超聲電機(jī)驅(qū)動(dòng)的二軸機(jī)械臂控制系統(tǒng)

1、測控技術(shù)2004年第23卷第12期40 文章編號：10008829(200412004003超聲電機(jī)驅(qū)動(dòng)的二軸機(jī)械臂控制系統(tǒng)A Control System for a 2-DOF Robot Arm Driven by Ultrasonic Motors（東南大學(xué) 儀器科學(xué)與工程系，江蘇 南京 210096）張 焱，宋愛國（東南大學(xué) 電氣工程系，江蘇 南京 210096） 金 龍，胡敏強(qiáng)，顧菊平摘要：超聲電機(jī)相對于傳統(tǒng)的電磁驅(qū)動(dòng)電機(jī)具有低速大轉(zhuǎn)矩、無電磁干擾、響應(yīng)快、無輸入自鎖、可直接驅(qū)動(dòng)負(fù)載等許多優(yōu)點(diǎn)，更能適應(yīng)工業(yè)機(jī)器人機(jī)械臂的控制靈敏、體積小、定位精度高等控制要求。筆者針對基于超聲電機(jī)的

2、二軸機(jī)械臂的定位控制系統(tǒng)制作了硬件驅(qū)動(dòng)電路和控制軟件，并通過實(shí)驗(yàn)證明了該硬件驅(qū)動(dòng)電路和控制軟件的有效性，實(shí)現(xiàn)了超聲電機(jī)驅(qū)動(dòng)的二軸機(jī)械臂的快速、精確定位控制。 關(guān)鍵詞：超聲電機(jī)；機(jī)械臂；控制 中圖分類號：TM383 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：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 機(jī)器人技術(shù)已在越來越多的工業(yè)場合得到應(yīng)用，但隨著機(jī)器人技術(shù)的提高，對工業(yè)機(jī)器人機(jī)械臂的驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)也提出了越來越高的要求。例如對空間機(jī)器人和醫(yī)用機(jī)器人，要求其機(jī)械臂控制系統(tǒng)定位準(zhǔn)確、響應(yīng)迅速，且驅(qū)動(dòng)裝置體積緊湊，出力大，而傳統(tǒng)的電磁驅(qū)動(dòng)電機(jī)為獲得控制系統(tǒng)所要求的低速大扭矩，一般須帶有減速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，不僅增加了驅(qū)動(dòng)裝置的重量和體積，而且減速齒輪間的間隙和磨損阻礙了電機(jī)快速性和精確性的提高 13 。超聲電機(jī)是利用壓電材料具有的逆壓電效應(yīng)，將電能直接轉(zhuǎn)變成機(jī)械振動(dòng)能，并利用摩擦轉(zhuǎn)變成旋轉(zhuǎn)或

5、其他方式運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)裝置。與傳統(tǒng)的電磁驅(qū)動(dòng)電機(jī)相比，超聲電機(jī)沒有繞組和磁性元件，結(jié)構(gòu)更為簡單緊湊，具有低速大轉(zhuǎn)矩、無電磁干收稿日期：20040602基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（50277006）作者簡介：張焱（1970），女，河南人，在讀博士研究生，高級工程師，研究方向?yàn)闄C(jī)械手的控制技術(shù)。擾、動(dòng)作響應(yīng)快、運(yùn)行無噪聲、無輸入自鎖等特性。因此，超聲電機(jī)定位精度高，可直接驅(qū)動(dòng)負(fù)載。基于超聲電機(jī)的上述特點(diǎn)，將其作為一種新型的自動(dòng)控制執(zhí)行器，是對傳統(tǒng)電磁電機(jī)的突破和有力補(bǔ)充，更加適用于機(jī)器人機(jī)械臂、手的定位控制 4。然而，定位控制驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)的好壞是能否發(fā)揮超聲電機(jī)優(yōu)點(diǎn)的關(guān)鍵。筆者利用所研究的環(huán)形

6、行波超聲電機(jī)，對超聲電機(jī)驅(qū)動(dòng)的二軸機(jī)械臂的逆向運(yùn)動(dòng)學(xué)模型進(jìn)行了研究，對機(jī)械臂定位控制系統(tǒng)制作了硬件驅(qū)動(dòng)電路，利用逆向運(yùn)動(dòng)學(xué)原理，設(shè)計(jì)了兩機(jī)械臂轉(zhuǎn)角和方向的計(jì)算規(guī)則，并編制了控制軟件。系統(tǒng)的硬件驅(qū)動(dòng)電路和控制軟件能滿足控制要求，實(shí)現(xiàn)了超聲電機(jī)驅(qū)動(dòng)的二軸機(jī)械臂的快速、精確伺服定位控制。1 機(jī)械臂系統(tǒng)結(jié)構(gòu)基于超聲電機(jī)的二軸機(jī)械臂如圖1所示，其中關(guān)節(jié)O 1固定，臂O 1O 2可繞關(guān)節(jié)O 1旋轉(zhuǎn)，臂O 2A 可繞關(guān)節(jié)O 2旋轉(zhuǎn)。在關(guān)節(jié)O 1處安裝一100 mm行波超聲電機(jī)，關(guān)節(jié)O 2處安裝一360旋線增量2 由圖1可知，二軸機(jī)械臂可繞關(guān)節(jié)O 1和O 2旋轉(zhuǎn)，已知O 1O 2長度為l 1，O 2A 長度為

7、l 2，由幾何分析法，根據(jù)A 點(diǎn)坐標(biāo)（x ，y ）可得到1、2的表達(dá)式。x = l 1cos 1+l 2cos （1+2） （1）y = l 1sin 1+l 2sin （1+2） （2）將式（1）、（2）化簡，得x 2+y2= l 12+ l22+2 l1 l2（cos 1cos （1+2）+ sin1sin （1+2）超聲電機(jī)驅(qū)動(dòng)的二軸機(jī)械臂控制系統(tǒng) 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 機(jī)械臂定位控制器的設(shè)計(jì)環(huán)形行波式超聲波電機(jī)的運(yùn)行需要高性能的二相驅(qū)動(dòng)電源。由于超聲電機(jī)在實(shí)際運(yùn)行中運(yùn)行特性會(huì)隨環(huán)境溫度、運(yùn)行中溫升、負(fù)載特性、預(yù)壓力的變化而變化，為保證對超聲電機(jī)運(yùn)行可靠和穩(wěn)定控制，控制器必須通過檢測超聲電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，采用閉環(huán)控制，調(diào)整驅(qū)動(dòng)頻率，使超聲電機(jī)始終運(yùn)行在穩(wěn)定的工作狀態(tài)。機(jī)械臂定位控制器原理圖如圖2所示。監(jiān)控計(jì)算機(jī)（上位機(jī)）利用運(yùn)行于其上的人機(jī)接口界面確定機(jī)械臂端點(diǎn)位置，利用機(jī)械臂的逆向運(yùn)動(dòng)學(xué)模型計(jì)算得到機(jī)械臂兩臂轉(zhuǎn)過的角度1和2。1和2的大小和方向通過串行通信口傳給A VR 單片機(jī)，再通過控制器

9、的驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)兩個(gè)超聲電機(jī)相應(yīng)旋轉(zhuǎn)。同時(shí)，安裝于超聲電機(jī)上的兩個(gè)光柵位置傳感器（編碼器）及孤極反饋電路將電機(jī)轉(zhuǎn)過的角度及電機(jī)的位置反饋給單片機(jī)，構(gòu)成閉環(huán)調(diào)節(jié)回路，以實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂的精確定位控制。系統(tǒng)中的超聲電機(jī)控制器基于高性能的A VR 單片機(jī)（下位機(jī)）。控制器通過控制單片機(jī)的4個(gè)輸出腳輸出符合要求的脈沖來控制超聲電機(jī)的運(yùn)行。整個(gè)控制器軟件設(shè)計(jì)采用模塊化結(jié)構(gòu)。根據(jù)功能將整個(gè)軟件劃分成若干個(gè)任務(wù)，采用優(yōu)先級任務(wù)調(diào)度，軟件運(yùn)行效率較高。4 機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)控制的軟件實(shí)現(xiàn)本實(shí)驗(yàn)中由監(jiān)控計(jì)算機(jī)上運(yùn)行的人機(jī)接口界面確定機(jī)械臂的端點(diǎn)位置。人機(jī)接口界面程序由Borland C+編制而成。通過界面上的鼠標(biāo)點(diǎn)擊，確定圖1

10、中機(jī)械臂端點(diǎn)A 的位置。程序利用機(jī)械臂逆向運(yùn)動(dòng)學(xué)模型計(jì)算得到機(jī)械臂端點(diǎn)由原來位置轉(zhuǎn)到A 位置時(shí)兩臂轉(zhuǎn)過的角度1和2。1和2的大小和方向根據(jù)一定的協(xié)議通過串口發(fā)送給單片機(jī)。計(jì)算機(jī)的定位控制程序流程圖如圖3所示。程序中定義兩臂轉(zhuǎn)過角度及方向的計(jì)算規(guī)則如下： 計(jì)算端點(diǎn)在A 位置時(shí)兩臂的角度（7） （8）若O 1B l 1+l 2，則（9）若O 1B l 1+l 2，則（10）（11）當(dāng)機(jī)械臂端點(diǎn)A 位置的移動(dòng)到B 點(diǎn)時(shí)，兩臂的移動(dòng)有兩種可能，O 1O 2A 可能移為O 1O 3B ，也可能移為O 1O 4B ，如圖4所示。其中，（12） （13）程序計(jì)算時(shí)選擇使得O 2產(chǎn)生相對較小的位移點(diǎn)，圖4中選

11、擇O 1O 3B ，即（14）計(jì)算兩臂轉(zhuǎn)過的角度1=11A （15）2=22A（16）由于安裝在手臂關(guān)節(jié)處的超聲電機(jī)做360旋轉(zhuǎn)，而由監(jiān)控計(jì)算機(jī)向機(jī)械臂控制器單片機(jī)發(fā)送的角度信號范圍為（，故由式（15）、（16）得到的計(jì)算結(jié)果還需進(jìn)行規(guī)范化處理：5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果筆者利用編制的人機(jī)接口界面配合表1 兩個(gè)超聲電機(jī)的特性電機(jī)直徑 /mm 最大轉(zhuǎn)速 /rmin -1 堵轉(zhuǎn) 力矩/Nm 驅(qū)動(dòng)電壓/Vrms 驅(qū)動(dòng) 頻率/kHz 響應(yīng) 時(shí)間 /ms 轉(zhuǎn)子和軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 /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 +=測控技術(shù)2004年第23卷第12期 42 基于A VR 單片機(jī)的機(jī)械臂定位控制器對分別由60 mm及100 mm超聲電機(jī)驅(qū)動(dòng)的二軸機(jī)械臂進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)時(shí)的實(shí)物照片如圖5所示。上位機(jī)的人機(jī)接口界面如圖6所示。當(dāng)鼠標(biāo)在接口界面內(nèi)的任一點(diǎn)上點(diǎn)擊時(shí)，手臂端點(diǎn)A 都會(huì)在手臂長度能及的范圍內(nèi)到達(dá)鼠標(biāo)位置，手臂肘部O 2點(diǎn)跟隨A 點(diǎn)做相應(yīng)移動(dòng)。同時(shí)，二軸機(jī)械臂實(shí)物中的兩臂亦隨之做相應(yīng)轉(zhuǎn)動(dòng)。上位機(jī)通過在接口界面上點(diǎn)擊鼠標(biāo)，使機(jī)械臂的兩臂各按逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)90（即2個(gè)電機(jī)各按逆時(shí)針方向旋90）。圖7及圖8分別為60 mm及100

14、 mm超聲電機(jī)驅(qū)動(dòng)的二軸機(jī)械臂的階躍響應(yīng)曲線。由曲線可知，由60 mm電機(jī)驅(qū)動(dòng)的機(jī)械臂，電機(jī)可在0.3 s內(nèi)達(dá)到穩(wěn)態(tài)值，且有約0.2 s的振蕩；而由100 mm電機(jī)驅(qū)動(dòng)的機(jī)械臂，電機(jī)可在0.8 s內(nèi)達(dá)到穩(wěn)態(tài)值，且振蕩相對較小。圖5 二軸機(jī)械臂實(shí)物照片圖6 機(jī)械臂控制軟件界面圖7 60 mm電機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)械臂控制過程曲線圖8 100 mm電機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)械臂控制過程曲線（下轉(zhuǎn)第45頁）AO 2O 16.2 6.6 7 7.4 7.8時(shí)間/s-20-40-60-80-100角度/ 編碼器 編碼器100電機(jī)60電機(jī)6.5 7 7.5 8 8.5 9 時(shí)間/s0-20-40-60-80-100角度/ 自導(dǎo)向磁吸

15、附爬壁機(jī)器人控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn) 45 定的，包括從狀態(tài)A 到狀態(tài)B 的切換和對應(yīng)的后續(xù)調(diào)整動(dòng)作。每次從一個(gè)狀態(tài)進(jìn)入到另一個(gè)狀態(tài)時(shí)，首先檢測該切換是否在設(shè)定表內(nèi)，如果是，則按設(shè)定表中的調(diào)整進(jìn)行相應(yīng)動(dòng)作。否則，先根據(jù)目前的傳感器狀態(tài)，執(zhí)行前進(jìn)或是后退動(dòng)作以進(jìn)行姿態(tài)判斷，從而確定機(jī)器人的可能姿態(tài)。并基于此，執(zhí)行預(yù)先設(shè)定的小步長調(diào)整動(dòng)作。由此完成對狀態(tài)切換表的自學(xué)習(xí)過程。自學(xué)習(xí)過程如圖4所示。 圖4 狀態(tài)切換表自學(xué)習(xí)過程框圖3.2 調(diào)整過程在姿態(tài)調(diào)整過程中，根據(jù)獲得的傳感器狀態(tài)，系統(tǒng)進(jìn)行對應(yīng)的動(dòng)作調(diào)整。調(diào)整動(dòng)作舉例如下：傳感器1、3為滅，2、4（傳感器定義見圖2）為亮?xí)r，表明此時(shí)小車位于導(dǎo)引帶上方，因此對

16、應(yīng)動(dòng)作為右轉(zhuǎn)1角度，前進(jìn)2 mm。1、2為經(jīng)實(shí)驗(yàn)確定的微小步長。傳感器1、2為亮，3、4為滅時(shí)，表示小車姿態(tài)有傾斜。但傾斜有兩個(gè)方向，此時(shí)需要結(jié)合上次狀態(tài)來確定來執(zhí)行前進(jìn)、右轉(zhuǎn)（左轉(zhuǎn)）的動(dòng)作。如果在狀態(tài)切換表中不存在這兩個(gè)狀態(tài)的切換，則首先反復(fù)執(zhí)行前進(jìn)3 mm的命令，直到傳感器1、2有一個(gè)動(dòng)作滅為止，并以此確定機(jī)器人姿態(tài)，進(jìn)而確定要執(zhí)行的調(diào)整動(dòng)作，同時(shí)更新狀態(tài)切換表。其余14種狀態(tài)的調(diào)整動(dòng)作以此類似確定。圖5為機(jī)器人對姿態(tài)擾動(dòng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)曲線?？梢钥闯鰴C(jī)器人的姿態(tài)發(fā)生變化時(shí)，系統(tǒng)能夠自行快速修正，證明系統(tǒng)具有圖5 機(jī)器人姿態(tài)動(dòng)態(tài)響應(yīng)曲線較好的姿態(tài)自調(diào)節(jié)能力。4 結(jié)束語本自導(dǎo)向磁吸附爬壁機(jī)器人控制

17、系統(tǒng)采用工控機(jī)+運(yùn)控卡結(jié)構(gòu)，通過平面布置光纖傳感器來檢測機(jī)器人的可能位置和姿態(tài)，并執(zhí)行相應(yīng)調(diào)整動(dòng)作。在軟件實(shí)現(xiàn)過程中，對調(diào)整動(dòng)作進(jìn)行優(yōu)化，并能自動(dòng)對狀態(tài)切換表進(jìn)行在線學(xué)習(xí)，能夠較快地完成對姿態(tài)的調(diào)整。 參考文獻(xiàn)：1 姜洪源, 李曙生, 劉淑良，等.磁吸附檢測爬壁機(jī)器人的研究J .哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，1998，30（2）：8084.2 韓冬桂, 李國棟, 劉正林，等.磁吸附爬壁機(jī)器人驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)J .交通科技，2002，（6）：98101.3 徐澤亮, 馬培蓀.永磁吸附履帶式爬壁機(jī)器人轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)靈活性分析J.上海交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2003，37（11）：5865.（上接第42頁）6 結(jié)束語筆者利用所

18、研制的行波超聲電機(jī)，設(shè)計(jì)了基于超聲電機(jī)的二軸機(jī)械臂控制器及其驅(qū)動(dòng)電路。利用逆向運(yùn)動(dòng)學(xué)原理，設(shè)計(jì)了兩機(jī)械臂轉(zhuǎn)角和方向的計(jì)算規(guī)則。所設(shè)計(jì)的硬件驅(qū)動(dòng)電路和控制軟件充分實(shí)現(xiàn)了超聲電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，完全能滿足控制要求，實(shí)現(xiàn)了二軸機(jī)械臂的快速、精確定位。對控制算法的深入研究有望消除機(jī)械臂定位時(shí)產(chǎn)生的振蕩。本研究為進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的機(jī)器人機(jī)械臂控制系統(tǒng)奠定基礎(chǔ)。 參考文獻(xiàn)：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