機器臂控制系統(tǒng)設(shè)計
2016-11-9 來源：佳木斯大學(xué) 作者：周虹
摘要：機械臂主從式結(jié)構(gòu)被廣泛應(yīng)用于微創(chuàng)手術(shù)和遙操作中，分為主臂系統(tǒng)和從臂系統(tǒng)，而控制系統(tǒng)在主從機器臂系統(tǒng)中居于核心地位．本文針對機械臂的控制系統(tǒng)，給出了了機械臂的控制系統(tǒng)總體方案；通過設(shè)計機械臂運動控制方案分,-t1給出基于CAN總線的伺服運動控制單元和基于運動控制卡的伺服運動控制單元；針時控制系統(tǒng)軟件，設(shè)計了軟件的總體結(jié)構(gòu)和容錯設(shè)計：為了更好的對機械臂進行運動規(guī)劃控制，提出了插補法進行運動規(guī)劃。通過運行試驗表明，該運動規(guī)劃是可行的，有效的。
關(guān)鍵詞：機械臂：控制系統(tǒng)；運動規(guī)劃
機械臂主從式結(jié)構(gòu)被廣泛應(yīng)用于微創(chuàng)手術(shù)和遙操作中，分為主臂系統(tǒng)和從臂系統(tǒng)。主臂系統(tǒng)由一對主臂和一個監(jiān)視器構(gòu)成：從臂系統(tǒng)由用于具體定位的機器人手臂組成。目前主操作臂的應(yīng)用已經(jīng)商品化．本文針對從臂的控制采用關(guān)節(jié)控制方式將主臂和從臂的關(guān)節(jié)一一對應(yīng)。即主臂的各個關(guān)節(jié)獨立控制從臂的各個關(guān)節(jié)，對應(yīng)關(guān)系比較簡單，且各個關(guān)節(jié)之間相互獨立與解耦，比較容易實現(xiàn)，適合與主從同構(gòu)的情況下。
1.控制系統(tǒng)總體方案
機器人控制系統(tǒng)在主從機器人系統(tǒng)中居于核心地位，起著協(xié)調(diào)主從機械臂監(jiān)控對象，為操作者提供操作信息的作用。主從控制系統(tǒng)系統(tǒng)一般由操作者、主手、控制系統(tǒng)、從手和操作目標(biāo)5部分構(gòu)成．如圖1所示。
圖1控制系統(tǒng)的構(gòu)成
2.機械臂運動控制方案
圖2機械臂運動控制方案
運動控制系統(tǒng)是機械臂控制系統(tǒng)中的核心部分．其中硬件部分主要包括工業(yè)控制計算機、從手伺服控制單元、機械臂控制單元、碼盤數(shù)據(jù)采集卡、外圍電路板等部分。控制方案如圖2所示。
2．1基于CAN總線的伺服運動控制單元
CAN總線驅(qū)動能力強，在短距離mm)條件下具有高速(1Mbit／s)數(shù)據(jù)傳輸能力，可掛接多達127個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點。所有參加CAN總線的分系統(tǒng)都可以通過其控制單元上的CAN總線接口進行數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收。當(dāng)某一單元出現(xiàn)故障時不會影響其他單元的工作。基于CAN總線驅(qū)動能力比較強的特點．選擇了支持CAN總線的驅(qū)動器——德國產(chǎn)品EPOS系列。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(qū)動器，通過CAN總線連接各個驅(qū)動器作為控制節(jié)點．如圖3-4所示。再通過CAN總線與USB轉(zhuǎn)接1：3與工控機通信．便于整體控制與協(xié)調(diào)運動。轉(zhuǎn)接El選用德國IXXAT公司PC／CAN接口USB—to—CAN compact。
2．2基于運動控制卡的伺服運動控制單元
號為運GE動80控0?制P卡V：選用同高公司生產(chǎn)的GE系列運動控制器．型 PCI G。該控制器的核心由DSP和FPGA組成，能夠?qū)崿F(xiàn)同時控制8個軸協(xié)調(diào)運動，可編程梯形曲線規(guī)劃和S曲線規(guī)劃。控制器支持模擬量與脈沖量兩種輸出方式，具有16路通用數(shù)字I／O端口。每個軸都具有原點Home信號捕獲、編碼器Index信號捕獲、電機正負(fù)限位等功能。同時還提供了12位精度的A／D轉(zhuǎn)換器和RS232串行通訊擴展功能。
電機與驅(qū)動器：每條機械臂的移動關(guān)節(jié)主要是實現(xiàn)整體的升降，因為承載比較大，需要提供約200W的輸出功率，因此決定采用交流電機來實現(xiàn)這一功能。選用安川I交流伺服電機YASKAWA SGDM，配套的驅(qū)動器型號為SGMJV 04AYAA6C。根機器人出現(xiàn)失控狀態(tài)，并給出操作者相應(yīng)的警告信息。據(jù)電機的功率．選用ACJ-055—18型直流伺服驅(qū)動器和ACK一055--06型直流伺服驅(qū)動器。
3.控制系統(tǒng)軟件設(shè)計
3．1軟件總體結(jié)構(gòu)
對于機器人控制系統(tǒng)來說根據(jù)完成功能的不同可以劃分為機器人控制部分、規(guī)劃部分以及其它輔助部分．采用面向?qū)ο蟮脑O(shè)計方法在控制軟件中將以上幾部分封裝到了相應(yīng)類中，即電機類、控制類、規(guī)劃類、輔助類以及機器人類這幾個功能類。類對象的結(jié)構(gòu)圖見圖3。
圖3類對象的結(jié)構(gòu)圖
電機類主要負(fù)責(zé)控制單個電機運動，屬于底層類，它封裝了運動控制器對電機操作的所有接口函數(shù)，若要更換不同型號的運動控制器只需要重新編寫該類內(nèi)各成員函數(shù)的具體實現(xiàn)代碼即可．大大提高了軟件的通用性和擴展性。控制類負(fù)責(zé)總體管理電機使它們協(xié)調(diào)運動。實際上它是通過控制各個關(guān)節(jié)對應(yīng)的電機類，再由電機類直接控制電機以此實現(xiàn)協(xié)調(diào)電機運動的目的。
規(guī)劃類是實現(xiàn)軌跡規(guī)劃功能的一個類．由于機器人的不同動作的規(guī)劃方式都不同。因此每個動作都對應(yīng)了一種規(guī)劃類．RobotPlan類內(nèi)包含運動學(xué)、逆運動學(xué)、主從手運動學(xué)轉(zhuǎn)換關(guān)系式等函數(shù)．圓錐擺規(guī)劃類與普通的規(guī)劃類都是由RobotPlan派生而來的子類。輔助類主要用于管理機器人的其它輔助性操作．主要包括通過串口與數(shù)據(jù)采集卡分別獲取外置光電編碼器反饋的脈沖數(shù)、控制電磁離合器吸合。
機器人類是處于軟件頂層的類。它能夠協(xié)調(diào)以上提到的所有類。其代表整個機器人的實體，通過控制機器人類就能夠使機器人完成各種運動。
3．2控制軟件的容錯性設(shè)計
操作者在使用軟件時難免會有誤操作的情況，在實際運行中如果控制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(shè)計。主要體現(xiàn)在以下三個方面。跟蹤誤差極限：如果實際位置誤差滯后超出預(yù)設(shè)值，控制器將中斷出錯電機．發(fā)送運動出錯指令。這種情況一般發(fā)生在位置反饋消失、系統(tǒng)響應(yīng)速度較慢或電機發(fā)生故障時。速度限制：主從控制中，當(dāng)操作主手動作過快時。關(guān)節(jié)速度就會很大，影響運動精度的同時，也給手術(shù)帶來風(fēng)險，為此運動時檢測運動速度，當(dāng)首次速度接近電機極限速度時，給出警告，若連續(xù)兩次運動速度過大時，從手機械臂就會停止運動，不再接收主手的信息。
位置限制：軟件還對增加了從手機械臂極限位置的限制，當(dāng)運行到接近機械臂極限位置時，主手增加力反饋，使操作者感到阻力增大而減緩運動或者調(diào)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。
控制軟件的容錯性設(shè)計使操作者在誤操作的時候，不會對機器人出現(xiàn)失控狀態(tài)，并給出操作者相應(yīng)的警告信息。據(jù)電機的功率．選用ACJ-055—18型直流伺服驅(qū)動器和ACK一055--06型直流伺服驅(qū)動器。
4.運動規(guī)劃
當(dāng)機器臂末端從初始位置運動到目標(biāo)位置時．就是在關(guān)節(jié)空間中進行軌跡規(guī)劃。首先將關(guān)節(jié)變量映射成時間的函數(shù)，并規(guī)劃它的一階和二階時間導(dǎo)數(shù)。當(dāng)指定好末端器械的起始位姿、終止位姿以及若干中間位姿后首先通過運動學(xué)反解將各路徑點轉(zhuǎn)換成關(guān)節(jié)角度值，然后對每個關(guān)節(jié)擬合一個光滑函數(shù)，使之從起始點開始，依次通過所有路徑點，最后到達目標(biāo)點。本節(jié)根據(jù)實際需要，選擇了兩種插值計算方法：帶拋物線過渡的直線插補與多項式插補。
1．帶拋物線過渡的直線插補
各個關(guān)節(jié)在相鄰路徑點之間采用線性插值．同時為了避免角速度突變．插值初期采用拋物線過渡。由于運動控制卡提供了帶拋物線過渡的直線插補函數(shù)．所以只需要直接調(diào)用就可以。這里不再做過多敘述。
2．多項式插補
對于多項式插補，本文采用4—3—4軌跡法．即每次運動每個關(guān)節(jié)都有三段運動軌跡：第一段由初始點到提升點的軌跡用四次多項式表示．中間段由提升點到下放點的軌跡用三次多項式表示，最后一段由下放點到終止點的軌跡由四次多項式表示。同時．還需要滿足一定的約束條件。如各關(guān)節(jié)的位移、速度和加速度在整個時間問隔內(nèi)連續(xù)性要求．其極值必須在各個關(guān)節(jié)變量的允許范圍之內(nèi)等。根據(jù)所求方程求解要求．需要考慮14個邊界條件：起始點的位置、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(xù)性：終止點的位置、速度與加速度。考慮這些邊界和過渡條件規(guī)劃出這條軌跡．求解出解析式：
選取機器人路徑點見表1．這里采用在關(guān)節(jié)空間內(nèi)等分關(guān)節(jié)角來規(guī)劃路徑點，運行速度可以更加平穩(wěn)，經(jīng)過規(guī)劃后得到的機器人各關(guān)節(jié)軌跡、速度與加速度曲線，其中關(guān)節(jié)1如圖4。
表1機器人路徑點
表1
圖4關(guān)節(jié)I關(guān)節(jié)空間規(guī)劃
5.本章小結(jié)
本文設(shè)計了機器臂控制系統(tǒng)總的控制方案和構(gòu)成．并對硬件系統(tǒng)作說明。此外。針對控制系統(tǒng)進行了軟件總體設(shè)計和軟件容錯設(shè)計通過插補法實現(xiàn)機械臂的運動規(guī)劃，并通過仿真實驗，表明方法是有效的，實用的。
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