关于六自由度并联机器人运动控制系统的结构设计

关于六自由度并联机器人运动控制系统的结构设计

运动控制系统作为六自由度并联机器人的关键控制系统，对机器人的精准快速运动具有至关重要的作用。通过对六自由度并联机器人结构、内部控制结构及其工作原理的介绍，提出运动控制系统的设计思路，并对其中的关键技术问题进行了深入分析，对提高六自由度并联机器人的研发和应用水平具有积极的推动作用。

标签：六自由度；并联机器人；运动控制系统；结构分析

近年来，随着计算机和电子信息技术的进步，机器人运动控制技术取得了突破性发展，机器人运动控制技术是将控制传感器、电机、传动机和驱动器等组合在一起，通过一定的编程设置对电机在速度、位移、加速度等方面的控制，使起机器人按照预定的轨迹和运动参数进行运动的一种高科技技术。伴随着机械工业自动化技术的发展，运动控制技术经过了由低级到高级，由模拟到数字，再到网络控制技术的发展演进过程。运动控制技术作为机械工业自动化的一项重要技术，主要包括全封闭伺服交流技术，直线式电机驱动技术、基于编程基础上的运动控制技术、基于运动控制卡的控制技术等。其中，基于运动控制卡的控制技术通过内部各种线路的集成组合，可以实现对各种复杂的运动进行控制，该技术系统驱动程序主要包括：运动控制软件、网络动态链接数据库、运动控制参数库等子系统。运动控制卡控制技术的出现和发展有效的满足了工业机械行业数控系统的柔性化、标准化要求，在工业自动化领域的应用越来越广泛。

1 六自由度并联机器人的构造

六自由度并联机器人作为现代工业自动化技术发展的代表，主要结构包括床身、连杆和运动平台等几个部分。其中运动平台与六个连杆相联接，每个连杆各自联接一个由虎克材料制成的滑块，这些滑块又与滚珠丝杠相连，在电机的驱动下可以带动滑块沿滚珠运动，进而带动连杆有规则的运动，从而改变平台的运动方向。通过在运动平台上安装不同的机械，可以有效满足不同工作的需求。在六根连杆工作程序中，每根连杆都由一台电机进行控制驱动来保证连杆运动的独立性，因此，可以实现六自由度的机器控制运动。

2 六自由度并联机器人运动控制系统工作原理与结构设计

2.1 并联机器人运动控制系统的工作原理

六自由度并联机器人运动控制系统主要由工控机、运动控制卡、伺服放大器、资料数据收集处理平台等系统组成。在机器人工作过程中，工控机借助一定的程序指令对运动控制卡发出命令，运动控制卡将六路脉冲同时发向六套伺服放大器，在脉冲命令的指引下，这些放大器做出进一步运动，进而带动机器人平台进行运动。同时，伺服放大器将运动中形成的信号数据传回到运动控制卡，进而完成一个全闭环式反馈控制运动。在运动过程中，可以通过Lab系统对并联机器人

的振动特性、相关数据进行实验分析，进而研究并联机器人的结构、尺寸等对其运动和工作的影响。

2.2 并联机器人运动控制系统核心部件的结构设计

2.2.1 运动控制卡

六自由度并联机器人运动控制系统的核心部件为运动控制卡，该运动控制卡通过PIC高速通信线路作为独立的控制器提供运动控制功能。用于并联机器人运动控制系统的控制卡，其最大输入功率为20马赫。根据功能需要，运动控制卡内具有增量式和模拟式编码器，正弦和余弦分解器，矩阵型电流变换指令、脉冲输入指令、编程设置系统、驱动器故障排除系统、6轴同步伺服放大器等，在这些系统部件的配合作用下，可以有效完成对并联机器人运动过程的整体控制。

2.2.2 SPI运动处理器单元

在运动控制器的硬件结构中，核心部件为SPI运动处理器单元，功能强大，可以处理大部分的控制器任务。SPI为运动控制器中的伺服电机处理器，该部件可以处理适时性任务，每个SPI可以控制两个高性能轴，如智能输入与输出，数字模拟的接口转换、数据资料的闪存保留等。

2.2.3 固件应用程序及工具

固件的功能主要用于保存运动控制卡中的固定存储器的数据程序，该程序定义了控制器的基本参数函数。这些参数函数主要用于指导用户的应用程序。在操作过程中，固件应用程序应对不同条件下执行的具体控制和监测动作做出明确规定。比如，精确的动作序列，输入与输出指令的激活、人机交互等。

2.2.4 用户应用程序组建系统

用户应用程序组件系统在并联机器人整个运动控制系统中占有重要地位。主要包括以下几部分。一是主机程序。该程序主要有D或其他程序语言编写完成，用于主机与控制面板之间的通信联络。主机程序可以通过控制卡的任何信号通道，如太网、FPIF等进行连接。通过主机程序，可以向运动控制卡发送相关指令和从控制卡读取相关指令信息，还可以为前端用户界面、高层决策等提供专用函数。二是ACSPK程序系统。该系统程序是一種主要为SPI运动控制卡研制开发的强大的程序语言。经过程序处理，可以将ACSPK命令作为AC-SPW的应用程序下载到运动控制卡内。运动控制卡上有多个位置可以安装AC-SPW程序，在执行任务命令的过程中，只要严格按照程序运行就不会出现信号通信延误的情况。三是变量配置。固件程序的预定义变量可以用于ACSPK程序的通信指令中，固件程序的预定义变量包括了变量配置。变量配置的数值参数是根据执行任务的不同和设备型号的不同来设置的。四是SPL程序系统。SPL程序是六自由度并联机器人运动控制系统中的一个标准部分，因该程序一般不存在于用户的应用程序中，且不支持手动操作，因此，在操作过程中，用户可以根据具体任务的不同

对该程序进行适时修改，使之成为应用程序的一部分。

3 并联机器人运动控制系统中的关键技术问题

六自由度并联机器人具有质量轻盈、惯性较小的特点，因此，在并联机器人对程序指令做出快速反应的过程中，内部构造中的系统载荷容易发生改变，对机器人运动状态的稳定性造成一定影响。为有效解决并联机器人高速运动振动较大，状态不稳的现象，科研人员应对机器人运动状态的稳定性进行深入细致研究。可以借助Lab系统对运动过程中的相关参数数据进行测试，特别是加速度、驱动器控制系统、振动频率等进行分析，确定和优化具体参数范围，消除机器人运动过程中的振动现象。同时，在操作过程中，由于对六自由度并联机器人的运动精确度要求较高（因为只有提高运动控制的精确度，才能保证钢带和连杆各司其职，互不干涉，保证机器人运动的稳定性），需要进一步提高并联机器人的运动控制卡和伺服电机闭环装置控制的精确度。此外，并联机器人传动装置材料和设计的特殊性，会对机器人运动进程带来一定的误差，因为并联机器人传动装置为钢制材料，钢带在缠绕卷筒外层的过程中，因钢带的硬度和厚度导致卷筒会发生微小的变形，进而影响钢带运动长度数据参数的精度。因此，如何设计机器人传动钢带严格附着在卷筒上，对钢带结构的设计提出了很高的要求，同时，还要对钢带的设计长度与运动的实际长度进行严格计算，消除相应的位置误差。

参考文献

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