基于dSPACE对超精密并联结构机器人.pdf

基于 d S P A C E对超精密并联结构机器人控制实时仿真 2 7 基于 d S P A C E对超精密并联结构机器人 控制实时仿真 木 The Re a l t i me S i mu l a t i o n wi t h d SPACE 0 f Co n t r o l f o r Na n o s y s t e m 马 奎张 国华夏 心骏 同济大学中德学院 上海2 0 0 0 9 2 摘要 基 于实 时仿真 系统 d S P A C E和 MA T L A B软件 中 S i m u l i n k 模块 并结合 d S P A C E 自带 的 控制卡 D S 1 0 0 3 控制卡 和硬件 系统 实现对纳米机器人进行实时控制 的仿真 关键词 d S P A C E S i m u l i n k 纳米机器人 压电陶瓷 Ab s t r a c t Th i s p a p e r p r e s e n t t h e c o n t r o l S r e a l t i me s i mu l a t i o n wi t h d S PACE f o r n a n o s y s t e m A c o n t r o l S mo d e l i s d e s i g n e d wi t h s i mu l i n k t o ma n i p u l a t e t h e mo v e me n t o f n a n o s y s t e m Co mbi n e d wi t h d S P ACE a n d DS 1 0 0 3 c o n t r o l b o a r d t h e r a p i d c o n t r o l p r o t o t y pi n g c a n b e r e ali z e d Ke y wo r d s d S P ACE s i mu l i n k n a n o s y s t e m p i e z o 0 引 言 d S P AC E实时仿真 系统是 由德 国 d S P A C E公司开 发的一套基于 MA T L AB S i mu l i n k的控制系统开发及半 实物仿 真 的软 硬 件 工 作平 台 实 现 了和 MA T L A B S i m u l i n k P T W 的完全无缝 连接 并且已广泛运用于机 器人 汽车 航空航天等领域 本文主要介绍利用 d S P A C E实时系统 实现对纳 米级的微操作机器人进行快速控制原型验证和实时控 制仿真 l 纳米机器人的驱动原理及基本结构 此超精密并联结构机器人为一 3自由度纳米级精 度机器人 能在 Y 3轴上分别实现纳米级的微小移 动 以下称为纳米机器人 具体结构见图 1 其工作 原理为 利用压 电陶瓷电致伸缩原理来驱动柔性铰链 通过柔性铰链的弹性变形 从而达成工作端的微动作 因此在机器人工作工程 中 通过调节输入压电陶瓷 的 电压 改变陶瓷 的变形 量 从 而达到控制工作 端的移 动量的 目的 控制部分 的主要功能 就是控制 3块压 电陶瓷的输 入电压 以实现 对 3坐 标轴 的位移 量的 控制 2 仿真 系统平台的软硬件 2 1 硬 件 系统 硬件主要 由 1台有 P e n t i u m 2处理器 的台式机构 成 在其 I S A插槽 上 安装有 d S P A C E的 D S 1 0 0 3 P P C 工业控制卡 此卡专用于各种 系统的实时仿真 其主 芯 片 为 Mo t o r o l a P o w e r P C 6 0 4 e处 理 器 d S P A C E D S 1 1 0 3工业控制 卡在此控 制 系统 中的 功能 是通过 d S P A C E D S 1 1 0 3 控制卡软件界面上获得的信息反馈到 硬件控制输出端 在其输出端输出 0 1 0 V电压 其外 形 如 图 2 图 3所示 2 2软件 系统 为了能够在软件上灵活控制工业 d S P A C E卡的输 获上海市纳米技术 中心资助 项 目编号 0 2 1 4 N M0 9 4 作者 简介 马 奎1 9 6 1年 生 副教授 德国不伦瑞 克工业 大学博 士 同济 大学研究 生导师 研究方向为微操 作机 器人技术 张 国华1 9 7 8年 生 同济大学在读研 究生 研 究方 向为微操作及微操作 系统控制 维普资讯 机电一体化Me c h a t r o n i c s 2 0 0 5年第 5期 1 一压 电陶瓷 图 1 图 2 d S P A C E卡的外形图 图 3 和纳米操作机器人 系统连接的端 口 2一柔性铰链3一工作 端 纳米机器人结构图 的离线仿真 d S P A C E的 R e a l T i m e Wo r k s h o p模块 用来从方 出电压 必须具备如下软件 工业 d S P AC E控制卡软件 界面 MA T L AB高级编程 语言 S i mu l i n k建模 c或者 c 高级编程语言 各软件的作用是 MA T L A B的 S i mu l i n k模块 用来进行基于方框 图 框图生成 c代码 d S P A C E的 R e al T i me I n t e r f a c e R T I 的模块 用 来产生与硬件系统相关的代码 使代码可以在单处理 器 多处理器 目标系统中运行 d S P A C E系列软件工具 用来对闭环试验进行交互 操作 自动 手动 3设计流 程 3 1 控制 系统 流程 图 首先 根据 d S P A C E的特点和纳米机器人的工作特 性 我们确 定 整个控 制 系统 的流 程 图 见 图 4 在 d S P A C E的控制台上 导人 由 S i m u l i n k所建立的控制模 型 然后在实时界面中的仿真控制面板 中 输入具体 的 数值 此数值由d S P A C E的 D S 1 0 0 3控制卡进行处理 然 后通过数模转换 变为在 0 1 0 V之间的某一电压输出 此电压经过放大器放大 1 0倍 最终输入给压 电陶瓷 通过压电陶瓷的长度的变化以实现纳米机器人的运动 3 2纳米机 器人 的开 环控制 首先在 S i m u l i n k建好如下模型 用于驱 动压 电陶 瓷的电压 来控制机器人 的 T C P t o o l c e n t e r p o i n t e r 端 位置和压电陶瓷的位置 结合 图 4控制方式 数模转 换的输入端 为 S i m u l i n k建模 里 面 的 常数 口 则 其 在 d S P A C E硬件输 出口输 出 1 0 a V电压 通过 电压放 大 器 最终获得 1 0 0 a V的电压给纳米机器人 内部的压 电 陶瓷 在纳米机器人控制 中 为了保证压 电陶瓷能够 维普资讯 基 于 d S P A C E对超精 密并 联结构机器人控制实时仿真 2 9 图 4 控制系统流程图 正常工作的电压 I O O V 必须保证 S i mu l i n k建模时的 数模转换输入 l S i m u l i n k的具体模型见图 5 圈 5 S i mu h n k开环控制模型 建好模型后 S i mu l i n k里面将模型在实时工作状态 建模 建模后产生 s d f 文件 通过 s d f 文件 这样就 可以在 d S P A C E软件上承载 S i mu l i n k内部模型 打开 d S P A C E软件 c o n t r o l D e s k 在其界面上建立实 验操作界面 在 c o n t r o l D e s k里面 我们只要建立相关 输入输出 以及一些必要选择控制开关 即可 在本控 制中 在 c o n t r o l D e s k建立如图6所示控制面板 其中 上部分都是输入显示 下部分都是 d S P A C E 输出口的输出电压显示 通过上 面人工在界面上输入 相应输入 a 可 以得到 1 0 0 a V的电压 控制压 电陶瓷 的 运动 以及走向 从而控制纳米机器人 T C P端以及压 电 陶瓷的运动 图 6 c o n t r o l D e s k操作控制面板 4 最终操作界面以及全套控制系统 该界面主要实现的功能如下 见图 7 1为各子系统操控选择面板 2为线性子系统中 T C P的中止位置面板 3为步长控制模式的步长以及类型选择面板 4为 T C P以及压电陶瓷的结果位置显示 5为手动 T C P操控子系统面板 6为微定位台操控面板 7为系统运动速度 以及加速度控制面板 8为 自动插值 T C P显示面板 9为出错显示 面板 1 0为手动压电陶瓷操控面板 图 8为纳米机器人的全套控制系统 5结论 作 为 模 块 化 的 d S P A C E 系 统 由于 实 现 了 和 维普资讯 机 电一体化Me c h a t r o n i c s 2 0 0 5年第 5期 6 1 2 3 4 5 C 鞠 i 融 嘏 醇 0 鞫 晦 芬 潮 1 噻 瓣 筮 凳 l R I 卜 j 0 静 l I l 鏊 译 嚣 蓑 i 黧 l 譬 嚣 蕊瓣澄 蕊 黼 誓g r 国 凶啉 l 一 鬈 萋 l 铆 r 坼 一 I r l l蝴 秘 慧 竺 攥 d 蛳 瓣 啪 V l 竺 f 再 誉 囊 一 蘩 暾 赫 舣 c 0 酗 毒 b 氍 擘 I I 器 鬻 j l X l 氏 I囹 l 型 l 幽 瑚 嚣 警 l l 一 一 l 翅 l 鲤 鍪 臻 羹 一 l Y jf 确 自 蝌 嘲 囊 颡 l s 二 l i 瀣 蕊 鞋 瞧 聋 参 一 擘 8 9 1 O 图 7 程序界面图 1一凋压器2一外部电源3一光 电检测及信号处理器4一灯源5一显微镜6一纳米机器人 图 8全套控制系统 MA T L A B S i mu l i n k的无缝 连接 从建模到仿真 只需 要 编写很少的程序代码 因此实验人员 可以花更多的时 间关注于控制 系统 的软件建模和系统设计 而且 由 于 d S P A C E