一種取樣平臺(tái)三維運(yùn)動(dòng)控制模塊的設(shè)計(jì)

一種取樣平臺(tái)三維運(yùn)動(dòng)控制模塊的設(shè)計(jì)楊延麗;黃震【摘要】介紹了一種實(shí)用性較強(qiáng)的取樣平臺(tái)的三維運(yùn)動(dòng)控制模塊的設(shè)計(jì).在機(jī)械結(jié)構(gòu)上，采用步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)同步帶，同步帶固定在直線導(dǎo)軌上，按照Y、X、Z的順序設(shè)計(jì)三維機(jī)械結(jié)構(gòu).硬件上采用PC加嵌入式運(yùn)動(dòng)控制卡的模式驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，極大減輕了PC的運(yùn)動(dòng)計(jì)算工作量.軟件則編寫了完善的運(yùn)動(dòng)控制函數(shù)庫和大三維運(yùn)動(dòng)控制單元測(cè)試軟件，采用的平穩(wěn)運(yùn)動(dòng)和軌跡控制的相關(guān)算法實(shí)現(xiàn)了精度和平穩(wěn)度的要求【期刊名稱】《天津科技》【年(卷)，期】2018(045)003【總頁數(shù)】3頁(P60-62)【關(guān)鍵詞】三維運(yùn)動(dòng)控制;步進(jìn)電機(jī);軌跡控制算法【作者】楊延麗潢震【作者單位】廈門安防科技職業(yè)學(xué)院福建廈門361026;廈門大學(xué)福建廈門361005【正文語種】中文【中圖分類】TP230引言隨著我國醫(yī)療水平不斷提高，對(duì)于全自動(dòng)化的醫(yī)療設(shè)備需求量越來越大，同時(shí)對(duì)全自動(dòng)設(shè)備的自動(dòng)化程度、精度穩(wěn)定性等指標(biāo)的要求也越來越高，對(duì)于醫(yī)療設(shè)備的研制來說，如何將手工設(shè)備和半自動(dòng)設(shè)備升級(jí)成穩(wěn)定可靠的全自動(dòng)化設(shè)備，是非常重要的問題。全自動(dòng)化的醫(yī)療儀器往往需要在一個(gè)操作平臺(tái)上完成各種動(dòng)作，如吸取血清樣本、吸取反應(yīng)試劑、向反應(yīng)杯中加入微量液體等，這些動(dòng)作都需要使用全自動(dòng)化的運(yùn)動(dòng)控制器來完成，再結(jié)合相應(yīng)的控制軟件和人機(jī)界面軟件等。依據(jù)醫(yī)療儀器檢驗(yàn)項(xiàng)目的檢驗(yàn)方法和原理，完成復(fù)雜的醫(yī)療檢驗(yàn)過程，能大幅度提高醫(yī)療檢驗(yàn)的通量、精度、重復(fù)性等指標(biāo)，降低檢驗(yàn)成本。本文介紹了一種用于醫(yī)療儀器取樣平臺(tái)的三維運(yùn)動(dòng)控制模塊的設(shè)計(jì)，該模塊已經(jīng)在全自動(dòng)化醫(yī)療儀器上進(jìn)行了批量的生產(chǎn)并投入醫(yī)院使用，從總體運(yùn)行情況和大量的測(cè)試數(shù)據(jù)來看，該運(yùn)動(dòng)控制模塊運(yùn)行穩(wěn)定，可靠性高。1取樣平臺(tái)三維運(yùn)動(dòng)控制模塊機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在儀器的操作平臺(tái)上，設(shè)計(jì)三維運(yùn)動(dòng)控制進(jìn)行定位的機(jī)械機(jī)構(gòu)，即X、Y、Z三軸運(yùn)動(dòng)機(jī)械臂，X、Y、Z三軸的電機(jī)，三軸電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，嵌入式運(yùn)動(dòng)控制卡共同組成本模塊的大三維運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)。在機(jī)械運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)上，每軸均采用了〃步進(jìn)電機(jī)+直線導(dǎo)軌”的方式進(jìn)行直線運(yùn)動(dòng)，各軸根據(jù)負(fù)載大小的不同采用不同的電機(jī)型號(hào)和導(dǎo)軌型號(hào)。步進(jìn)電機(jī)是一種可以開環(huán)使用的數(shù)字傳動(dòng)裝置，具有快速啟動(dòng)、停止，轉(zhuǎn)速與輸入時(shí)鐘頻率成正比，能實(shí)現(xiàn)精確定位以及直接接受數(shù)字量等特點(diǎn)［1］。本模塊采用的CPC滾珠靜音直線導(dǎo)軌可以進(jìn)行平穩(wěn)的運(yùn)動(dòng)導(dǎo)引，能達(dá)到很高的定位精度。Y軸導(dǎo)軌安裝在儀器平臺(tái)左右兩側(cè)的金屬固定板上，為了保證運(yùn)行精度和平穩(wěn)性，Y軸導(dǎo)軌左右各一個(gè)。Y軸電機(jī)固定在底板上，電機(jī)軸上裝入主動(dòng)輪，與主動(dòng)輪等高同線的另夕卜一端固定從動(dòng)輪，主動(dòng)輪和從動(dòng)輪通過同步帶連接，同步帶的兩個(gè)末端通過固定零件固定在直線導(dǎo)軌的滑塊上。通過左右兩個(gè)直線導(dǎo)軌保證Y軸運(yùn)行的直線性。Y軸安裝完畢后，在左右兩個(gè)導(dǎo)軌的滑塊上固定X軸，大三維的X軸就架在Y軸之上運(yùn)行。為了保障X軸運(yùn)行的平穩(wěn)性和直線性，X軸仍然采用雙導(dǎo)軌設(shè)計(jì)。如圖1所示，將電機(jī)和X軸固定座安裝在X軸固定板上，套入主動(dòng)輪。從動(dòng)輪固定座、X軸固定底板墊塊固定于X軸固定底板上，同樣采用同步帶連接主動(dòng)輪和從動(dòng)輪，同步帶末端固定在導(dǎo)軌的滑塊上。圖1X軸機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖Fig.1Mechanicalstructureoflarge-scalethreedimensionalX-axismotionl.X軸固定座；2.導(dǎo)軌；3.加樣針臂殼；4.X軸固定底板；5.主動(dòng)輪；6.X軸電機(jī)大三維的Z軸負(fù)責(zé)帶動(dòng)加樣針進(jìn)行垂直運(yùn)動(dòng)，完成一系列動(dòng)作。Z軸的直線運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)仍然采用電機(jī)和直線導(dǎo)軌方式，Z軸下端固定在X軸的一個(gè)導(dǎo)軌滑塊上，Z軸架在乂軸的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)之上。2三維運(yùn)動(dòng)控制模塊硬件控制設(shè)計(jì)對(duì)于大三維運(yùn)動(dòng)控制單元，要求速度快，動(dòng)作精確，并且載重量大，因此本模塊采用了PC作為運(yùn)動(dòng)控制中心，根據(jù)運(yùn)動(dòng)控制的方法、方式對(duì)三維機(jī)構(gòu)多點(diǎn)、多曲線度地連續(xù)控制，可以達(dá)到非常高的速度和精度。系統(tǒng)每次運(yùn)行，需要進(jìn)行幾百上千次操作，傳動(dòng)系統(tǒng)需要保證穩(wěn)定性、精確性、可靠性。在三維運(yùn)動(dòng)中，目前大多使用光電開關(guān)與光柵板配合的方式，這樣無論在精確度、方便性和成本上都沒有優(yōu)勢(shì)。本模塊針對(duì)機(jī)器的特點(diǎn)進(jìn)行了改進(jìn)，將光電開關(guān)、光柵板去除，只保留原點(diǎn)位置的—個(gè)位置檢測(cè)，并且保證每次都是同一方向的位置定位，這樣就提高了原點(diǎn)定位的準(zhǔn)確度。通過軟件的控制設(shè)計(jì)，本模塊可以完成一系列復(fù)雜的自動(dòng)化工作，由于PC是整個(gè)醫(yī)療儀器系統(tǒng)的控制中心，有許多重要的通訊、控制、人機(jī)交互等工作需要處理，所以大三維運(yùn)動(dòng)控制采用專門的嵌入式運(yùn)動(dòng)控制卡，對(duì)X、Y、Z三軸電機(jī)進(jìn)行控制，結(jié)合加速、減速曲線控制，實(shí)現(xiàn)精確定位、平穩(wěn)的啟動(dòng)與停止。在長期運(yùn)行時(shí)，會(huì)按環(huán)節(jié)即時(shí)復(fù)位，重新定位，以保證最大限度地減少誤差。使用運(yùn)動(dòng)控制卡來完成運(yùn)動(dòng)控制和計(jì)算，大大減輕了PC上位機(jī)的工作量。另一方面整機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)得到了很大的精簡(jiǎn)。根據(jù)以上的運(yùn)動(dòng)控制分析，設(shè)計(jì)了如下硬件控制方案：大三維的運(yùn)動(dòng)控制以上位機(jī)PC為總控制中心，PC通過串口控制嵌入式運(yùn)動(dòng)控制卡，運(yùn)動(dòng)控制卡根據(jù)PC指令完成各種運(yùn)動(dòng)控制的運(yùn)算，控制X、Y、Z三軸的電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，從而實(shí)現(xiàn)了上述復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)控制［2］。硬件連接邏輯關(guān)系如圖2所示。圖2大三維運(yùn)動(dòng)控制硬件連接邏輯關(guān)系圖Fig.2Thecircuitinterconnectionwithlogicalfunctionoflarge-scalethree-dimensionalmotioncontrolmodule本模塊選用的集成化嵌入式運(yùn)動(dòng)控制卡EasySmc5470，它使用高速ARM32位處理器（主頻208,Hz），配合FPGA實(shí)現(xiàn)三軸的運(yùn)動(dòng)控制。該控制卡提供了豐富的通訊控制命令，為上位機(jī)PC對(duì)大三維的定位和運(yùn)動(dòng)控制提供了可靠的保障［3］。X軸電機(jī)驅(qū)動(dòng)器MD656的EN-、DIR-、PLS-分別連接嵌入式運(yùn)動(dòng)控制卡的X-FREE、X-DIR、X-CP引腳，這3個(gè)功能引腳分別為脫機(jī)信號(hào)、方向控制、步進(jìn)脈沖信號(hào)，X軸電機(jī)驅(qū)動(dòng)器MD656的EN+、DIR+、PLS+全部接入嵌入式運(yùn)動(dòng)控制卡的X-OPTP陽極公共端。X軸電機(jī)驅(qū)動(dòng)器MD656的A+、A-、B+、B-4個(gè)引腳分別接入X軸兩相步進(jìn)電機(jī)的A相和B相。X軸電機(jī)驅(qū)動(dòng)器外接24,VDC電源。Y軸和Z軸電機(jī)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、運(yùn)動(dòng)控制卡之間的電路連接方式與X軸相同。3三維運(yùn)動(dòng)控制模塊控制軟件設(shè)計(jì)運(yùn)動(dòng)控制模塊的軟件設(shè)計(jì)主要是運(yùn)動(dòng)軌跡控制算法的設(shè)計(jì)、運(yùn)動(dòng)控制函數(shù)庫的設(shè)計(jì)和上位機(jī)PC的界面程序設(shè)計(jì)。上位機(jī)與集成化嵌入式運(yùn)動(dòng)控制卡之間的通訊，按照在運(yùn)動(dòng)控制卡基本控制命令基礎(chǔ)上制定的完備的通訊協(xié)議格式進(jìn)行。運(yùn)動(dòng)控制模塊的控制功能主要依靠運(yùn)動(dòng)控制函數(shù)庫，該函數(shù)庫包含所有的與運(yùn)動(dòng)控制相關(guān)的功能函數(shù)。這些函數(shù)主要是基本運(yùn)動(dòng)函數(shù)，包括原點(diǎn)復(fù)位函數(shù)、限位光耦查詢函數(shù)、運(yùn)動(dòng)初始化函數(shù)、單軸運(yùn)動(dòng)函數(shù)、多軸直線插補(bǔ)函數(shù)、兩軸圓弧插補(bǔ)函數(shù)、制動(dòng)函數(shù)、軸狀態(tài)查詢函數(shù)、運(yùn)動(dòng)參數(shù)查詢函數(shù)等。主要的工作過程包括初始化、工作模式設(shè)定、運(yùn)動(dòng)函數(shù)、狀態(tài)讀取等，從而完成運(yùn)動(dòng)控制功能，對(duì)于具體運(yùn)動(dòng)，編寫了相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)函數(shù)，方便程序的進(jìn)一步開發(fā)；另夕卜根據(jù)運(yùn)動(dòng)控制卡的寄存器和命令的結(jié)構(gòu)，編寫了通用的操作函數(shù)。要實(shí)現(xiàn)醫(yī)療儀器平臺(tái)的準(zhǔn)確取樣、往微孔板加樣、拾取加樣TIP頭等動(dòng)作，要求X、Y軸準(zhǔn)確運(yùn)動(dòng)定位，再者總體移液量大，分液程序復(fù)雜，所以要求三維運(yùn)動(dòng)控制機(jī)構(gòu)運(yùn)行要達(dá)到一定速度，才能滿足儀器整體檢測(cè)速度和檢測(cè)效率的要求。為此，三維運(yùn)動(dòng)控制模塊控制軟件設(shè)計(jì)需要采用合適的運(yùn)動(dòng)軌跡算法（直線插補(bǔ)、圓弧插補(bǔ)）和加減速控制算法（梯形曲線加減速、S曲線加減速）［4］。三維運(yùn)動(dòng)的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)高速高精度的移液，因此一方面要求三維運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)反應(yīng)快，快速準(zhǔn)確起停，縮短準(zhǔn)備時(shí)間；另一方面要求運(yùn)動(dòng)過程平穩(wěn)，沖擊小，而電機(jī)在起動(dòng)和停止時(shí)容易產(chǎn)生沖擊、超程或振蕩，這就必須進(jìn)行加減速控制。其中最常用的—種方式是梯形曲線加減速算法［5］。規(guī)則的梯形曲線分為3個(gè)階段：①勻加速段，速度按照設(shè)定的加速度值從零加速到最大速度Vmax:②勻速段，加速度值為零，速度保持已達(dá)到的最大速度運(yùn)行；③勻減速段，按設(shè)定的加速度減速到零，同時(shí)到達(dá)目標(biāo)位置。梯形速度曲線的實(shí)質(zhì)在于限制了加速度的大小，實(shí)際上也就限制了電機(jī)的起動(dòng)電流和起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，減少了對(duì)機(jī)械部件的沖擊力度?？梢宰C明，梯形曲線是在給定位置、最大速度和加速度的條件下，各種運(yùn)動(dòng)軌跡中時(shí)間最優(yōu)的曲線。上位機(jī)PC界面程序采用Delphi來編寫，同時(shí)需要生成數(shù)據(jù)報(bào)表的組件FastReport4.2和串口通訊控件SPCOMM。在控制界面上，通過直接輸入XYZ坐標(biāo)使三維運(yùn)動(dòng)控制機(jī)構(gòu)直接運(yùn)動(dòng)到目的地，或者在當(dāng)前位置基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)XYZ中任意一軸的單步運(yùn)動(dòng)，從而可以對(duì)本三維運(yùn)動(dòng)模塊進(jìn)行測(cè)試，滿足其運(yùn)動(dòng)的準(zhǔn)確性、可靠性、穩(wěn)定性等指標(biāo)。該程序根據(jù)每臺(tái)儀器的參數(shù)的實(shí)際定位，將三軸的坐標(biāo)原點(diǎn)尺寸，加樣平臺(tái)上試劑、血清樣本位置等參數(shù)實(shí)際測(cè)量調(diào)校后保存在參數(shù)表中，這樣每次使用儀器時(shí)，直接將參數(shù)表調(diào)入使用，大大簡(jiǎn)化了批量生產(chǎn)制造和使用過程對(duì)儀器初始位置尺寸參數(shù)調(diào)校工作，也有利于提高儀器三維運(yùn)動(dòng)控制的準(zhǔn)確性。4結(jié)論本文介紹的這種適合醫(yī)療儀器取樣平臺(tái)三維運(yùn)動(dòng)控制模塊，經(jīng)過研制的樣機(jī)的性能指標(biāo)測(cè)試，可以實(shí)現(xiàn)平臺(tái)上各種樣品取樣、移液、加樣等醫(yī)學(xué)檢驗(yàn)所需要的自動(dòng)化動(dòng)作，并在整體運(yùn)行速度、運(yùn)動(dòng)控制精度、運(yùn)行平穩(wěn)度方面完全滿足醫(yī)療儀器的指標(biāo)要求，是一種成本較低、實(shí)用性比較強(qiáng)的三維運(yùn)動(dòng)控制模塊。但是，該模塊在運(yùn)行精度、長時(shí)間運(yùn)行可靠性方面還有進(jìn)一步提升的空間，比如在運(yùn)動(dòng)軌跡控制算法上借鑒數(shù)控加工機(jī)械的位插補(bǔ)控制算法，采用更專業(yè)的運(yùn)動(dòng)控制芯片等，這也是下一步研究工作的重點(diǎn)。參考文獻(xiàn)郭成，翁盛隆，談士力，等.DSP和PBL3717A構(gòu)成的步進(jìn)電機(jī)的控制系統(tǒng)[J] 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