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六自由度運動平臺的結(jié)構(gòu)特性
六自由度運動平臺,由上、下平臺和六個可伸縮的電動缸組成。上、下平臺與電動缸之間，分別通過虎克鉸或球鉸相連，因此上、下平臺分別有6個連接點。上平臺為動平臺，在六個電動缸的驅(qū)動下進(jìn)行空間中的六自由度運動，下平臺為靜平臺，靜止不動，上、下平臺為相似的六邊形，如下圖所示。六自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)具有速度快、負(fù)載大、精度高等特點，該結(jié)構(gòu)作為運動平臺有著廣泛的應(yīng)用空間。
六自由度運動平臺控制原理
六自由度運動平臺是由六個伺服電機(jī)帶動電動缸做伸縮變化運動，六個電動缸并聯(lián)設(shè)置共同驅(qū)動運動平臺。運動平臺的每個電動缸都能夠?qū)崿F(xiàn)空間中單獨的伸縮運動，因此控制系統(tǒng)通過對六個電動缸的伸縮量的控制，可以驅(qū)動上平臺完成空間中的六自由度運動，從而實現(xiàn)上平臺位姿的改變。六自由度分別指的是平臺沿著x、y、z三個坐標(biāo)軸的平移運動，以及繞三個坐標(biāo)軸的φx、φy、φz旋轉(zhuǎn)運動。
根據(jù)六自由度平臺的運動狀態(tài)，計算出各電動缸的相應(yīng)位置和速度指令信號，從而控制運動平臺的動作，保證按照預(yù)定的軌跡運動;當(dāng)運動平臺到達(dá)要求的位置時，各電動缸的速度指令信號給定為零，運動平臺就立刻停下來，達(dá)到了點位控制的目的。
隨著技術(shù)日益發(fā)展，目前對六自由度運動平臺的控制精度、定位精度及動態(tài)響應(yīng)性能的要求越來越高，考慮到六自由度運動平臺對各個電動缸運動的準(zhǔn)確和快速等要求，需要對各電動缸的速度和位移進(jìn)行控制。在運動過程中，需要及時檢測各電動伺服缸的速度和位移信號，速度信號用于閉環(huán)控制時跟蹤速度的輸入，位移信號用于位置反饋和監(jiān)控，從而達(dá)到滿足運動平臺的位姿控制。
六自由度運動平臺功能設(shè)計
從控制角度看，六自由度運動平臺控制系統(tǒng)是一種電動伺服控制系統(tǒng)。要對其進(jìn)行控制系統(tǒng)的總體設(shè)計，就必須先明確該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特性與工作原理，分析該系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)包含的功能模塊。然后基于其功能需求，設(shè)計出整個系統(tǒng)所需的硬件模塊，畫出控制系統(tǒng)構(gòu)成圖。而后對硬件部分和軟件部分分別進(jìn)行設(shè)計和規(guī)劃，從而完成六自由度運動平臺控制系統(tǒng)的總體功能設(shè)計。
在實際控制過程中，主控單元需要頻繁地執(zhí)行正反解、軌跡規(guī)劃求解等計算任務(wù)，且這些任務(wù)的計算量都比較大。此外，完備的控制系統(tǒng)還應(yīng)包括人機(jī)交互、實時數(shù)據(jù)存儲等功能。
(1)位置控制：本文采用的控制方式主要是位置控制，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)出指令時，平臺的六個電動缸能夠按照指令，在系統(tǒng)限定范圍內(nèi)進(jìn)行伸縮運動，使運動平臺實現(xiàn)空間中六個自由度的目標(biāo)運動。
(2)限位系統(tǒng)：當(dāng)六自由度運動平臺的某個電動缸超過其運動范圍時，必須有限位系統(tǒng)檢測到這一問題，即刻將限位信號反饋至上位控制系統(tǒng)，系統(tǒng)發(fā)出警報，并執(zhí)行相應(yīng)保護(hù)措施。
(3)伺服警報：當(dāng)六自由度運動平臺出現(xiàn)超載警報、電池警報、編碼器通信警報、振動檢測警報、散熱系統(tǒng)過熱警報等問題，系統(tǒng)會立即發(fā)出伺服警報，通過關(guān)閉伺服或指令脈沖禁止輸入等動作，將伺服電機(jī)關(guān)閉，及時地保護(hù)運動平臺。
(4)人機(jī)界面：控制系統(tǒng)需提供一個用戶使用的界面，操作簡明，方便控制，該界面應(yīng)包含：控制方案選擇、參數(shù)初始化、基本指令輸入輸出等;平臺的位置姿態(tài)和電動缸伸縮量、速度等反饋參量及其運動曲線的同步顯示;伺服控制系統(tǒng)當(dāng)前運行狀態(tài)等。
(5)急停裝置：當(dāng)系統(tǒng)發(fā)出嚴(yán)重故障問題警報時，若不能利用控制按鍵及時停止平臺的運動，可以通過急停裝置，直接切斷整個系統(tǒng)電源，令平臺立即停止運動，避免運動平臺受到碰撞損壞等嚴(yán)重事故的發(fā)生。
(6)尋零、定位：在人機(jī)界面上需要有控制按鍵，可以令平臺自動回歸到零
點位置，或定位到空間限定范圍內(nèi)的任一位置。
(7)自動檢測：系統(tǒng)通電之后，即刻開始檢測伺服控制系統(tǒng)各個構(gòu)成模塊是否正常運行，并將檢測結(jié)果及時向上位機(jī)反饋報告。
六自由度運動平臺控制方案選擇
為了保證在運動過程中的穩(wěn)定性和不發(fā)生破壞現(xiàn)象，六個伺服電動缸必須做到協(xié)調(diào)一致的動作。考慮到多軸的同步、協(xié)調(diào)運動、運動機(jī)構(gòu)的實際應(yīng)用環(huán)境以及六自由度并聯(lián)平臺是一種高度耦合的系統(tǒng)，其運動控制相對復(fù)雜。
六自由度運動平臺的運動控制系統(tǒng)選擇有多種形式，根據(jù)不同行業(yè)的應(yīng)用，選擇不同的運動控制方案和策略。根據(jù)具體項目的預(yù)算，以及動態(tài)響應(yīng)性能和精度的要求，來選擇相應(yīng)的控制系統(tǒng)及實現(xiàn)方案。
第一種方案：
考慮到并聯(lián)六自由度控制策略實施的方便和現(xiàn)代計算機(jī)的計算速度、造價等問題。采用工控機(jī)(IPC)+多軸運動控制卡的形式，
多軸運動控制卡是一種總線形式的板卡，它具有良好的開放性、可靠性和抗干擾性，可通過VC、VB等高級控制語言實現(xiàn)其控制功能。在六自由度運動平臺系統(tǒng)設(shè)計的相關(guān)研究中，多軸運動控制卡的應(yīng)用較多，其價格相對較低，且能夠安裝在工控機(jī)的卡槽上，無須再添加控制器就可以與外部信號處理電路進(jìn)行通信，這種一體化的設(shè)計避免了硬件結(jié)構(gòu)的冗余繁雜。
從軟件編程的角度來說，運動控制卡的靈活性較強(qiáng)，只需給用戶提供底層驅(qū)動和編程代碼，用戶可根據(jù)自己的軟件開發(fā)能力和個性需求做出各種相應(yīng)的的界面和功能。
在硬件方面，作為完成控制系統(tǒng)的一個部件，要實現(xiàn)控制功能，還需其他輔助部件，如PC、指令設(shè)備、傳動裝置等。通常運動控制卡需要一個載體，一個基于工控CPU的系統(tǒng)運行平臺。除了板卡本身，還需配合工控機(jī)、高精度定時時鐘和I/O 接口和相應(yīng)的隔離、差分電路，因此硬件電路的連接和調(diào)試過程較為復(fù)雜。
在軟件方面，通常需要確保工控機(jī)上有一個實時進(jìn)程，來運行實時控制算法，來提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度，避免產(chǎn)生滯后。但這種實時系統(tǒng)能夠提供的定時時鐘頻率較低，不能滿足系統(tǒng)要求;而如果首先保證系統(tǒng)的實時性，系統(tǒng)的開放性又會相應(yīng)地降低，因此這種控制方案存在一定的局限性。
六自由度運動平臺的控制采用計算機(jī)集中控制方式，由一臺IPC完成各電動伺服缸位置指令值的計算，并對并聯(lián)六自由度平臺的六根電動缸位移和速度進(jìn)行監(jiān)控。多軸運動控制卡通過PCI插槽與PC機(jī)相連接，并完成6個電動伺服缸的位移閉環(huán)控制，因采控制系統(tǒng)的改變比較靈活，只需要重新編程，就可以更換一種算法。因此，可以根據(jù)需要在計算機(jī)上實現(xiàn)比較復(fù)雜的補(bǔ)償和控制算法。
第二種方案：
隨著計算機(jī)技術(shù)、電子技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的進(jìn)步，機(jī)器人運動控制技術(shù)取得了突破性發(fā)展，以太網(wǎng)總線技術(shù)在運動控制領(lǐng)域的應(yīng)用日趨廣泛。特別是近年來，隨著具有顯著開放式特征的運動控制系統(tǒng)與開放式工業(yè)以太網(wǎng)總線的技術(shù)融合，伺服運動控制系統(tǒng)向可靠性更高、速度更快、精度更高、穩(wěn)定性更好的方向發(fā)展。
考慮到運動平臺的結(jié)構(gòu)和配置形式，并結(jié)合計算機(jī)的控制策略，以及高動態(tài)響應(yīng)的需求，用戶需要一種開放式結(jié)構(gòu)的控制系統(tǒng)，通過自行開發(fā)的控制軟件來完成六自由度運動平臺的運動控制要求，因此需要提供強(qiáng)大的運動控制功能作為保障。采用工控機(jī)(IPC)或人機(jī)界面(HMI)+運動控制器的形式。
運動控制器是一種高度集成化的專用運動專用控制設(shè)備。它能夠?qū)⒁恍┩ㄓ玫倪\動控制功能固化在其中，用戶可以隨時對這些功能塊或指令進(jìn)行組態(tài)和調(diào)用，這樣降低了編程的難度，在提高控制性能的同時，降低了過多附帶硬件和功能模塊所需的成本。與多軸運動控制卡相比，控制器更偏向于集成化，它應(yīng)該是一個完整的、獨立的硬件平臺。但是控制器軟件的程序?qū)懭耄蟛糠质窃诳刂破鲀?nèi)部，利用其自身固有的編程方式寫程序，或者靠上位計算機(jī)發(fā)送控制信號來執(zhí)行下面的命令。也就是說，控制器大多帶有相匹配的控制軟件。
PAC控制器是一種融合了傳統(tǒng)的PLC和IPC的優(yōu)點，具有獨特理念的模塊化控制裝置。即嵌入式PC的開放式結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng), 控制器采用帶有Inter芯片，是一款強(qiáng)大的CPU，采用嵌入式實時多任務(wù)操作系統(tǒng)，任務(wù)循環(huán)周期最快可達(dá)到微秒級別，附加IO處理器，附帶接口模塊擴(kuò)展插槽，可移動存儲CompactFlash卡，且設(shè)備層網(wǎng)絡(luò)采用實時以太網(wǎng)，可以實現(xiàn)非常高的實時控制。專門應(yīng)用于循環(huán)周期非常短的項目，能夠處理大量數(shù)據(jù)，浮點型運算。
運動控制器是上位機(jī)PC端用戶到伺服運動機(jī)構(gòu)的橋梁，通過運動控制器的運動控制，將上位機(jī)的控制命令、運動規(guī)劃等在執(zhí)行機(jī)構(gòu)上實現(xiàn)。采用PAC控制器，用于對高精度調(diào)整機(jī)構(gòu)的實時、精確控制。運動控制器通過對六臺伺服驅(qū)動器進(jìn)行控制，實現(xiàn)平臺的六自由度運動。實現(xiàn)了并聯(lián)機(jī)構(gòu)的正反解算法，并將其集成到運動控制器中。
采用穩(wěn)定可靠、通信速率高、受干擾率低、網(wǎng)絡(luò)速度快為特點的工業(yè)以太網(wǎng)搭建運動控制總線網(wǎng)絡(luò)完成運動控制系統(tǒng)的設(shè)計。針對運動控制器需要實現(xiàn)的具體功能以及控制系統(tǒng)的實際構(gòu)成情況，采用“PAC+工業(yè)以太網(wǎng)”技術(shù)的設(shè)計方案。控制系統(tǒng)采用“上位機(jī)+PAC控制器”的控制形式。整個運動控制系統(tǒng)由上位機(jī)、PAC控制器、伺服驅(qū)動器、電動缸、機(jī)械機(jī)構(gòu)、傳感器等組成。
上位機(jī)軟件負(fù)責(zé)按要求對機(jī)構(gòu)的運動進(jìn)行軌跡規(guī)劃，并將各種控制命令通過以太網(wǎng)通訊接口下發(fā)給PAC控制器;運動控制器對收到的控制命令進(jìn)行命令解析、狀態(tài)獲取、機(jī)構(gòu)運動學(xué)模型解算算法及控制算法處理等。根據(jù)具體命令執(zhí)行相應(yīng)操作。運動控制器經(jīng)過反解算法解算，將上位機(jī)發(fā)來的位姿信息轉(zhuǎn)換成每個電動缸的位置信息;再根據(jù)控制器獲取的電機(jī)絕對編碼器值，以及磁致伸縮位移傳感器測得的電動缸伸縮量等信息，應(yīng)用相應(yīng)的控制算法，得到具體的控制量;通通過工業(yè)以太網(wǎng)總線發(fā)送運動控制命令給伺服驅(qū)動器，實現(xiàn)并聯(lián)機(jī)構(gòu)的精確運動。同時，運動控制器可以通過工業(yè)以太網(wǎng)獲取到各個驅(qū)動器的當(dāng)前狀態(tài)、運動信息及相關(guān)數(shù)據(jù)，通過正解算法得到機(jī)構(gòu)的實時姿態(tài)，并將這些信息通過以太網(wǎng)反饋給上位機(jī)。控制系統(tǒng)具體構(gòu)成如下圖所示。
六自由度運動平臺控制策略
六自由度運動平臺不僅需要點位控制，同時也要考慮點到點之間的過程，這有別于串聯(lián)機(jī)構(gòu)的控制策略，串聯(lián)機(jī)構(gòu)的控制只考慮到達(dá)目標(biāo)點的準(zhǔn)確性和快速性，而不考慮中間過程。
該控制方法需實時獲取機(jī)構(gòu)末端的位置姿態(tài)值，由于傳感器等直接測量方式成本較高，因此多利用運動學(xué)正解計算獲得末端位置姿態(tài)。此外，平臺工作過程中不合理的運動軌跡會引起沖擊振動等問題，會影響平臺運動精度等性能指標(biāo)，且可能會損壞平臺的機(jī)械結(jié)構(gòu)，減少平臺使用壽命。因此，對包括六自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)實時運動學(xué)正解及最優(yōu)軌跡規(guī)劃在內(nèi)的伺服控制技術(shù)的研究顯得尤為重要。
六自由度運動平臺運動控制分為兩種控制策略：一種是關(guān)節(jié)空間內(nèi)的閉環(huán)控制。平臺運動時，各電動缸伸縮長度伸縮速度不同，各電動缸輸出力矩及所受負(fù)載等亦不相同，因此對各電動缸進(jìn)行單獨的閉環(huán)控制，也就是關(guān)節(jié)空間內(nèi)的閉環(huán)控制。這種控制策略為準(zhǔn)閉環(huán)控制，在使用時難以實現(xiàn)各電動缸的精確協(xié)同，因此對平臺軌跡的控制精度有一定影響。另外一種是工作空間與關(guān)節(jié)空間內(nèi)的閉環(huán)控制。這種控制策略是直接對平臺的位置姿態(tài)進(jìn)行閉環(huán)控制，形成工作空間內(nèi)的閉環(huán)。然后根據(jù)計算得到的各電動缸的運動參數(shù)，在關(guān)節(jié)空間內(nèi)針對各電動缸再進(jìn)行閉環(huán)控制。這種控制策略能夠進(jìn)一步提高平臺末端的控制精度，而缺點在于計算量比較大，需要進(jìn)行兩次閉環(huán)計算及運動學(xué)反解計算，此外還需實時獲得平臺工作空間內(nèi)的位置姿態(tài)值。
位姿閉環(huán)控制器根據(jù)輸入的目標(biāo)位姿與當(dāng)前平臺的實際位姿計算得到位姿控制量，然后通過運動學(xué)反解計算得到各個電動缸對應(yīng)的控制量，各電動缸根據(jù)對應(yīng)的控制量參數(shù)完成閉環(huán)控制，整體控制框架為雙閉環(huán)結(jié)構(gòu)。本文中，位姿閉環(huán)控制器使用PID控制器完成。PID控制器具有結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性高、可靠性好等優(yōu)點。其原理框圖如下圖所示。
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