基于行波超声波电机直接驱动的机械臂精密定位系统研制

1、 2007, 34(11控制与应用技术EM CA基于行波超声波电机直接驱动的机械臂3精密定位系统研制华亮, 李宪章, 吴晓(1. 浙江工业大学智能信息研究所, 浙江杭州310032;2. 南通大学电气工程学院, 江苏南通226007摘要:。采用行波超声波微步控制技术实现了机械臂低速下的高精度定位控制, 种实用的行波超声波电机精密定位控制方法。此外, 所给的方法简单易行, 控制中, 。关键词:行波超声波电机; ; 中图分类号:文章编号:167326540(2007 11200232061, 212H i gh 2on Positi on i n g Syste m of M an i pul a

2、 tor Ba sed on D i rectD r i v i n g M echan is m Usi n g Traveli n g 2wave Ultra son i c M otorHUA L iang1, 2, L I X ian 2zhang , WU X iao12(1. Zhejiang University of Technol ogy, Hangzhou 310032, China;2. Nant ong University, Nant ong 226007, China Abstract:The devel opment of a high 2p recisi on

3、positi on syste m design method f or r obotic multi 2DOF mani pulat orusing traveling 2wave ultras onic mot or and step mot or is put f or ward . H igh 2p recisi on positi oning contr ol method of ma 2ni pulat or based on m icr o 2step contr ol method using TRUS M is intr oduced . A novel p recise p

4、ositi on contr ol method of TRUS M which has features of p racticability is intr oduced and theoretical and experi m ental studies are comp leted . Mo 2reover, the paper dedicated t o study on the positi on err or analysis and contr ol syste m design method . The methods and conclusi ons put for war

5、d in the paper can highly enhance p recisi on of positi on of US M and have br oad p r os pect in app licati on . The contr ol syste m f or the mani pulat or with multi 2DOF realizes the high 2p recisi on contr ol t o the j oint without using high p recise angular sens or .Key words:traveli n g 2wav

6、e ultra son i c m otor; m i cro 2step con trol ; man i pul a tor; prec isi on positi on0引言随着机器人技术的提高, 对机器人机械臂的驱动控制系统也提出了越来越高的要求。例如对空间机器人、服务机器人、特种机器人等, 要求其机械臂定位准确、响应迅速、驱动装置体积紧凑、出力大。传统伺服电机作为机器人关节驱动器的最大缺点是功率2质量比小, 采用小型电磁电机时因低速力矩不足而必须使用减速箱, 导致结构复3南通市应用研究计划项目(K2007023杂、重量大; 且减速齿轮间的间隙和磨损阻碍了电1机快速性和精确性的提高。超

7、声波电机是近20年来出现的一种全新概念的新型驱动装置。同电磁电机、静电电机相比,2超声波电机的许多独特优点使其在机器人驱动中有很高的应用价值。例如美国喷气实验室和麻省理工学院联合研制的大扭矩超声波电机成功3应用在火星车的机械臂中; 日本学者成功研制出基于圆环状或者圆筒状超声波电机的机器人手23控制与应用技术EM CA2007, 34(115臂; 东南大学学者开发的两轴机械臂等。本文介绍的基于行波超声波电机(T RUS M 直接驱动的三自由度机械臂, 可实现快速、精密伺服定位控制。该机械臂在移动焊接机器人中得到了良好的应用。4成本、应用背景、现有设备作出的选择。该电机较重, 但作为腰关节固定于移

8、动焊接机器人底盘前下部, 能使移动机器人重心前移, 提高机器人的稳定性。关节式球面机械臂已有了成熟的动力学和8运动学模型。本文介绍的机械臂已成功应用于自行研制的移动焊接机器人中。现着重介绍机械臂的精密定位控制。1机械臂结构设计1. 1执行机构设计本文介绍的机械臂实物照片如图1所示。其6执行机构采用关节式球面机械臂构型。关节式球面三自由度关节是一种发展比较成熟的机械臂本体构型, 三连杆通过两个俯仰(旋转轴与连杆中心线垂直 关节和一个旋转关节(旋转轴与连杆中心线平行 连接, 的操作任务 。2TRUS M 精密定位控制2. 1USR30、USR60和, 他D6060。驱动器90、频率分别大约和40k

9、Hz 的准正弦波驱动电压。用户可以通过驱动器的电子开关控制电机的正反转, 并可以通过改变其调速端口的电压来调节电机的速度。驱动器相关参数详见文献9210。2. 2TRUS M 控制方法2004年, 国内学者在文献11中提出了超声波电机步进特性的概念。它参照步进电机的特点, 对纵扭复合型超声波电机的步进特性进行了理论和试验研究, 并提出了一种精密定位控制方法, 达到了很高的定位精度。同年, 对TRUS M 的12步进特性进行了初步研究, 发现其具有很高的控制精度, 在此基础上提出了一种简单易行、控制精度高的速度位置控制方法微步控制。该方法可以实现电动机低速下的精密定位, 非常适合于机器人关节直接

10、驱动控制。本文采用微步控制方法对TRUS M 进行精密定位控制。2. 2. 1TRUS M 微步控制原理微步控制中每一个正弦波驱动电压使转子转过一个稳定的角度1(简称波距角 。电机从起动到停止的这一很短的过程为一微步。每一微步都会转过一个很小的角度s (简称步距角 。理论上, 。s 在外界条件不变的情况下是恒定的USR30的驱动正弦波电压周期T =19s, 如以T 为最小单位, 则每微步运行时间t s =n s T =19n s , 其中n s 为每步正弦波的个数(简称波数 。微步运行时控制器发出起动命令到发出停止命令的时间称为“微步运行时间”, 发出停止命令到发出下一步起动命令的时间称为“步

11、间停止时间”。12(优T RUS M 利用步进控制可以达到很高精度11图1三自由度机械臂实物图1. 2传动机构设计本系统采用直接驱动方式, 即将负载直接刚性连在电机轴上, 可消除传统驱动方式(带减速机构 中的间隙、摩擦等不利因素, 增加伺服刚度, 从而显著提高机器人的终端合成速度和定位精度。直接驱动电机必须具备以下特点:尺寸小、重量轻、力矩大; 需抑制输出转矩波动; 响应速度快, 刚度高。本文选用日本Shinsei 公司生产的行波超声波电机USR30作为肘关节直接驱动电机, 行波超声波电机USR60作为肩关节直接驱动电机, 三相反应式步进电机75BC380作为腰关节驱动电机。采用75BC380

12、是根据机器人247 2007, 34(11控制与应用技术EM CA。但是它的步进特性在不同时间、于0. 01温度条件下不是稳定的, 而在相对短的时间内步进特性是相对稳定的, 相邻步距角之间的差距很微小。根据以上试验所得出的结论, 本文采用一种简单实用的新型定位控制方法。这种方法可以实现定位的高精度, 并且可以控制电机以极低的转速运转。2. 2. 2TRUS M 新型精密定位控制方法T RUS M 精密定位控制的基本原理如图2所示 。步距角和误差都随着n s 的增大而增大, 因此要想得到高的可控精度, n s 必须要小。在负载变化的情况下, 步距角不是突变的, 用前一个步距角预测12下一个步距角

13、不会带来很大的误差。2:=a+其中b +c 。a 码器脉冲到来转过的角度(USR30、USR60自带500线光电编码器 ; b 为光电编码器反映的旋转角度; c 为最后一个光电编码器脉冲到来时与目标位置相差的角度。单片机控制T RUS M 步进前进, 记录a 段的步数S 0; b 段每个光电编码器脉的步数为S 12冲到来时(即每0. 72S m ; c 段的步数为S m +1。因此a =S 0S 0. 72m b =0(1时, 记录步数S 0; 光电编码器的第二个脉冲到来时, 通过计算可以较为准确地得到电机已经转过的角度为0. 72(1+S 0/S1 ; 在此之后利用光电编码器跟踪电机的位置,

14、 累计转过的角度, 记录每0. 72的步数。当前位置与目标位置相差小于0. 72时, 估算到目标位置需要的步数S m +1=( . 72S m , 并运行相应步数后停止。C /02. 2. 3起动问题的解决在微步控制试验中, 发现在某些情况下不能起动。在电机停止较长时间(大于60s 后, 最大静摩擦力会增大, 这时电机的起动滞后时间会变大; 在微步控制下, 每一微步的时间很短, 如果小于电机的起动滞后时间, 电机就不能起动。但是一旦电机起动, 下面的微步控制中, 起动滞后时间会很短, 不会影响到正常的微步控制。电机在长时间停止之后, 试验表明USR30起动滞后时间大约为300s 。USR60起

15、动滞后时间大约为500s, 因此在微步控制起动时, 第一微步的时间必须加上这个起动滞后时间, 才能保证电机的顺利起动。2. 2. 4定位误差分析c =S m +1S m +1显然, S 0和S m +1是提高控制精度的关键。根据相邻步距角变化非常微小的试验结论, 可以用相邻的可测步距角来估算S 0和S m +1。因此可以认为:. 72/S1S 0=S 1=0=0. 72/Sm S m +1=S m(212但是当初始位置与目标位置小于1. 44时, 可能得不到一个准确的步距角。这个时候只能依靠以前的试验值来估算, 相应的误差就会增大。应用中可以提高光电编码器的分辨率来提高精度。综上所述, TRU

16、S M 的预定转角:=a +b +c =(3 0. 72(S 0/S1+m +S m +1/Sm 在控制过程中, 光电编码器第一个脉冲到来值得注意的是记录步数S 有两种不同的方法。方法1是在光电编码器的脉冲到来时立即记录当前步数; 方法2是在一步运行完之后判断有脉冲来过(脉冲到来时置标志位 记录步数。两种方法的主要不同是:方法1记录的S 0会比后一25控制与应用技术EM CA2007, 34(11种的少1。两种方法记录的S 12S m 从统计的角度看应该是一致的, 而最终计算S m +1的结果是一样的。总的说来, 方法1比方法2的总步数少1, 方法1的实际到达位置可能达不到目标位置, 而方法2

17、则可能超过目标位置。在本文微步控制中, 采用的是方法2, 因为这时实际上研究的是b 段的情况, 方法1、2没有区别。两种方法都没有在脉冲到来时打断一个微步, 这样在最后一个脉冲到来并且完成一步停下来的时候, 电机的实际位置一定会超过这个脉冲到来时的位置一个角度简称超出角, 因此实际的3(3S m 。c 比理论 的. 72S m c 少了3。运用公式S m +1=(C /0时没有考虑也不能确定这个超出角3, 差会被累积。为了缓解这个问题, , 程中的超调角, 这个角度就很小, 这样就大大减小了累积误差。在采用这种控制方法时, 应该采用方法1记录步数S 。因为最后一个脉冲到来时打断微步, 采用方法

18、2就会比以前记录的步数少1。起动滞后时间也会带来控制误差。起动滞后时间与电机停止时间、负载大小、电机温度等诸多因素有关, 不是一个稳定的数值。如控制USR30时将第一微步的时间加上了一个确定时间300s 。如果电机的实际起动滞后时间小于300s, 第一微步的步距角就会大, 第一个脉冲到来之前的步数就会少, 因此预测的脉冲之前的角度就会小; 如果大于300s, 步距角就小, 步数多, 预测的角度就会大。在无负载的情况下, 假设起动滞后时间的波动为25%, 这时引起的误差最大为误差波数步踞角=(30025%/19 1, 其中1为波矩角。当调速电压为0V 时, 通过试验可得电机稳定工作的波矩角为0.

19、 00207, 因此误差最大为(30025%/19 0. 00207。这里的1是电机稳定工作时的波矩角。而起动过程中转速低, 波矩角应该更小, 所以实际的误差将小于0. 00817。利用上述控制方法, 可控精度为一个步距角, 误差也是一个步距角。在空载的时候, 当n s =9时, 控制的定位精度会优于0. 01。在负载的情况下, 负载转矩增大时, 转速减小, 制动时间随着26负载转矩的增大而减小, 从而使可控的精度更高。2. 2. 5基于占空比调节的T RUS M 调速方法当今国内外对T RUS M 转速控制的研究大多着重于控制其转速的稳定性, 而对低速下的速度控制研究不多。对于机械臂驱动常要

20、求低速下的高精度定位, 并不要求电机恒定工作在稳定转速, 只是要求其在宏观上具有一定的转速。本文针对这种需求, 采用基于占空比调节TRUS M 转速的控制方法。利用微步控制方法, T 每步转过一个微小的角度M (M 1010。m -6-3s 10+M10 (=S i (19n s 10s /i =1m +1-6+M10 (4-3式中:v 为瞬时转速, v 为平均转速。但是实际上T RUS M 转动不是恒速的, 而是不断起停, 就如同步进电机一样。显然, 在波数n s 一定的情况下, 改变M 的大小可以大范围地调节转速。这种方法特别适合于低速的转速控制。而在高速的场合, 由于M 10m s 的限

21、制, 不能达到很高的速度, 这时可以采用分段控制的办法。在a 段、b的前段、b 的后段和c 段, 采用微步控制; 在b 的中段, 可以选用大的波数n s 或者让电机连续运转, 以此来提高转速。3TRUS M 步进定位控制器设计机械臂的控制系统需要对两台T RUS M 进行实时控制, 使两台电机能够协调运动, 并要求达到很高的精度。在控制中, 由于要对机械臂的路径进行规划, 需要大量的计算, 单纯靠单片机不能实时完成, 因此需要采用上下位机的形式, 由上位机进行路径规划, 作为控制机构, 下位机作为执行机构; 上下位机之间使用CAN 总线进行通信。下位机采用增强型的单片机, 接收上位机的命令并执

22、行。它可以通过驱动器控制T RUS M 的起停和正反转, 并通过计数器接收光电编码器传来的位置信号。单片机需要把这些信号实时地传递给上位机, 为上位机的控制提供依据。本文采用Phili p s 公司生产的增强型51单片机P89C51RD2作为两台T RUS M 的控制器。T RUS M 的总体控制系统如 2007, 34(11控制与应用技术EM CA图3所示 。路输出。其中ChA 和ChB 输出相位相差90的方波, 精度为500脉冲/圈。从前述的微步控制方法中可知, 光电编码器的精度越高, 超声波电机在短距离的控制中精度就越高。为了提高精度, 可对两路信号4倍频, 使精度达到0. 18。具体方

23、法是:首先将Ch A 和ChB 通道的方波异或, 实现了2倍频, 如图6所示; 再将异或后的信号输入P89C51RD2的PCA 模块中, PCA 将输入信号的上升和下降沿进行捕获并计数, 就实现了4倍频 。图3T RUS M 控制系统框图3. 1控制逻辑输出模块在微步控制方式下, 关键是实时控制电机的起停。本系统中, 制电机起停、正反转。以USR30, 中, 侧为驱动器, “”引脚。即可。, 因为这时电机的转向是不确定的, 这是不允许的。为此, 在电路中添加了互锁电路。具体电路如图5所示 。9图6通道A 、B 的输出及异或后的结果3. 3位置信息存储模块关节中两台超声波电机的位置信息在断电后需

24、要保存, 以便为下一次运行提供当前位置信息。为此硬件系统中使用了非易失性存储器EEP 2ROM 来保存这些信息。本系统中使用的EEP 2ROM 为24C04。它采用二线制I C 串行总线, 简2化了电路, 能够存储512字节的数据, 满足系统要2求。由于P89C51RD2没有I C 总线接口, 需要软件模拟, 本系统采用了广州周立功公司编写的模2拟I C 协议的软件包, 使用非常方便。图4 起停正反转控制电路3. 4CAN 总线接口模块CAN 总线是一种多主方式的串行通信总线,技术先进、可靠性高、功能完善、成本合理, 传输速度高达1Mbit/s 。C AN 接口电路如图7所示。电路中采用了Ph

25、ili p s 公司生产的C AN 总线控制器S JA1000和C AN 收发器PC A82C250。SJA1000的功能很强, 能完成高性能的通信, 适应机器人的控制要求。CAN 收发器为PC A82C250, 它是C AN 控制器与物理总线之间的接口, 可以提高向总线的差动发送能力和对CAN 控制器的差动接收能力。另外为了提高可靠性, 使用了Phili p s 公司的DC 2DC 模块B0505S 对电源进行了隔离。3. 5调速模块通过调节驱动器的调速电压, 可以改变超声波电机的转速。为了实现软件调节转速, 本系统27图5互锁电路3. 2位置信号采集模块本系统中的光电编码器HE DS 25

26、540是德国F AULF ABER 集团生产的, 有ChA 、Ch B 和ChZ 三控制与应用技术 EM CA 2007 34 ( 11 , 采用了外接数字电位器的方法 。本系统使用的是 ANALOG DEV ICE 公 司 生 产 的 数 字 电 位 器 AD5204。它具有以下特点 : 4 通道 , 256 级 10K可 变电阻 , SP I串行接口 ,每一通道都可以编程为不 同的阻值 。由于 P89C51RD2 自身没有 SP I总线 接口 ,必须要用软件模拟 。 3. 6 TRUSM 与步进电机综合控制系统设计 机械臂腰关节的控制采用常州微特电机总厂 生产的 75BC380 型三相磁阻

27、式步进电机 。其粗 步距精度为 0. 36 ,采用基于 FPGA 的双正弦可变 细分新型驱动电路进行 72 细分后 ,步距精度可达 13 0. 005 。该电机定位精度高 ,运行较平稳 。 由于单片机接口及资源有限 , 因此步进电机 采用另一块单独的单片机进行控制 。其细分控制 框图如图 8 所示 。在机械臂中 ,将肘 、 肩关节模块 作为 CAN 总线上的一个节点 ,腰关节模块作为一 个节点 ,组成一个控制网络 ,结构如图 9 所示 。控 制信息与位置信息都通过 CAN 总线在节点与节 点间 、 下位机与上位机间交互 ,使关节在既定规划 路径下协调运动 。 图 7 CAN 总线通信接口电路

28、图 8 步进电机细分控制电路总体框图 4 结 语 本文介绍了基于 TRUS 与步进电机驱动的 M 机器人多自由度机械臂精密定位控制系统 。采用 TRUS 微步控制技术及一种简单实用的新型定 M 图 9 CAN 总线网络结构图 28 位控制方法 ,实现了机械臂低速下的高精度定位 控制 。 此外 , 还进行了定位误差分析及控制系统 (下转第 40 页 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 变频调速 EM CA 版社 , 2005. 2007 34 ( 11 , 图 7 系

29、统主程序流程图 图 8 串行口接收中断流程图 图 9 HSO 高速输出 PTS事务中断结束流程 3 贺益康 ,潘再平 . 电力电子技术 M . 北京 : 科学出 4 陈伯时 ,陈敏逊 . 交流调速系统 M . 北京 : 机械工 5 王会刚 ,李忠杰 ,王来高 . 采用电压矢量控制小功率 业出版社 . 1998. (上接第 28 页 的设计 。所给的方法简单易行 , 在 TRUS 精密 M 定位中具有普遍的应用意义和广泛的应用价值 。 该方法成功运用于机器人多自由度机械臂控制 中 ,不需要使用高精度编码器就可以机械臂达到 很高的定位精度 。 【 考文献】 参 6 蔡自兴 . 机器 人学 M . 北京 : 清华 大学 出版社 , 2000. 7 谭伟 ,赵锡芳 . 机器人直接驱动技术研究现状及发 8 闫超勤 . 智能移动机械臂的研究 D . 西安 : 西安电 1 KAWANO H , H IRAHARA T Three2 . DOF angular po2 2003 IEEE /RSJ, Intl Conference on Intelligent Robots and System s Las Vegas, 2003: 2247 2 . 2253