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基于 PLC 机器人 本体 设计 论文 DWG 图纸 外文 翻译 文献 综述 开题 报告

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2 0 0 4 年1 1 月 农 业 机 械 学 报 第3 5 卷第6 期 平移并联机器人步进电动机闭环控制 高国琴 唐建 中 马履 中 方志明 * 【 摘要】 对 自主开发的新型三平移并联机器人进行了位置分析， 设计并建立了以DS P为核心的并联机器人步 进电动机闭环微机控制 系统 ， 利用 VC+6 0设计了机器人系统的控制软件 。实验结果表明： 由于系统采用的步 进电动机体积小、 转矩大、 转速范 围宽 ， 因而简化了机械设计， 减小了机器人系统的体积， 实现了并联机器人运动轨 迹的高精度控制 。 关键词 ：并联机器人位置分析步进电动机反馈控制 中图分类号 ： TP2 4 2 2 文献标识码 ： A Cl o s e d l o op Cont r ol o f t he St e ppi ng M o t or s f or a No v e l 3 一 DoF Tr a ns l a t i Ona l Pa r a l l e l Ro b ot Ga o Gu o q i n Ta n g J i a n z h o n g Ma Lt z h o n g Fa n g Zh i mi n g ( di a n gs u Un i v e r s i t y) Abs t r a c t Fo r a n o v e l 3 - DOF t r a n s l a t i o n a l p a r a l l e l r o b o t me c h a n i s m ma d e i n J i a n g s u Un i v e r s i t y，t h e p o s i t i o n a n a l y s i s wa s d o n e Th e a n a l y s i s r e s u l t s h o ws t h a t t h e Z d i r e c t i o n a l mo v e me n t o f t h e a b o v e me c h a n i s m S mo v i n g p l a t f o r m i s s t r o n gl y c o u p l e d，b u t t h e X d i r e c t i o n a l mo v e me n t a n d t h e Y d i r e c t i o n a l mo v e me n t a r e q u i t e d e c o u p l e d Pu t t i n g t h e r o b o t me c h a n i s m i n t o p r a c t i c e i s r e a l i z a b l e Th e n，t h e c l o s e d l o o p mi c r o c o mp u t e r c o n t r o l s y s t e m o f t h e s t e p p i n g mo t o r s b a s e d o n t h e DS P wa s d e s i g n e d a n d d e v e l o p e d，t h e s o f t wa r e o f t h e mi c r o c o mp u t e r c o n t r o l s y s t e m wa s wr i t t e n b y VC+ +6 0 l a n g u a g e Th e e xp e r i me n t a l r e s u l t s d e mo n s t r a t e t h a t t h e h i g h a c c u r a c y t r a c k i n g c o n t r o l o f t h e r o b o t me c h a n i s m mo t i o n t r a j e c t o r y i s i mp l e me n t e d b y a d o p t i n g t h e c l o s e d l o o p c o n t r o l s c h e me o f t h e s t e p p i n g mo t o r s t h a t a r e s ma l l i n t he v o l u me，b i g i n t h e t o r q u e a nd wi d e i n t h e r a n g e o f s p e e d Ke y wo r d s Pa r a l l e l r ob o t ，Po s i t i o n a n a l y s i s ，S t e p p i n g mo t o r ，Cl o s e d l o o p c o n t r o l 引言 目前 ， 对 并 联 机器 人研 究 较 多 的是 6自由度 ( 6 D OF ) 并联机器人 】 。但在某些场合， 少 自由度 并联机器人由于其驱动元件少、 造价低、 结构紧凑而 有较高的实用价值 。在各种少 自由度并联机器 人 4 中， 江苏大学自主研制开发的新型三平移并联 机器 人机构 ， 在 以固定 平 台上 的 3个转 动副 为主动 输入 时 ， 机构 的输 出 、 输 入运 动近乎 完全解 耦 ， 正解 过程非常简单， 与同类三平移并联机器人机构 相 比， 其 动力学性 能 有所改 善 ， 工 作空 间有所 增大 ， 还 有利 于微型化设计 。 本 文将 在并 联机器 人机 构 的位 置分析 基础 上 ， 以数字信号 处理器 ( DS P) 为核心设计 P CI 总线控制 卡 ， 实 现该并联 机器 人机构 的步进 电动 机 闭环微机 控制 。 收 稿 日期 ：2 0 0 40 71 3 *国家 自然科学基金资助项 目( 项 目编号 ： 5 0 3 7 5 0 6 7 ) 和江苏省教育厅资助项目( 项目编号： 0 3 K J D5 1 0 0 7 2 ) 高国琴江苏大学电气信息工程学院副教授， 2 1 2 0 1 3 镇江市 唐建中江苏大学电气信息工程学院硕士生 马履中 江苏大学机械设计及 自动化研究所所长 教授博士生导师 方志明江苏大学电气信息工程学院助教 维普资讯 第 6 期 高国琴 等 ： 三平移并联机器人步进电动机闭环控制 1 三平移并联机器人机构原理 研 究的三 平移并 联 机器 人机构 如 图 1所示 ， 称 为非 对称 型并 联 机构 3一RRRP “ ， 它 是 以三 平移 并联机构 3 一RRC为原型 ， 由 3条支路 和上动平台 、 下静 平台组 成 。每条 支路 由 3个 R副和 1个平行 四 边形 4 R机构组成 ， 其中 A支路与 B支路垂直配置 ( 两组 运 动副 呈垂 直关 系) ， 4 R机 构 位 于下 静 平 台 上 ， A 、 A 、 B 、 B 分 别 位于 对 应 支路 上 4 R 机 构 中 与 3 个 R副轴线平行的两边之中点， c支路与 B支 路平 行配置 ( 两组运动副呈平行关 系) ， 4 R机构位 于 支路 中 间 ， c 位 于 B 、 c 的 连线 平 行 于 A 支路 的 3个R 副 的 轴 线 ， c： 、 c。 位 于该 支路 4 R 机构 中 与 3个R副 轴线平行 的两边之 中点 。 图 1 并联机构 3一R RR P“ 原理图 Fi g 1 Sc h e ma t i c i l l u s t r a t i n g t h e p a r a l l e l me c h a n i s m 3一RRRp( 4 2 三平移并联机器人位置分析 建立 如 图 1所示 的 固定 坐标 系 OXYZ及 动 坐 标 系 PX Y Z ， X 轴 平行 于 B 支路 的 3个 R副 ， y 轴 平 行 于 A 支路 的 3个 R 副 ， z轴垂 直 于 XY 平 面 ， 并按 右手 笛卡尔坐 标系确 定其正 向 。设 0 为 y 轴与 A 支路上 4 R机构悬挂 边 n ： 的夹角 ， 沿 x 轴正 向为正； 0 、 0 。 分别为 x轴与 B、 c支路上 4 R机构悬 挂边 b 、 z 的夹角， 沿 y轴负向为正 ； 、 O i 、 0 分别 p A3 1 为 z轴 与 A A 、 B B。 、 c c 的 夹角 ， 0 沿 y轴 正 向 为正， 0 、 0 沿 x轴负向为正 ； 为 A A 。 与 A 。 A 的 夹角， 沿 y轴正向为正 ； 为 B 。 与 的夹角， 沿 x 轴负向为正 ； 为 C C 与 c 。 C 的夹角， 沿 x 轴负向为正。 设 n ： 、 n 。 、 n 、 b 、 b 。 、 b 、 z 分别表示 各杆 件长 度 ， n 、 b 分 别表 示 点 A 、 B 与点 。 间 的 距离 ， z 表示点 C 与点 B 间的距离 ， n 、 b 分别表 示点 A 、 B 与点 P 间的距离， z 表示点 C 与点 B 间的距离 。根据主动副确定准则 ， 选定静平台上的 3个旋转输入 0 、 0 ： 、 0 为 主动输入 ， 应用坐标轴投影 法 ， 将 3 条支路分别向 x、 y、 z轴进行投影， 其投影 视 图如 图 2所示 。 根 据动平 台上 点 A 、 B 、 C 分 别在 固定坐 标 系 OXYZ中的坐 标表示 ， 有 f a 3 s i n 0 +口 4 s i n ( + ) 一 P 口 】 + 口 2 c o s 0 1 ： 尸 + 口 5 ( 1 ) l a 2 s i n 0 1 +口 3 c o s G+口 4 C O S ( 4 - ) 一 P f b 1 4-b 2 c o s 0 2 一 P 卜 6 5 b a s i n 4- b 4 s i n( 4- 01 1 ) ： P ( 2 ) 【 b 2 s i n 0 2 4-b 3 C O S 4-b 4 C O S ( 4-0 1 1 ) 一 P f b l 4-z 2 c o s 0 3 ： P 4-b 5 z 1 4- ( z 3 4- z 2 s i n 0 3 ) s i n 0 4- z 4 s i n( + ) 一 P + z 5 l ( z 3 4-z 2 s i n 0 3 ) c o s 0 4-z 4 C O S ( 4- ) 一 P ( 3 ) 若 已知 动 平 台 上 P 点 的 位 置 、 ， 由 式( 1 ) 、 ( 2 ) 、 ( 3 ) 求得机器人机构位置逆解即输入变 量 0 1 、 0 、 为 l 0 1 一a r c c o s ( ( P +口 5 一口 1 ) 2 ) ( 1 E 0 ， ) f 2 =a r c c o s ( ( z P +6 5 6 1 ) b 2 ) ( 8 2 E o ， ) 一 l 一2 a r c t a n ( ( y Y 一D + ； ) ( D 4-z P ) ) l ( 。 E o ， T c ) ， ( 4 ) 其中Y=y P + 5 一 1 L=l 3 4-l 2 s i n S a D一 ( y + 4-L 一z ； ) ( 2 L) 从 上述 求解过 程可知， 当 已知输 出 时， 0 1 、 0 均有一解 ， 有两解 ， 故逆解数为 2 。 Y。嘻b C 。 l l u 图 2 三平移并联机器人机构投影视图 F i g 2 P r o j e c t i o n v i e w o f t h e p a r a l l e l r o b o t me c h a n i s m C y 维普资讯 1 5 8 农 机诫学报 因正解过 程 中 ， 却 、 只有 一解 ， 。 有两 解 ， 故正 解 数 为 2 。 由正解 结论 可知 ， 输 出变 量关下 输入 参数 函数 关 系 为 一_厂 ( ) ， y =_厂 2 ( ) ， z 一 ( 。 ， ) ， 显 然 曲 和 v 完全 解耦 ， 呈 强耦 合， 部 分 变量 解 耦 是本机 构 的特点 ， 且 这种 解耦近 乎完 全解耦 。显 然 ， 研究 实现该 并联机器 人的控制 ， 更具 有可行性 。 3 步进电动机 闭环控制设 计 上述 新型 三平 移并联 机器 人机构 ， 其 动平 台在 空间的位置和姿 态是各关节运动量的复 杂非线性 函 数 ， 并 且运 动过程 中 各通道 间存在 着非线性 耦 合作 用 7 。难 以采用基 于动力 学模型控制 的方法或基 于 末端 位姿传感器控制 的方 法 。 鉴于此 ， 本文采 用备支 路 分别控制的结构 ， 通过步进 电动 机的闭环应用 ， 使 系统获得较好 的控制性 能 。 机器 人驱 动 系统 中 的执 行元 件 ， 常采 用步进 电 动 机 、 直流伺 服电动机或无刷 电动机 。近年来 ， 步进 电动机控 制技 术取得 了长足进 步 ， 使 得它 们与 无刷 电动机的原理与驱 动方 法很接近 。近年来步进 电动 机 的闭环应用 ， 极大地提高 了它 们的性 能 ， 其应 用 目 前 已越 来越广泛 8 。 鉴于此 ， 本设计采用步进 电动机 为驱动 部件 并通过 闭环方式 。 以期满足三 平移 并联 机器 人的控 制要求 。 3 1 系统硬件组成 机器 人 步进 电动 机 闭环控 制 系统 的硬 件组 成 为 ： 微 型 计 算 机 、 P C I控 制 卡 、驱 动 器 ( S H 一 2 O 4 O 2 A) 、 步进 电动机 ( 5 6 B YG2 5 0 C) 、 减 速 器 、 机器 人本 体 、 编 码器 ( YGM 一4 0 4 A) 以及 用 于原 点 定位 的光 电传感器 ( I 2 5 C5 1 ) 等 ， 系统控制结构 见图 3 。 其 中 ， 控 制卡以 I B M P C及其兼 容机为主机 ， 设有标准 的 P C I总 线 接 口， 其 内 部 采 用 了 DS P( ADS P 一 2 1 8 1 ) 和 F P GA( E P F 6 0 1 6 ) 等器件 ， 可 实现多至 四轴 的协同运动。控制卡结构如图 4所示。 3 2 系统 软件设计 在 Wi n d o ws环境 下 的 控 制 程 序 ， 采 用 Vi s u a l C+ + 6 0设 计 。 机器人 系统 的初始 化程序 流程见 图 5 。在 系统 运行之初， 首先使控制卡复位 ， 清除所有的错误标志 图 3 系统控制结构简图 F i g , 3 ao s e d l o o p c o n t r o l o f t h e s t e p p i n g mo t o r s 图 4 控制卡结构原理图 F i g 4 P CI c o n t r o l b o a r d 巨 1 墨 竺 j 、 ( 结束) 、 一， 图 5 初始化程序流程图 F i g 5 F l o w c h a r t o f i n i t i a l i z a t i o n 和系统状态 ， 然后设置机器人系统每一个关节的控 制模式和相关的参数 。在系统还未达到预定的零点 之前 ， 需要机器 人各个 支路单 独运动 。 所 以本 系统在 初始 化以后设 定各个 电机 回路采用 梯形 运 动模式 。 在机器 人到达 预先给定 的零 点以后 ， 为 了使各 个关 维普资讯 第 6期 高国琴 等：三平 移并联机器 人步进电动机闭环控制 节协 调运动 ， 尽量提高机器 人的运动精度 ， 机器 人关 节 的运动模式设 定为三维坐标映射模 式 。 机器 人系统 的步进 电动机 闭环控制 流程如 图 6 所示 。 首 先输 入期望的运 动轨 迹 ， 将给 定的运 动轨迹 离 散化 后 ， 利用 已知 的机 器 人系统 的正反 解关 系判 断给定的轨迹是 否能实现 ， 对 于可实现的运动轨迹 ， 图 6 运 动轨迹 控制 流程 图 F i g 6 F l o w c h a r t 0 f t h e r o b o t me c h a n i s m mo ti o n c o n t r o l 依 次计算 出运 动 轨迹所 经过 的各点 的反解 ， 即机器 人动平 台 的期 望空 间位 置 ， 同时不 断检测 电机 的输 出角度 ， 利用机 器人的 位置正 解关 系求 出机器 人动 平 台的实际 空间位置 ， 系统根 据实际 空 间位置 与期 望空 间位置之差 ， 生成驱动 电机运 动的指令 。 以上过 程不断进行 ， 直到机器 人动平 台实现 所期望的轨迹 。 4 控制系统实验验证 实验过程 中 ， 首先让机器 人系统从 坐标 ( 7 ， 1 3 0 ， 3 0 5 ) 开 始作过 ( 7 ， 5 5 ， 3 0 5 ) 到 ( 7 ， 5 5 ， 3 2 0 ) 的 折线 运 动。 实际运动过程中， 机器人的运动轨迹与期望轨迹 基本重 合， Z向最 大误 差不大于 0 0 0 2 r n r n。然后让 机 器 人系统从 坐标 ( 7 ， 5 5 ， 3 2 0 ) 开始 ， 以 ( 2 8 2 1 3 2 ， 7 6 2 1 3 2 ， 3 2 0 ) 为 圆心 ， 在 3 2 0 r n r n的平 面 内做 半径为 3 0 r n r n的圆周运动 ， 步距角取为 0 1 。 ， 则 z 向最 大误差不大于 0 0 0 3 r n r n。 5 结束语 在对并联 机器 人进行 位置 分析 的基础 上 ， 以步 进 电动机为执行元件 ， 以基 于 DS P的 P C I 控制卡 为 核 心 ， 设计并建立 了并联 机器 人的闭环控制 系统 ， 利 用 VC+6 0语言设 计 了机器 人系统 的计 算机控 制软件 。 实验结果表 明 ： 由于 系统采用 的步进 电动机 体积 小 ， 转矩大 ， 转速范围宽 ， 因而简化 了机械设计 ， 减 小了机器 人 系统 的体积 ， 其 步进 电动机 闭环控制 方 案合理可行 ， 实现 了并 联机 器人运 动轨迹 的高精 度控制 。 参考文献 1 M a n n G K ，Su r g e n o r B W M o d e l f r e e i n t e l l i g e n t c o nt r ol o f a 6 - DOF St e wa r t Go u g h b a s e d p a r a l l e l ma n i p u l a t o r Pr o c e e d i n g s o f t h e 2 0 0 2 I EEE I n t e r n a t i o n a l Co n f e r e n c e o n Co n t r o l Ap p l i c a t i o n s ，G l a s g o w ，2 0 0 2 4 9 5 5 0 0 2 B e j i L，P a s c a l MTh e k i n e ma t i c s a n d t h e f u l l mi n i ma l d y n a mi c mo d e l o f a 6 - D OF p a r a l l e l r o b o t ma n i p u l a t o r No n l i n e a r Dy n a m i c s，1 9 9 9，1 8( 4) ：3 3 9 3 5 6 3 Cl a v e l R DELTA ，a f a s t r o b o t wi t h p a r a l l e l g e o me t r y P r o c e e d i n g s o f t h e 1 8 t h I n t e r n a t i o