超声电机驱动的二轴机械臂控制系统

1、测控技术2004年第23卷第12期40 文章编号：10008829(200412004003超声电机驱动的二轴机械臂控制系统A Control System for a 2-DOF Robot Arm Driven by Ultrasonic Motors（东南大学 仪器科学与工程系，江苏 南京 210096）张 焱，宋爱国（东南大学 电气工程系，江苏 南京 210096） 金 龙，胡敏强，顾菊平摘要：超声电机相对于传统的电磁驱动电机具有低速大转矩、无电磁干扰、响应快、无输入自锁、可直接驱动负载等许多优点，更能适应工业机器人机械臂的控制灵敏、体积小、定位精度高等控制要求。笔者针对基于超声电机的

2、二轴机械臂的定位控制系统制作了硬件驱动电路和控制软件，并通过实验证明了该硬件驱动电路和控制软件的有效性，实现了超声电机驱动的二轴机械臂的快速、精确定位控制。 关键词：超声电机；机械臂；控制 中图分类号：TM383 文献标识码：AAbstract ：Compared with traditional motors, an ultrasonic motor （USM ） is one of the direct-driven motors with a complete new driving principle and advantages which are fit for construct

3、ing dex-terous robot arms and manipulators. A robot arm driven by two USMs and its position control system are developed. The perform-ance of the robot arm is confirmed by driving tests. It shows that the USM is one of the excellent and advanced motors to realize flexible driving and control in robo

4、t armsKey words：ultrasonic motor（USM ）；robot arm；control 机器人技术已在越来越多的工业场合得到应用，但随着机器人技术的提高，对工业机器人机械臂的驱动控制系统也提出了越来越高的要求。例如对空间机器人和医用机器人，要求其机械臂控制系统定位准确、响应迅速，且驱动装置体积紧凑，出力大，而传统的电磁驱动电机为获得控制系统所要求的低速大扭矩，一般须带有减速传动机构，不仅增加了驱动装置的重量和体积，而且减速齿轮间的间隙和磨损阻碍了电机快速性和精确性的提高 13 。超声电机是利用压电材料具有的逆压电效应，将电能直接转变成机械振动能，并利用摩擦转变成旋转或

5、其他方式运动的驱动装置。与传统的电磁驱动电机相比，超声电机没有绕组和磁性元件，结构更为简单紧凑，具有低速大转矩、无电磁干收稿日期：20040602基金项目：国家自然科学基金资助项目（50277006）作者简介：张焱（1970），女，河南人，在读博士研究生，高级工程师，研究方向为机械手的控制技术。扰、动作响应快、运行无噪声、无输入自锁等特性。因此，超声电机定位精度高，可直接驱动负载。基于超声电机的上述特点，将其作为一种新型的自动控制执行器，是对传统电磁电机的突破和有力补充，更加适用于机器人机械臂、手的定位控制 4。然而，定位控制驱动电路设计的好坏是能否发挥超声电机优点的关键。笔者利用所研究的环形

6、行波超声电机，对超声电机驱动的二轴机械臂的逆向运动学模型进行了研究，对机械臂定位控制系统制作了硬件驱动电路，利用逆向运动学原理，设计了两机械臂转角和方向的计算规则，并编制了控制软件。系统的硬件驱动电路和控制软件能满足控制要求，实现了超声电机驱动的二轴机械臂的快速、精确伺服定位控制。1 机械臂系统结构基于超声电机的二轴机械臂如图1所示，其中关节O 1固定，臂O 1O 2可绕关节O 1旋转，臂O 2A 可绕关节O 2旋转。在关节O 1处安装一100 mm行波超声电机，关节O 2处安装一360旋线增量2 由图1可知，二轴机械臂可绕关节O 1和O 2旋转，已知O 1O 2长度为l 1，O 2A 长度为

7、l 2，由几何分析法，根据A 点坐标（x ，y ）可得到1、2的表达式。x = l 1cos 1+l 2cos （1+2） （1）y = l 1sin 1+l 2sin （1+2） （2）将式（1）、（2）化简，得x 2+y2= l 12+ l22+2 l1 l2（cos 1cos （1+2）+ sin1sin （1+2）超声电机驱动的二轴机械臂控制系统 41=l 12+ l22+2 l1 l2 cos 2 （3）2122212222arccosl l l l y x +=（4）而221222122212arccosy x l l l y x O AO += （5）22122212212arc

8、cosarctg y x l l l y x x y += （6）3 机械臂定位控制器的设计环形行波式超声波电机的运行需要高性能的二相驱动电源。由于超声电机在实际运行中运行特性会随环境温度、运行中温升、负载特性、预压力的变化而变化，为保证对超声电机运行可靠和稳定控制，控制器必须通过检测超声电机的运行状态，采用闭环控制，调整驱动频率，使超声电机始终运行在稳定的工作状态。机械臂定位控制器原理图如图2所示。监控计算机（上位机）利用运行于其上的人机接口界面确定机械臂端点位置，利用机械臂的逆向运动学模型计算得到机械臂两臂转过的角度1和2。1和2的大小和方向通过串行通信口传给A VR 单片机，再通过控制器

9、的驱动电路驱动两个超声电机相应旋转。同时，安装于超声电机上的两个光栅位置传感器（编码器）及孤极反馈电路将电机转过的角度及电机的位置反馈给单片机，构成闭环调节回路，以实现机械臂的精确定位控制。系统中的超声电机控制器基于高性能的A VR 单片机（下位机）。控制器通过控制单片机的4个输出脚输出符合要求的脉冲来控制超声电机的运行。整个控制器软件设计采用模块化结构。根据功能将整个软件划分成若干个任务，采用优先级任务调度，软件运行效率较高。4 机械臂运动控制的软件实现本实验中由监控计算机上运行的人机接口界面确定机械臂的端点位置。人机接口界面程序由Borland C+编制而成。通过界面上的鼠标点击，确定图1

10、中机械臂端点A 的位置。程序利用机械臂逆向运动学模型计算得到机械臂端点由原来位置转到A 位置时两臂转过的角度1和2。1和2的大小和方向根据一定的协议通过串口发送给单片机。计算机的定位控制程序流程图如图3所示。程序中定义两臂转过角度及方向的计算规则如下： 计算端点在A 位置时两臂的角度（7） （8）若O 1B l 1+l 2，则（9）若O 1B l 1+l 2，则（10）（11）当机械臂端点A 位置的移动到B 点时，两臂的移动有两种可能，O 1O 2A 可能移为O 1O 3B ，也可能移为O 1O 4B ，如图4所示。其中，（12） （13）程序计算时选择使得O 2产生相对较小的位移点，图4中选

11、择O 1O 3B ，即（14）计算两臂转过的角度1=11A （15）2=22A（16）由于安装在手臂关节处的超声电机做360旋转，而由监控计算机向机械臂控制器单片机发送的角度信号范围为（，故由式（15）、（16）得到的计算结果还需进行规范化处理：5 实验结果笔者利用编制的人机接口界面配合表1 两个超声电机的特性电机直径 /mm 最大转速 /rmin -1 堵转 力矩/Nm 驱动电压/Vrms 驱动 频率/kHz 响应 时间 /ms 转子和轴的转动惯量 /kgm 2 100 45 3.2 120 40 2 0.39610-5 601400.912035 (, 2 (,22(2, i i i i

12、i i i =+i =1,2 (1722122212212arccos arctgAA A A A A A y x l l l y x x y += 2122212222arccosl l l l y x A A A += 0, arctg2111=O B O B x x y y22122212212arccos arctgB B B B B B y x l l l y x x y += 2122212222arccosl l l l y x B B+=221222122142arctgBB B B BB y x l l l y x x y X O O +=221222122132arccos

13、 arctgBB B BB B y x l l l y x x y X O O +=测控技术2004年第23卷第12期 42 基于A VR 单片机的机械臂定位控制器对分别由60 mm及100 mm超声电机驱动的二轴机械臂进行实验。实验时的实物照片如图5所示。上位机的人机接口界面如图6所示。当鼠标在接口界面内的任一点上点击时，手臂端点A 都会在手臂长度能及的范围内到达鼠标位置，手臂肘部O 2点跟随A 点做相应移动。同时，二轴机械臂实物中的两臂亦随之做相应转动。上位机通过在接口界面上点击鼠标，使机械臂的两臂各按逆时针方向旋转90（即2个电机各按逆时针方向旋90）。图7及图8分别为60 mm及100

14、 mm超声电机驱动的二轴机械臂的阶跃响应曲线。由曲线可知，由60 mm电机驱动的机械臂，电机可在0.3 s内达到稳态值，且有约0.2 s的振荡；而由100 mm电机驱动的机械臂，电机可在0.8 s内达到稳态值，且振荡相对较小。图5 二轴机械臂实物照片图6 机械臂控制软件界面图7 60 mm电机驱动机械臂控制过程曲线图8 100 mm电机驱动机械臂控制过程曲线（下转第45页）AO 2O 16.2 6.6 7 7.4 7.8时间/s-20-40-60-80-100角度/ 编码器 编码器100电机60电机6.5 7 7.5 8 8.5 9 时间/s0-20-40-60-80-100角度/ 自导向磁吸

15、附爬壁机器人控制系统的实现 45 定的，包括从状态A 到状态B 的切换和对应的后续调整动作。每次从一个状态进入到另一个状态时，首先检测该切换是否在设定表内，如果是，则按设定表中的调整进行相应动作。否则，先根据目前的传感器状态，执行前进或是后退动作以进行姿态判断，从而确定机器人的可能姿态。并基于此，执行预先设定的小步长调整动作。由此完成对状态切换表的自学习过程。自学习过程如图4所示。 图4 状态切换表自学习过程框图3.2 调整过程在姿态调整过程中，根据获得的传感器状态，系统进行对应的动作调整。调整动作举例如下：传感器1、3为灭，2、4（传感器定义见图2）为亮时，表明此时小车位于导引带上方，因此对

16、应动作为右转1角度，前进2 mm。1、2为经实验确定的微小步长。传感器1、2为亮，3、4为灭时，表示小车姿态有倾斜。但倾斜有两个方向，此时需要结合上次状态来确定来执行前进、右转（左转）的动作。如果在状态切换表中不存在这两个状态的切换，则首先反复执行前进3 mm的命令，直到传感器1、2有一个动作灭为止，并以此确定机器人姿态，进而确定要执行的调整动作，同时更新状态切换表。其余14种状态的调整动作以此类似确定。图5为机器人对姿态扰动的动态响应曲线。可以看出机器人的姿态发生变化时，系统能够自行快速修正，证明系统具有图5 机器人姿态动态响应曲线较好的姿态自调节能力。4 结束语本自导向磁吸附爬壁机器人控制

17、系统采用工控机+运控卡结构，通过平面布置光纤传感器来检测机器人的可能位置和姿态，并执行相应调整动作。在软件实现过程中，对调整动作进行优化，并能自动对状态切换表进行在线学习，能够较快地完成对姿态的调整。 参考文献：1 姜洪源, 李曙生, 刘淑良，等.磁吸附检测爬壁机器人的研究J .哈尔滨工业大学学报，1998，30（2）：8084.2 韩冬桂, 李国栋, 刘正林，等.磁吸附爬壁机器人驱动系统的设计J .交通科技，2002，（6）：98101.3 徐泽亮, 马培荪.永磁吸附履带式爬壁机器人转向运动灵活性分析J.上海交通大学学报，2003，37（11）：5865.（上接第42页）6 结束语笔者利用所

18、研制的行波超声电机，设计了基于超声电机的二轴机械臂控制器及其驱动电路。利用逆向运动学原理，设计了两机械臂转角和方向的计算规则。所设计的硬件驱动电路和控制软件充分实现了超声电机的优点，完全能满足控制要求，实现了二轴机械臂的快速、精确定位。对控制算法的深入研究有望消除机械臂定位时产生的振荡。本研究为进一步实现复杂的机器人机械臂控制系统奠定基础。 参考文献：1 Takemura K, Harada D, Maeno T. Development of a master-slave systemfor active endoscope using a multi-DOF ultrasonic motorA. Proceedings of the 32nd ISR (International Symposium on Robotics C.2001-04:254259.2 Yamano K, Takemura K, Endo K, Maeno T. Method for controllingmaster-slave robots using switching and elastic elementsA. Proceedings of the 2002 IEEE. International Confer