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機器臂（bì）控製係統（tǒng）設計

2016-11-9 來源：佳木斯大學作者：周虹（hóng）

摘要：機械臂主從式結構被廣（guǎng）泛（fàn）應用於微創手術（shù）和遙操作中，分為主臂係統和從臂係統，而控製係統在主從機器臂（bì）係統中居（jū）於核心地位．本文針對機（jī）械（xiè）臂的控（kòng）製係統，給出了了機（jī）械（xiè）臂的控製係統總體方案；通過設計機械臂運動控製方案分,-t1給出基於CAN總線（xiàn）的（de）伺服運動控製單（dān）元和基（jī）於運動控製卡的伺服運動控製單元；針時（shí）控製係統軟件，設計了軟件的總體結構和容錯設計：為了更好（hǎo）的對機械臂進行運動規劃控（kòng）製（zhì），提出了插補法進（jìn）行運動規劃。通過運行試驗表明，該（gāi）運（yùn）動規劃是可行的，有（yǒu）效的。

關鍵詞（cí）：機械臂：控製係統；運動規劃

機械臂主從式結構（gòu）被廣泛應用於微創手術和遙操作中，分為主臂係（xì）統和從臂係統。主臂係（xì）統由一對主臂和一個（gè）監視器構成：從臂係統由用（yòng）於具體定（dìng）位的機器人手臂組成。目前主操作臂的應用已（yǐ）經商品化．本文針對（duì）從臂的控（kòng）製采用關節控製方式將主臂和（hé）從臂的關節一一對應。即主（zhǔ）臂的各個關節獨立控製從臂的各個關（guān）節，對應關（guān）係比較（jiào）簡單，且各個關節之間相互獨立與（yǔ）解耦，比較容易實現，適合與主從同（tóng）構的情況下。

1.控製係統總體方案（àn）

機器人控製係統在主從機器人係統中居於核心地位，起著（zhe）協調（diào）主從機械（xiè）臂監控對象，為操（cāo）作（zuò）者提供（gòng）操作信息的作（zuò）用。主從控製係統係統一般由操作者、主手、控製係統、從手和操作目標5部分構成．如（rú）圖1所示。

圖1控製係統的構成（chéng）

2.機械臂運動（dòng）控製（zhì）方案

圖2機械（xiè）臂運動控（kòng）製方案

運動控製係統是機械臂控製係統中的核心（xīn）部分．其中（zhōng）硬件部分主要（yào）包括工業控製計算機、從（cóng）手（shǒu）伺服控製單元、機械臂控（kòng）製（zhì）單元、碼（mǎ）盤（pán）數據采集卡、外圍電路板等部分。控製方（fāng）案如圖2所示。

2．1基於CAN總線的伺服運動（dòng）控製單元

CAN總線驅動能力強，在短距離mm)條件（jiàn）下具有高速(1Mbit／s)數據傳輸能力，可掛接多達127個網絡節點。所有參加（jiā）CAN總線的分係統都可以通過其控製（zhì）單元上的CAN總線接口進行數據（jù）的發（fā）送和接（jiē）收。當某（mǒu）一單元出現故障時（shí）不會影響其他單元的工作。基於CAN總線驅動能力比較強的特點．選（xuǎn）擇（zé）了支持CAN總線的驅動器——德國產品EPOS係列。機械臂有4個直流電機。根據（jù）各電機功率要求．選擇了EPOS24／1和EPOS24／5兩種類型的驅動器，通過CAN總（zǒng）線連接各個（gè）驅動器作為控製節點．如圖3-4所示。再通過CAN總線與USB轉接1：3與工控機（jī）通信．便於整體控製與協調（diào）運動。轉（zhuǎn）接El選（xuǎn）用德國IXXAT公司PC／CAN接口USB—to—CAN compact。

2．2基於運動控製卡的伺服運動控製（zhì）單元

號為運GE動80控0⋯製P卡V：選用同高公（gōng）司生產的GE係列運動控製器（qì）．型 PCI G。該控製（zhì）器的核心（xīn）由DSP和FPGA組成，能夠實現同時控製8個軸協調（diào）運動，可編程梯形曲線規劃和S曲線規劃（huá）。控製器支持模擬量與脈衝量兩種輸出方式（shì），具有16路通用數字I／O端口。每個（gè）軸都具有原點Home信號捕獲、編碼器Index信號捕獲、電機正負限位等（děng）功能。同時還提供（gòng）了12位精度的A／D轉換器和RS232串（chuàn）行通訊擴展功能（néng）。

電機與（yǔ）驅動（dòng）器（qì）：每條機械臂的移動關節主要是實現整體（tǐ）的升降，因為承（chéng）載比較大，需要提供約200W的輸（shū）出功率，因此決定采用交（jiāo）流電機來實現這一功能。選用安川I交（jiāo）流伺服電機YASKAWA SGDM，配套的驅動器型（xíng）號為（wéi）SGMJV 04AYAA6C。根機器人出現失控狀態，並給出操作者相應的警告信息。據電機的功率．選用（yòng）ACJ-055—18型直流伺服驅動器和ACK一055--06型直流伺服驅動器。

3.控製係統軟件設計

3．1軟件總體結構（gòu）

對（duì）於機器人控製係統來說根據完成功能（néng）的不（bú）同可以（yǐ）劃分為（wéi）機器（qì）人控製（zhì）部（bù）分、規（guī）劃部分以及其它輔助部分．采（cǎi）用麵向對象的（de）設計方法在控製軟件中將以（yǐ）上幾部分封裝到了相應類中，即電機類、控製（zhì）類、規劃類、輔助類以及機器人類（lèi）這幾個（gè）功能類。類對象的結（jié）構圖（tú）見圖（tú）3。

圖（tú）3類對象的結（jié）構圖

電機類主要負責控製單個電（diàn）機運動，屬（shǔ）於底層類，它（tā）封裝了運動（dòng）控（kòng）製器對電機操作的（de）所有接口函數，若要更換不同型號（hào）的運動（dòng）控製（zhì）器隻需要重（chóng）新編寫該類（lèi）內各成員函（hán）數的（de）具體實現代碼即可．大大提高了軟件的通用性和擴展性。控製類負責總體管理電機（jī）使它們（men）協調運動。實際上它是通過控製各個關節對應的電機類，再由電機類直接控製電機以此（cǐ）實現（xiàn）協調電機運動的目的。

規劃類（lèi）是（shì）實現軌跡規劃功能的一個類．由於機器人的（de）不同動作的規劃方式都不同。因此每個動作都對應了一種規劃類．RobotPlan類內包含運動學、逆運動學、主從手運（yùn）動學轉換關係（xì）式等函數．圓錐擺規劃類與（yǔ）普（pǔ）通的規劃類都是由RobotPlan派生而來的子類。輔助類主要用於管理機器人的其它輔助性操作．主要包括通過串口與數據（jù）采集（jí）卡分別獲取外置光電編碼器反饋的脈衝數（shù）、控製電磁離合器吸合。

機器人類是處於軟件頂層的類。它能（néng）夠協調以上提到的所有類。其代表整個機器人的實體（tǐ），通（tōng）過控製機器人類就能夠使機器人完成各種運動。

3．2控製軟件的容（róng）錯性設計

操作者在使用軟件時難免（miǎn）會有誤操（cāo）作的情（qíng）況，在實際運行中如果控製軟件不能夠檢測出這種錯誤，可能會對機器人造成損壞。因此需要一些容錯性設計（jì）。主要體現在以下三個方麵。跟蹤誤（wù）差極限：如果實際位置誤差滯後超出預設值，控製器將中斷出錯（cuò）電機．發送運（yùn）動出（chū）錯指令（lìng）。這種情況一般發生在位置反饋消失、係統響（xiǎng）應速度較慢或電機（jī）發生故障（zhàng）時。速度限製：主（zhǔ）從控製中，當操作主（zhǔ）手動作過快時。關節速度就會很大，影響運動精度的同時，也給手術帶來風險，為此運動時檢測運動速度，當首次速度接近電機極限速度時，給（gěi）出警告，若連續兩次運（yùn）動速度過大時，從手機械臂（bì）就會停止運動，不再接（jiē）收主手的信息。

位（wèi）置限製：軟件還對增加了從手機械臂極限位置的限製，當運行到（dào）接近機械臂（bì）極限位置時，主手增加力反饋（kuì），使操作者感到阻（zǔ）力增大而減緩運動或者調整主手位姿重新運動。當（dāng）超出極限位置時從手自動停止運動（dòng）。

控製軟件的容錯性設計使操作者在誤操作的時候，不會對機器（qì）人出現失控狀態，並給（gěi）出操作者相應的警告信息。據電機的功率．選用ACJ-055—18型直流伺服（fú）驅動器和ACK一055--06型（xíng）直流伺服驅動器。

4.運動（dòng）規劃

當機器臂（bì）末端從初始位置運動到目（mù）標位置時．就是在關節空間中進（jìn）行軌跡規劃。首（shǒu）先將關節變量映射成時間的函數（shù），並規劃它的一階和二階時間（jiān）導數。當指定好末端器械的起（qǐ）始位姿（zī）、終止位姿以及若幹中間位姿後首先通過運動學反解將（jiāng）各路徑點轉換成關節角（jiǎo）度值，然後對每個關節擬合一個光滑（huá）函數，使之從起始點開始，依次通過所有路徑（jìng）點，最後到達目標點。本節根據實際需要，選擇（zé）了兩種插值計算方法：帶（dài）拋（pāo）物線過渡的直線插補與（yǔ）多項式插補。

1．帶拋物線過渡的直線插補

各個關節在相鄰路徑（jìng）點之間采用線（xiàn）性插值．同時為（wéi）了避免角速度突變．插值（zhí）初期采用拋物（wù）線過渡。由於運動控製卡提（tí）供了帶拋物線過渡的直線插補函數．所以隻需要直接調用就可以。這裏不再做過多敘述（shù）。

2．多項（xiàng）式插補

對於多項式插補（bǔ），本文采用4—3—4軌跡（jì）法．即每次運動每個關節都有三段運動軌跡：第一段（duàn）由初始點到提升點的軌跡用四次多項（xiàng）式表示．中間段由提升點到下放點的軌跡用三次多項式（shì）表示，最後一段由下放點（diǎn）到終止點的軌跡由四次多項式表示。同（tóng）時．還需要滿足一定的約束（shù）條件。如各關節（jiē）的位移、速度和加速度在整個（gè）時間（jiān）問隔內連續（xù）性（xìng）要求．其極值必（bì）須在各個關（guān）節變量的允許範圍之內等。根據所求方程求解要求（qiú）．需要考慮14個邊（biān）界條件：起始點的（de）位置、速度與加速度：中間點位置：中間點位置、速度與加速度的連續性：終止點的（de）位置、速度與加速度。考慮（lǜ）這些邊界（jiè）和過渡條件規劃出這條軌跡．求解出解析式：

選取機（jī）器人（rén）路徑點見表1．這裏采用在關節空間內（nèi）等分關（guān）節角來規劃路徑（jìng）點，運行速度可以更（gèng）加平穩，經過規（guī）劃後得到的機器人各關（guān）節軌跡、速度與加速度曲線，其中關節1如圖4。

表1機器人路徑點

表1

圖4關節I關節（jiē）空間規劃

5.本（běn）章小結

本文設計了機器臂控製係統總的控製方案和構（gòu）成．並對硬件係（xì）統作說明。此外。針對（duì）控（kòng）製係統進（jìn）行了（le）軟件（jiàn）總體設計和軟（ruǎn）件容錯設計通（tōng）過插補法實現機械臂的運動規劃，並通過仿真實驗，表明方法是（shì）有效的，實用的。

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