦嘶i su s e d t oc 0 璐昀i n t 恤r o t a t i 吼，s o 恤t 龇e n do f 也e2 - d o fp a r a l l e lr o b o ti sk 印tt 0b e h 谢z o n t a l f o l l rt 叩i c sa r e 觚a l y s e d 访d e t a i l ，t l l e ya 他t i 圯f o 砌a n di l l 、他r s el 【i n t 栅m i c s ，m ei n p u t a n do 咖u ts p d 托l a t i o 璐l l i p s ，吐圮w o r ks p eo f 吐l e2 一d o fp a m l l e lm e c l l a _ i l i s i l l 觚dt l 坞吐l e o r e t i c a l 。 p 血c i p l eo f 删e c t 0 d ，p l a i l i l i n gf o rm e2 d o fp m l l e lr o b o t ho f d e rt 0a 出e v e 仕忙2 - d o fp m l l e l 枞m 甜伽c 删，b o m a r ea n d 也es o 胁玳 o ft 1 1 ec o n n 0 ls y s t e ma r ed e s i g n e d a p 血tc i l c u i tb o 砌( p c b ) - b 勰e d “i 乏l p t e ri sd e s i 孕圮dt 0c o m l e c t m cd s p 2 8 1 2m o t i c o n 呐lc 砌锄dm ey 瓠k a w as e 0 “v e 疵t t h ea d a p t e r 呦l s 向sm es i 鲷a l s ， p u l ，a n a l o gv o l t a g es i 孕l a l s 盘d mt 1 1 em o t i o nc o n t r o lc a r dt 0t i l es e od r i v eu i l i tt 0c o n t m lt l l em o t o 璐 0 i 燃鲥o n t h ep r 0 伊a m 髓o f t l l es o 小船r ea 豫a 1 d e v e l o p e 也w i l i c hi l l c l u d em ep m 伊锄o fh l m 姗 撇c h mi n 触c e ，p u l 、访d mm o d u l e ( p w m ) w a v c ，d i g t a l 趾d 锄l o g ( d a ) p r o c e s s ，m em o t o rm 厂r c o n 仃o la l g o r i t l l m p r o c e d u 化s f i n a l l y t h em o t i o nc o n t r o le ) 【1 ) e r i m 铡临a 他c 枷e do u ta c c o r d i i l gt 0 l e 鳓m i g h tl i n e 孤dc i r c l e 臼两e c t o d rp l 觚蛐g t h e 胁a 他c 0 1 l e c t e df b mm ee 】【p 口i l l l e n t s 锄di m p o r t e dt 0m em a t h bt 0 c d u c tas i i i m l a t i o n t h es 咖1 a t i o nr e s u l t ss t l o w 幽a tt h e 缸司e c t o 叮i sr o u g i l l y l es 锄舱舔t l l ed e f l a u l t p a 吐1 ac o n c l 惦i o nc 强b ed r a w nt l l a t 圮m o t i o nc o i l 仃o lo f 吐圮2 - d o fp a r a l l e lr o b o ti s l 此v e d k e y w o r d s ： 2 一d o fp 撒u e lr o b o t ，n 1 0 t i c o n 舡d l ，蛔j e c t o l yp l a n n i n g i i 南京航空航天大学硕士学位论文 目录 第一章绪论。l 1 1 弓i 言1 1 2 选题的意义1 1 3 并联机器人的国内外研究现状2 1 3 1 并联机器人的基础理论研究现状2 1 3 2 并联机器人的运动控制技术研究现状3 1 4 二自由度并联机器人的研究现状一3 1 4 1 二自由度并联机器人的构型研究状况3 1 4 2 二自由度并联机器人的运动控制系统研究状况4 1 5 论文的研究内容和章节安排。5 第二章二自由度并联机器人机构设计及其运动学分析7 2 1 概述7 2 2 二自由度并联机器人的总体设计。7 2 3 二自由度并联机器人的运动学分析1 0 2 3 1 二自由度并联机构的正解1 0 2 3 2 二自由度并联机构的逆解1 2 2 3 3 二自由度并联机构的速度分析1 3 2 3 4 二自由度并联机构的奇异位置分析1 4 2 4 二自由度并联机器人的工作空间分析1 5 2 5 并联机器人轨迹规划的内容1 6 2 6 二自由度并联机器人的机械结构设计1 8 2 7 本章小结2 0 第三章二自由度并联机器人运动控制系统的研究2 1 3 1 概述。2 1 3 2 并联机器人系统的运动控制模式2 1 3 3 二自由度并联机器人控制系统的硬件设计2 2 3 3 1d s p 2 8 1 2 运动控制板的应用2 3 3 3 2 伺服转接板的设计2 3 3 3 2 1 增量脉冲输入接口设计。2 4 3 3 2 2 位置脉冲输入接口设计2 5 3 4 二自由度并联机器人控制系统的软件设计2 7 3 4 1 主程序设计2 8 3 4 2p w m 波程序设计2 9 i 二自由度并联机器人的运动控制技术研究 3 4 3d a 程序设计3 l 3 4 4 电机位置和速度检测3 l 3 4 4 1 电机轴位置检测。3 l 3 4 4 2 电机速度检测3 2 3 4 4 3 检测电路的连接和软件设计3 3 3 4 5d s p 和p c 通信3 6 3 4 5 1 通信协议设置3 6 3 4 5 2s c i 通信程序的编制3 7 3 4 5 3p c 机通信程序的编制3 8 3 4 6 提高系统软件可靠性的方法。3 9 3 5 本章小结3 9 第四章二自由度并联机器人轨迹规划的实验设计和验证4 1 4 1 概述。4 1 4 2 二自由度并联机器人控制试验4 l 一 4 2 1 控制系统软件平台c c s 的介绍4 l 4 2 2 伺服电机控制原理和伺服增益的调节4 2 4 2 2 1 伺服电机的控制原理4 2 4 2 2 2 伺服电机位置和速度增益调整一4 3 4 2 2 3 功能用户参数的的设定。4 4 4 2 3 二自由度并联机器人的速度控制4 5 4 2 4 二自由度并联机器人的位置控制4 5 4 3 二自由度并联机器人轨迹规划及其仿真4 7 4 3 1 轨迹规划设计与编程4 7 4 3 2 二自由度并联机器人规划仿真4 8 4 3 3 仿真结果和分析5 l 4 4 本章小结5 3 第五章总结与展望5 4 5 1 本文研究的主要成果5 4 5 2 研究尚存在的问题和展望5 4 参考文献5 6 j l i 【谢6 ( ) 在学期间的研究成果及发表的学术论文。6 l j 附录a 安川伺服单元输出输入接口6 2 附录b 控制系统实物图6 3 i v 南京航空航天大学硕士学位论文 图表清单 图2 1 平行四边形方案图8 图2 2 并联机器人三维图9 图2 3 运动学模型简图9 图2 4 运动学正解和逆解关系图l o 图2 5 机器人工作空间尺寸图1 6 图2 6 轨迹规划控制原理1 8 图2 7 电机、基座和主动臂的连接一1 8 图2 8 主要杆件连接设计1 9 图2 9 运动平台的连接设计。1 9 图2 1 0 二自由度并联机器人设计总图1 9 图3 1 位置控制原理图。2 2 图3 2 二自由度并联机器人控制系统结构图。2 2 图3 3 码盘信号处理电路2 4 图3 4s n 7 3 1 7 3 连接原理图2 5 图3 5 位置控制脉冲处理电路2 5 图3 6s n 7 51 7 4 连接原理图2 6 图3 7 伺服转接板p c b 图2 6 图3 8 软件设计总体框架图。2 7 图3 9 软件程序流程图。2 7 图3 1 0 初始化程序流程图2 8 图3 1 l 电机正反转脉冲图3 0 图3 1 2 电机正转计数脉冲示例3 2 图3 1 3 伺服电机控制算法m 厂r 图3 3 图3 1 4 位置检测和速度计算电路连接图3 4 图3 1 5 测速流程图3 4 图3 16p c 机和d s p 通信流程图3 7 图4 1d s p 程序生成原理图。4 l 图4 2 伺服系统的控制原理图一4 2 图4 3 伺服电机控制界面。4 3 图4 4 伺服电机速度控制图。4 5 图4 5 伺服电机正转图4 6 图4 6 伺服电机反转图。4 6 图4 7 二自由度并联机器人轨迹规划流程图4 7 图4 8 二自由度并联机器人系统轨迹设置4 8 图4 9 获取脉冲个数流程图5 0 图4 1 0 决定伺服电机正反转图5 0 图4 1 l 直线轨迹仿真结果5 2 图4 1 2 圆周轨迹仿真结果5 2 v 二自由度并联机器人的运动控制技术研究 v i 表4 1 直线规划数据4 9 表4 2 圆周规划数据。4 9 表4 - 3 直线轨迹插补采集数据51 表4 4 圆周轨迹插补采集数据5 1 南京航空航天大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 引言 机器人是人类进入二十世纪以来具有代表性的高技术产物，是正在蓬勃发展的一个重要领 域。传统的串联机器人具有工作空间大、操作灵活等优点，虽然在工业生产中得到了应用，但 是它也存在承载能力低、动力学性能差和关节误差累积等缺点。在实际应用中需要机器人具有 高的承载能力、良好的动力学性能以及高精度等要求时，这就迫切需要有另外一种机械结构形 式的机器人可供选择。在这种情况下，并联机器人就应运而生了。并联机器人的基座和末端执 行器之间有两条或两条以上的运动链连接，与传统的串联机器人相比，并联机器人具有刚度大， 承载能力强，响应速度快，误差小，精度高以及惯性小等特点，因而在航天、航空、航海、机 电工业、医疗器械、微型微动机械等方面得到了广泛的应用。 1 2 选题的意义 在并联机器人研究方面，6 自由度并联机器人的研究已比较深入和成熟，但是许多工作任 务并不需要6 自由度的操作，只需要更少的自由度( 比如说2 个自由度) 就可以完成。与6 自 由度并联机器人相比，2 自由度并联机器人的自由度较少，属于少自由度并联机器人【l 】的范畴， 其结构更加简单，经济便宜，而且运动封闭，运动容易实现解耦；而且其运动平台可以只在一个 平面上做纯移动，这样易于实现机器人运动控制。因此少自由度并联机器人是国际上机器入学 研究的热点之一，而少自由度并联机器人中的二自由度并联机器人机构更是受到了关注。 南京航空航天大学的熊启家和吴洪涛提出了一类新型平面二自由度并联机构【2 】，可用作二 自由度平面运动的工作台，他们分析了这种机构运动学的正反解，在此基础上，进一步应用拉 格朗日方法对该机构进行动力学建模，获得了该机构动力学模型的具体表达式。然后基于该动 力学模型，对机构的反向动力学进行仿真计算分析，从而获得了运动状态下机构驱动电机的驱 动力和各构件的受力情况，由此为该机构的设计及具体应用奠定了坚实的基础。 王启明和汪劲松也对二自由度的并联机器人操作臂进行了运动学和动力学建模和仿真【3 1 ， 北京工业大学的刘善增对平面二自由度并联机器人做了动力学设计f 4 l ，但他们没有对并联机器 人作相应的控制研究。 x i l l j ml i u 不但对二自由度并联机器人的运动学和动力学做了分析，而且还对二自由度并 联机器人的型综合做了探讨【5 】；j x m 仅对二自由度五杆机构做了运动学的设计分析【6 】；j j c e a n t e s s 锄c h c z 等也仅对二自由度并联五杆机构的工作空间做了分析【飞a 上i a ，k r 提出了二 自由度平面并联机构设计的新概念，即通过增加并联机构的构件就可以增大并联机器人的工作 二自由度并联机器人的运动控制技术研究 空间，建立了适合二自由度并联机器人机构的动力学模型，该模型适用于该并联机器人的每个 元件【8 】；但是他们同样都没有在原有基础上提出相应的控制方法。 虽然国内外的专家和学者都为少自由度并联机器人的研究做出了努力，但在下列几个方向 上的研究还需要更进一步： 1 ) 加强对少自由度并联机器人机构的型综合问题的研究，这样才能寻求结构更加合理、适 合不同用途的并联机构，使并联机构的运动学和动力学模型变得简单。 2 ) 加强对少自由度并联机器人控制理论、控制系统与控制技术平台的开发研究，要设计出 一套相应的少自由度并联机器人的运动控制系统，能够对并联机器人的运动轨迹、运动速度、 位置定位进行精确控制，并且能根据其运动轨迹编写出相应的运动控制算法。 由以上分析可以看出，以往对并联机器人机构的研究只限于其运动学、动力学、奇异性、 工作空间，很少与对并联机器人机构的控制联系起来；本文将设计一个新型的二自由度并联机 器人机构，并研究其相应的运动控制系统。该新型二自由度并联机器人在二自由度五杆并联机 构的基础上加入平行四杆，平行四杆机构使工作台部分始终保持垂直向下，同时也增加了二自 由度并联机器人在竖直平面内的刚度。这种二自由度并联机器人适用于生产实际中只需在某个 平面内运行的情况。 1 3 并联机器人的国内外研究现状 1 3 1 并联机器人的基础理论研究现状 并联机器人机构的研究开始于1 9 3 8 年，p o l l a r d 提出采用并联机构来给汽车喷漆【9 1 。1 9 4 9 年，g b u g l l 提出用一种并联机构的机器检测轮胎【1 0 1 ，这是真正得到运用的并联机构。1 9 6 5 年英 国高级工程师s t e w a r t 在“a p l a 渤肌w 弛s i ) 【d e g 陀e so f f r e e d o m ”论文中提出了用于飞行模拟 器的6 自由度的并联机构一s t e w a n 平台【1 l 】。自从1 9 7 8 年澳大利亚著名机构学教授h u n t 提出把 6 自由度的s t e w a r t 平台机构作为机器人机构旧以来，并联机器人技术得到了广泛推广。1 9 7 9 年，m a c c a l l i o n 和p l l a m 首次利用这种机构设计出了用于装配的机器人，标志着真正意义上的 并联机器人的诞生【”】。从2 0 世纪9 0 年代初开始，并联机器人引起了机器人领域研究人员的广 泛注意并迅速成为国际研究的热点。 在并联机构的运动学方面，尤其在并联机构的位置正解( n ) 这个难题上，所做的研究较多。 m 甜e tj p 指出并联机构p 问题的复杂性，其位置正解一般有多个，并且通过铰链副合并， 或线性分布及共面的方法，简化并联机构的几何复杂性【1 4 】。我国燕山大学黄真教授在1 9 8 5 年 就巧妙地以三棱锥法将并联三角平台的六维问题一次降为一维【1 5 】，有很高的求解效率。曲义远， 黄真等还对6 s p s 机构通过部分输入转换的方法，将位置正解的六维问题降为三维，经处理直 接得出了速度、加速度的反解表达式【1 6 1 。针对速度和加速度的分析，1 k n 娜和t e s 缸还用螺旋 2 南京航空航天大学硕士学位论文 理论提出了适用于串联机构的影响系数法【1 7 1 。黄真则在此基础上提出了适用于6 自由度并联机 构的影响系数法，该影响系数法是基于螺旋理论【1 8 】建立起来的，由于只依赖于机构位置的数值 正反解，因而它在实际应用中比较简便。 在并联机器人的工作空间的问题研究中，m 鲥e t 将求取工作空间的有效方法分为3 类：离 散法、几何方法及雅克比矩阵方法【l9 1 。离散方法根据操作手的位姿，通过求运动学反解确定驱 动杆件的长度，验证其满足长度、关节限制及运动链干涉标准。g o s s e l i i l 则提出几何方法确定6 自由度并联机构的位姿空间2 0 1 ，但该方法忽略了机构的干涉。 1 3 2 并联机器人的运动控制技术研究现状 在并联机器人控制领域中，运动控制策略除了常规的p d 控制之外，还有运动学模型控制、 动力学模型控制、鲁棒控制、模糊控制、自适应控制以及滑模变结构控制等控制算法。但目前 并联机器人机构运动控制的比较成熟的控制策略主要采用基于运动学模型控制策略和基于动力 学模型控制策略。 在运动学模型控制策略中，假设末端执行器位移的微小变化与驱动器位移的微小变化呈线 性关系，完全不考虑并联机构强耦合、非线性的动力学特性，根据机器人各个关节的几何关系， 只是按照机器人实际轨迹与期望轨迹间的偏差进行负反馈控制。根据运动学方程计算出与机构 输出位移微小增量相对应的驱动器位移连续的微小增量。所以运动学控制的方法只适合于速度 和精度要求不高的应用场合。 在并联机构高速运动控制时，不能忽略动力学特性的影响，必须采用动力学模型控制策略。 根据机构运动输出的要求，依靠动力学逆模型求解出驱动器的力控制向量。控制实现的关键在 于动力学模型准确的表达以及简化、系统稳定性以及在线计算效率的满足。用动力学控制方法 可使被控机器人具有良好的动态和静态品质，克服了运动学控制方法的缺点。然而由于各种动 态控制方案中都无一例外地需要实时进行机器人动力学计算，而并联机器人又是一个复杂的多 变量、强耦合的非线性系统，这就需要较大的在线计算量，给实时控制带来困难。 动力学控制的常用算法为p d 、p d 等。c h 盯l e sc n 訇l y 即等研究了s t e w a r t 平台关节空间 中的自适应控制【2 1 1 ，控制算法由p d 控制构成，此算法在低速下条件能够适应静态或动态的负 载变化。但由于并联机构等效负载都与位置和速度相关联，该策略不能在有效载荷变化的情况 下改变反馈增益，因而控制效果不佳。针对该控制策略的弱点，设计时可利用加速度信息构建 新反馈回路，增强控制的鲁棒性。 1 4 二自由度并联机器人的研究现状 1 4 1 二自由度并联机器人的构型研究状况 二自由度并联机构，可分为球面结构和平面结构两大类。对球面并联机构的研究大多集中 3 二自由度并联机器人的运动控制技术研究 在球面3 自由度并联机器人机构上。例如g o s l i i l 等人系统地研究了角台型球面并联机构，并 在1 9 9 4 年成功研制了称为“灵巧眼”的摄像机自动定位装置【2 2 1 。除了3 自由度球面并联机构 外，还有球面二自由度并联机构。球面二自由度机器人机构是所有转动轴线相交于一点的空间 结构，其运动为绕定点的转动。由于制造相对简单经济，结构紧凑，特别适用于空间姿态变化 的地方，因而球面机构在工业上得到了比较广泛的应用，如广泛使用的万向节就是最典型的球 面四杆机构，大多数使用的机器人的手腕就是一个球面3 杆开链机构。张立杰，黄真等提出的 球面2 d o f5 r 对称并联机器人机构【2 3 1 ，该球面机构由5 个转动副首尾相连，5 个转动副的轴 线汇交于一点，这种机构的输出参考点具有沿球面移动的2 个自由度。 平面二自由度并联机器人是指能够实现平面2 个移动自由度的机器人，其在并联领域内自 由度最少，主要应用于定位平面内的点，能实现平面上任意轨迹。能够实现平面2 个移动自由 度运动的并联机构有多种形式，其中辛洪兵在他的书中介绍了平面5 r 对称并联机器人机构f 2 4 】 该种并联机构有5 根杆组成，通过5 个转动副首尾相连，其中2 个杆连接到驱动平台，这种对 称形式的平面5 r 机构吸引了国内外许多研究者的关注，并相继研究了位置分析、设计空间、 工作空间、组装模式、奇异位形、性能图谱、运动学设计及动态平衡等。其中，上海交通大学 的周双林对平面五杆机构的柔性工作空间做了研究【2 5 】，他推导出平面闭链五杆机构柔性工作 空间边界的条件，然后利用两个开链二杆的工作空间的交集和四杆机构连架杆的转动范围，分 析了平面闭链五杆机构满足工作空间边界条件的边界曲线的构成；西南科技大学的赵登峰更是 对平面五杆机构的工作空间及其演化做了研究，其研究以位置方程及其奇异性条件为基础， 分析了五杆机构工作空间的边界特征及其演化规律；上海海事大学的江帅对五杆机构的运动设 计，动态仿真和轨迹控制都做了相应的分析和研究【27 】；武汉科技大学的郭爱华对五杆机构的运 动学及其运动控制系统【2 3 】也做了研究；j j e 吼坞等对五杆机构的工作空间、装配形式和奇异位置 都做了相应的研究【2 9 】。他们的研究结果表明：平面二自由度5 r 并联机器人的理论空间可以设 计得很大，但也存在不少缺陷，而且其内部存在较多的奇异，由于奇异的存在，奇异曲线将理 论上的工作空间划分为不同的子区域，这样真正实用的工作空间不会很大，而且该种并联机构 仅有两个分支，其承载能力和刚度都是有限的，所有这些会给这种机器人的应用带来一定的局 限性。这就需要设计新型的二自由度平面并联机器人，使其工作空间较大，而且奇异位置较少， 承载能力和刚度也较大。 1 4 2 二自由度并联机器人的运动控制系统研究状况 运动控制系统包括控制器和执行机构两个组成部分刚。控制器是运动控制系统中的“大 脑”，主要有单片机、p l c 、p c + 运动控制卡、专业控制系统等；执行机构主要包括步进电机，伺 服电机，以及直流电机等。在二自由度并联机器人的运动控制系统的研究方面，许多学者做出 深入的研究：西安电子科技大学的乔永强对二自由度平面并联机器人的运动学和动力学进行了 4 南京航空航天大学硕士学位论文 分析，研究了二自由度平面冗余并联机器人的控制策略，最后实现了对二自由度平面冗余并联 机器人的同步控制【3 1 】；南京理工大学的房黎黎使用步进电机驱动的开环控制建立了二自由度并 联机器人控制系统：动控制器方面选择了高性能的d s p ，建立了一套基于d s p 2 8 1 2 的数字控制 系统【3 2 】，该控制系统包括d s p 控制器、电机驱动模块、步进电机和减速器模块；武汉科技大学 的朱俊华采用m o t o m i a 的d s p 5 6 0 0 1 作为c p u ，运动控制器则采用d e l 协t a u 公司p m a c 可编 程多轴运动控制卡对二自由度五杆机构进行了编程和控制【3 3 】；江苏大学的伍超则采用了 g t 4 0 0 s v - p c i 运动控制卡和d s p + f p g a 对2 d o f 并联机构进行了双电机的控制研究【3 4 】。 1 5 论文的研究内容和章节安排 本文的研究内容包括： 1 ) 设计一个新型的二自由度并联机器人机构。该并联机器人采用平行四边形结构，通过平 行传递关系使末端工作平台总是平行于水平基座，限制了末端产生的旋转运动，从而使该并联 机器人机构在平面上做纯移动，同时两个伺服电机安装在基座上不随机构进行运动，大大降低 了两个电机的重力和惯性耦合力，更加方便并联机器人的运动控制。 2 ) 对二自由度并联机器人机构做了运动学模型分析。建立运动学的正、逆解方程，为并联 机器人的运动控制提供了理论依据；推导二自由度并联机器人机构的速度雅克比矩阵，分析并 联机器人的奇异位置和工作空间，并提出并联机器人的轨迹规划的基础理论。 3 ) 二自由度并联机器人运动控制系统的设计。运动控制系统的设计包括硬件设计和软件设 计。硬件方面根据d s p 2 8 1 2 的运动控制板和安川伺服驱动单元的接口设计了伺服转接板，该转 接板能将运动控制板发送出的指令信号、脉冲、模拟电压信号能送到伺服驱动器来控制电机的 运行，实现该二自由度并联机器人的运动控制；软件方面根据作业任务要求，对二自由度并联 机器人进行了轨迹规划，并编写了系统的软件程序，包括d s p 的电机控制程序设计以及人机界 面程序。 4 ) 构建了该并联机器人运动控制的实验系统。在安川伺服电机的位置控制模式和速度控制 模式下，通过输送不同频率的p w m 波和不同的和脉冲数，以及不同的直流电压，实现了对安 川伺服电机的位置和速度的控制。最后将实验过程中采集到的电机编码器数据经过数学处理后， 输入到m 觚。a b 进行离线仿真，检验轨迹控制算法的正确性。 全文章节安排如下： 第一章绪论，主要介绍了选题的意义以及并联机器人机构的国内外研究现状包括并联机 器人的基础理论研究现状，并联机器人控制技术的研究现状，二自由度并联机器人机构的研究 状况，二自由度并联机器人的运动控制系统研究状况。最后对论文的研究工作做了安排。 第二章二自由度并联机器人机构的设计及其运动学分析首先设计了一个新型二自由度并 联机构，然后建立了其运动学模型。求解了二自由度并联机构的位置正逆解，并对该并联机构 5 二自由度并联机器人的运动控制技术研究 的奇异性，电机输入与运动平台输出的速度关系，以及工作空间进行了分析，还对并联机器人 的轨迹规划作了探讨。最后对二自由度并联机器人机构中机械结构设计中的要点进行了分析总 结。 第三章二自由度并联机器人运动控制系统的研究主要包括硬件设计和软件设计两部分。 硬件设计：根据d s p 2 8 1 2 运动控制板和伺服电机的驱动器单元的接口特点，设计了伺服转接板， 把运动控制板和伺服驱动器连接起来。软件设计：根据控制系统要实现的功能要求。设计了 p w m 模块、c a p 捕捉和正交编码模块、中断模块、d s p 和p c 机通信模块，并且编写了相应 的程序，如位置脉冲的p w m 波程序，电机的m 厂r 控制算法程序。 第四章二自由度并联机器人轨迹规划的实验设计和验证分析了二自由度并联机器人伺服 电机控制系统中伺服电机的增益调整方法，在伺服电机的位置控制和速度控制模式下进行了实 验调试。将二自由度并联机器人机构的直线轨迹插补和圆周的轨迹插补进行了m 觚a b 的离 线编程仿真，并对仿真结果进行分析。 第五章总结和展望总结本课题所做的工作，归纳了论文的研究成果，提出了本研究尚存 在的不足之处，对课题的下一步工作提出展望。 6 南京航空航天大学硕士学位论文 第二章二自由度并联机器人机构设计及其运动学分析 2 1 概述 本章首先设计了一个新型的二自由度的并联机器人机构，该机器人机构采用两个伺服电机 直接驱动的方式，并加入一个平行四边形机构保证该机器人的工作台垂直于水平面。接着建立 该机器人机构的运动学模型，对机器人速度、奇异位置和工作空间进行了分析，并对并联机器 人的轨迹规划作了概要介绍。 2 2 二自由度并联机器人的总体设计 二自由度并联机器人的总体设计包括构型设计，驱动方式的选择，综合方案选择等内容。 并联机器人的机构形式和驱动方式对其运动性能有着决定性的影响，先进的机构构型与驱动方 式为实现高的运动性能提供基础保证。因此，针对越来越高要求的定位系统的运动行程、速度、 加速度、定位精度，设计高性能和高精度的机器人，要从系统整体的角度，综合考虑并联机器 人系统的机构构型、驱动方式等因素。 1 ) 并联机器人的构型设计 在一些生产场合中，比如在搬运和抓取一些精密器件的工作场合需要保持工件和产品的平 动，不能使其发生转动。但在实现二自由度并联机器人的运动中，其末端往往存在一个旋转的 自由度，这个旋转的自由度是必须避免的，因此解决二自由度并联机器人机构的运动平台发生 回转是一个关键问题，以下两种方案都可避免这一旋转的自由度。 方案一：在机器人末端安装旋转角度传感器和电机，根据检测出的相对转角控制电机校正 动平台的姿态。此方案增加一套电机和传动系统，增加末端平台的质量和惯性，同时增加了设 计复杂程度，并且需要保证姿态控制系统的快速性和实时性，这将给机器人的控制带来困难并 且增加成本。控制系统的精度依赖于检测器件的分辨率并且受到实时控制滞后的影响。 方案二：采用平行四边形连杆机构【3 5 】保证机器人末端的姿态，这样姿态精度则取决于机构 本体的加工和装配精度。这种方案增加了机构的运动惯量且限制了工作空间，但解决了方案一 存在的问题。平行四边形结构还能提高机器人末端在竖直方向的整体刚度，均化从基座到动平 台的运动支链引起的末端平台定位精度误差。 通过上述比较分析，本文选取方案二，即采用平行四边形连杆机构抑制其末端工作台转动， 实现机器人末端位置与姿态的解耦。平行四边形解耦方案如图2 1 所示。 在图2 1 中，a 图采用移动副作为驱动，其可直接采用直线电机输出直线运动，其价格比较 昂贵；也可以用一般电机+ 滚珠丝杠将旋转运动转为直线运动，但中间会有能量损失。虽然有 7 二自由度并联机器人的运动控制技术研究 许多都是应用a 图的方式，例如南京理工大学的“二自由度平移运动并联机构”【3 6 1 和上海交通 大学的“二自由度平面并联机器人机构”【3 7 】都用移动副作为驱动，但总的来说，它们的运动工 作空间较小，而且运动滑块在导轨移动时存在较大的摩擦力，移动副较转动副的制造水平要高， 所以成本较高。b 图采用旋转电机驱动，直接采用一般伺服电机即可输出旋转运动。c 图采用为 伸缩臂驱动的形式。为了降低从并联机器人的控制成本，同时为了获得更好的速度、加速度与 精度，最后采用b 图的形式。 占 c f ( a ) ( b )( c ) 图2 1 平行四边形方案图 2 ) 并联机器人的驱动方式 传统的机器人驱动方式大都是通过减速机构与负载相耦合的，这种驱动方式可以使折算到 电机轴上的负载变得很小，减弱负载变化对电机跟踪性能的影响。然而减速环节引入了摩擦、 间隙和关节柔性等非线性问题，其中摩擦阻力的存在妨碍了力和力矩的正确传输，导致可控性 和效率下降；间隙则是导致机构精度下降的主要因素；惯性力导致的弹性变形，增大了动态跟 踪误差和稳定时间，降低了机构的刚度。这些缺点不仅限制了系统的快速性，也破坏了系统在 高速运转时的稳定性，是引起系统响应出现振荡现象的主要因素。显然这种驱动方式已不能满 足高精度、高速度、免维护的要求。 针对要求比较高的场合，出现了直接驱动机器人。在直接驱动系统中没有减速机构，主动 关节直接刚性连接到电机轴上。1 9 8 1 年，h 舡a d a 研制出世界上第一台直接驱动机器人 ( c m u d d ) ，具有较高速度及定位精度【3 8 】。2 0 0 6 年，舢b e n 0m 、，i s a i l i 和p a 0 1 0g a l l i m 提出了 电缆直接驱动机器人【3 9 1 ( c d d r ) ，该机器人是二自由度冗余驱动机器人。a d p e t 系列机器人4 1 1 和a b b 公司的国3 4 0 并联机器人都采用直接驱动的控制方法。 本二自由度并联机器人机构系统采用伺服电机直接驱动的方式，原因是：采用直接驱动方 式可以满足中低速要求；减速器的使用会使机械部分的刚性降低，且齿轮啮合时的侧隙会使空 行程增加，回路增益降低；直接驱动方式是新兴的驱动方式，通过电机直接驱动负载和直接将 伺服电机与机械本体连接，可以增大开环传递函数的增益，实现高速、高精度的位置控制。 3 ) 综合方案 8 南京航空航天大学硕士学位论文 通过对并联机