基于BLDC的新型五自由度并联机器人运动控制

　　1 引言

　　并联机构是由多个并行链构成的闭环机械系统。相对于串联机构， 由于它的驱动设备安装在固定地点， 位置而不随末端执行点的运动而改变， 由此可带来高速、高精度的运动。并联机构具有刚度大、无关节误差积累和放大、位置反解容易等优点， 与串联机构在应用上形成了互补关系。目前， 对并联机器人研究较多的是6 自由度( 6DOF) 并联机器人， 但在某些场合2～5 个自由度即可满足使用要求， 这类少于6 自由度的并联机器人被称为少自由度并联机器人。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。

　　在研发的5 自由度并联推拿机器人及其位置分析的基础上， 以微机、PCI 总线控制卡、PCI 总线数据采集卡为硬件基础，利用VC++6.0 设计机器人控制界面， 实现该机构的连续轨迹运动。

　　2 新型五自由度并联机器人机构原理

　　研究的并联机构如图1 所示。A1～A4、B1～B4 为球副， R1～R8 为转动副， L1～L4 为电动推杆， 实现伸缩运动。A1A2A3A4 组成了静平台， B1B2B3B4 为动平台。

　　其中， 在机器人系统中， 四根电动推杆L1～L4 和中间的转动副( O) 为主动输入， 这样动平台相对于静平台就有五个自由度，相应的控制量为: 位移量l1、l2、l3、l4 及转角。工作时控制驱动关节使工件在三维空间进行移动或转动， 从而实现了动平台的运动。

　　3 控制系统的硬件组成    

并联机构的控制系统组成如图2 所示， 该系统由微机、PCI总线测控卡、无刷直流电机及其驱动器、位移传感器等组成。以微机作为处主理器， 实现控制运算， 以时间中断方式向控制卡接收和发送控制信号， 中断的最小时间间隔为1ms。控制卡具有5 路D/A 输出， 16 路A/D 输入， 16 路开关量输入输出， 能够很好的满足实际控制的需要。D/A 输出分辨率为15 位， 输出范围DC0～10V。A/D 采样的频率120KHZ， 分辨率12 位， 采样范围: 0- 10V， 内置采样保持器， 工作在软件查询方式。开关量输出高电平为+12V， 低电平为0V。微机由A/D 采样读取位移传感器的信号， 计算出电动推杆和转角的位置， 运算后向电机驱动器发送转速、转向和电机运行状态信号， 从而控制各个位移量。控制系统驱动使用的电机为永磁无刷直流电机， 该电机可以无级调速， 工作转速范围很大0～3000r/min， 可以工作在超低转速， 能满足各种运行模式下的转速要求。该电机低速转矩大， 运行平稳，高效率， 低噪音。电机及其驱动器与测控板之间的连接方法如图3 所示。驱动器有三种可选调速方式:内部电位器调速、外部输入调速、多段选择调速。在实际应中选择外部输入调速， 即有D/A转换的电压( 相对于COM) 输入到“AVI”端进行速度调控。“AVI”的接受范围为DC0V～10V， 对应电机转速为0～3000 转/分; 端子内接电阻200K 到COM端， 因此悬空不接将被解释为0输入。