新型三平移并联机器人控制系统设计
新型三平移并联机器人控制系统设计
The Design of Control System Based on a New 3 Translational
Parallel Robot
万爱凤，陈祖爵
（1．上海海运学院计算中心 上海 200135；2. 江苏大学计算机科学与通讯工程学院 镇江 212013)
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摘 要 介绍了三平移并联机构及其基于该机构的装配机器人控制系统构成，控制系统采用PC 机为上位机、T4VP 运动控制器为下位机的双CPU 硬件结构和基于Visual C++6.0、Windows 操作系统的软件系统．
关键词 并联机构 装配机器人 控制系统
Abstract This paper introduces the construction of a 3 translational parallel mechanism and the control system of the assembly robot based on this mechanism. This control system uses PC as upper machine and T4VP as lower machine, based on Visual C++6.0 and Windows operating system.
Keywords parallel mechanism, assembly robot, control system
1 引言
随着工业装配中采用细小零件，诸如光电器件、微电子系统的精密装配等日益增多，且因特定的装配元件及装配要求，传统的装配机器人已难以胜任．并联机构具有结构简单、刚度大、运动误差不叠加等特性，已引起国内外学者的广泛兴趣，6自由度并联机器人得到了广泛的研究．然而许多场合，因少自由度机器人的驱动元件少、费用低、结构紧凑而具有较高的实用价值[1]．
3{R//R//C}型三平移并联机构是江苏大学研制成功的，该机构是在国家自然科学基金项目支持下构造的能实现空间三维平移的并联机构之一．本文介绍的是基于3{R//R//C}型并联机构装配机器人控制系统的开发、设计，并对控制系统构成及控制软件设计进行讨论．
行）．三个R 副A 1、A 2、A 3位于固定平台，并分别安装驱动电机；三个C 副C 1、C 2、C 3位于活动平台，平台上安装一只机械手完成装配任务．机构动平台在3个支路的共同约束下只实现三维平移运动，驱动动平台运动至目标位置，实现动平台准确定位，再由机械手进行装配工作．
图1 3{R//R//C}并联机构构成
2 3{R//R//C}并联机构构成
3{R//R//C}并联机构如图1所示．它由三条支路及活动、固定平台组成．每条支路由轴线相互平行的一个C 副和两个R 副串联而成．其中，A 1B 1C 1与A 2B 2C 2支路为非平行配置（两组运动副不平行），A 2B 2C 2与A 3B 3C 3支路为平行配置（两组运动副平
[2]
3 控制系统硬件
由于并联机构机器人具有高精度、低惯性、实时性好等特点，在设计控制系统时需充分考虑运动精度和响应速度的要求．
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3.1 系统控制结构
控制系统采用主从式控制方式[2]（图2），以基于PC 机的GT-400-SV-PCI （简称：T4VP ）为核心，采用交流伺服系统构成闭环控制系统．PC 机为上位机，下位机为内插于上位机PCI 扩展槽上的T4VP 多轴运动控制器．运动控制器不需要设置基地址，它的3个输出通道与机器人的三支路伺服系统分别相连，另1个输出通道与机器人动平台装配手臂相连．T4VP 上的I/O需通过能光耦隔离的接口端子板GT-400-ACC2相连．
接口等应用程序模块集成在一起．
4 控制系统软件 4.1 软件结构
该机器人控制系统是采用模块化和面向对象的程序设计方法，用Visual C++6.0编制而成．软件系统分为5大模块：参数设置、轨迹规划、坐标映射、装配和人机界面模块．图3是基于三平移并联机器人机构装配机器人的控制系统软件主程序框图．
图2 控制系统框图
控制过程中，上位机进行轨迹规划，下位机定时接收上位机规划值，同时通过与支路控制板的接口接收来自机器人本体的码盘采样值，获得机器人各支路的实际位置，下位机将此两值进行高精度PID [3]闭环伺服运算，得出最终的位置规划值，将此值发往各支路驱动器，驱动各支路电机，实现并联机器人各支路协调运动和精确定位． 3.2 T4VP 多轴运动控制器的控制方式与特点
深圳固高公司生产的多轴运动控制器T4VP 系列可以同步控制（1~4）个运动轴，实现多轴协调运动．其核心由ADSP2181数字信号处理器和现场可编程门阵列（FPGA ）组成，使用32位(二进制) 有效数字计算，伺服控制采用可编程数字PID+速度前馈+加速度前馈滤波方式，可以实现高精度的控制计算，伺服（插补）周期为162微秒．提供标准的PCI 总线方式，可直接插在主机总线上，并通过其PC104通讯接口与主机通讯．运动控制器提供C 语言函数库实现复杂的控制功能，用户能够将这些控制函数
与自己的控制系统所需数据处理、界面显示、用户
图3 系统软件主程序框图
(1) 参数设置模块
负责完成各模块的初始化；确定机器人运动目标；机器人初始状态的设置．
(2) 轨迹规划模块
根据精度要求和硬件所提供的插补采样频率，在运动空间中离散动平台运动轨迹，由主机对离散点作粗插补，并根据并联机构运动方程求出各支路
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运动空间，再送入控制器进行精插补．
主机粗插补采用等距离插补算法[4]，即把动平台运动轨迹分成n 段等距离L ，在每一分割点P(x[i],y[i],z[i]) (i=0，1，…n), 根据并联机构位置反解方程[1]求出各支路运动空间è1、è2、è3和角速度、角加速度，进而计算动平台合成线速度vel[i]和动平台合成线加速度acc[i]．将这些相关数据传给运动控制器缓冲区，运动控制器将根据主机的要求，自动完成轨迹规划．
(3) 坐标映射模块
为了实现机器人多轴协调运动，选择控制器坐标系运动控制模式，在此控制模式中，只需把动平台在坐标系内描述的运动传给控制器，由控制器协调各支路的运动．为此必须完成机器人各支路与坐标轴的映射关系．将坐标系内描述的运动映射到相应的支路上，从而建立各支路和要求的运动轨迹之间的运动学传递关系．运动控制器根据坐标映射关系，控制各支路运动，实现要求的运动轨迹．
由于该机构只实现三维平移，我们把机构的三支路同空间三维直角坐标系X 轴、Y 轴、Z 轴分别建立映射关系．
(4) 装配模块
控制手臂完成装配过程． (5) 人机界面模块
主要完成对菜单和对话框事件的响应，实现人机交互过程．同时动态显示机器人各支路运动位置和姿态．
4.2 主机与T4VP 的通讯
采用Visual C++6.0作为开发平台, 在用户程序中加入：#include "userlib.h"和#include “gt400data.h”语句，并且在VC 环境菜单中，选择project--setting--link ，在Object/library modules中输入gt400.lib ，然后用户即可在程序中调用动态链接库中的函数．
由于该并联机构位置反解和速度、加速度的求解复杂，计算量大（文献[1]已给出其求解方程），为了实现多段坐标系轨迹连续运动，利用运动控制器4kB 的缓冲区，先将部分坐标系运动命令（小于或等于4kB ）存放在这个控制器内的循环队列命令缓冲
区，然后执行命令．在运动控制器执行缓冲区内存放运动命令的同时，主机能够继续向这个缓冲区下载运动命令．程序如下：
void StrtBuf( ) { short rtn,i;
rtn=GT-StrtList(); \\GT-StrtList是T4VP 的库函数, 打开并清空缓冲区
error(rtn); \\ 异常处理
rtn=GT-MvXYZ(0,0,0); \\给出初始定位点 error(rtn);
for (i=0; i
error(rtn);
rtn=GT-SetSynVel(vel[i]);\\定位合成速度
error(rtn);
rtn=GT-SetSynAcc(acc[i]);\\定位合成加速度
error(rtn); }
rtn=GT-StrtMtn(); \\启动缓冲区命令执行
error(rtn);
for(i=150;i
error(rtn);
rtn=GT-SetSynVel(vel[i]);error(rtn); rtn=GT-SetSynAcc(acc[i]);error(rtn); }
rtn=GT-EndList(); \\关闭缓冲区 error(rtn);
}
利用运动控制器缓冲区既降低了对主机通讯实时性的要求，又提高了通讯效率，而运动控制器通过对缓冲区内的连续段运动轨迹的预处理，能够获得良好的运动特性．
5 结束语
实验证明，以PC+T4VP为硬件平台，VC++6.0为软件平台，基于Windows 操作系统的三平移装配机器人控制系统能实现并联机器人多轴协调运动和
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多段坐标系轨迹连续运动，具有良好的运动特性，在特定的工业装配工艺中具有广泛的应用前景．
[3] Dorf, R.C.，Miller D.R. Enhanced PID controller design.
Proc[C]．IEEE Int. Conf. on Robotics and Automation, 1991,3:2624～2629．
[4] 孙迪生、王炎．机器人控制技术[M]．北京：机械工业
出版社,1997:212～220．
作者简介：万爱凤 女，（1968—），讲师，研究方向为计算机控制．
6 参考文献
[1] 金琼、杨廷力．一类新型三平移并联机器人的位置分
析[J]．东南大学学报，2001,31(5): 1～6．
[2] 范永、谭民．机器人控制器的现状及展望[J]．机器人，
1999,21(1): 28～30．
日开发出新安全行驶系统
开车打瞌睡经常酿成车毁人亡的惨剧。针对这种情况，日本庆应大学教授中岛真人开发出一种安全行驶系统，它可以监测车间距离，提醒司机别打瞌睡。
据《日本经济新闻》报道，这一系统需要在汽车某处安装一数码相机，用以捕捉前方画面，然后通过计算机分析画面的大小，判断车间距。系统会根据行车速度算出两车应保持多远距离，如果太近，系统就会发出警告，提醒司机注意。在高速路上行驶时，照相机主要捕捉路上区分车带的白线，判断汽车是否蛇行。在人多的市内街区行驶时，系统会利用加速度监测装置监测汽车的突然加速。如果一段时间内蛇行和突然加速的情况较多，系统就会认为司机充满睡意，并向司机发出警告。
日本此前已经投入使用了用雷达监测车间距防止追尾的安全系统，但其价格太贵，装置太大，目前只有一些高级豪华车安装。利用雷达监测车间距还有一个很大的缺点，就是除了在高速路上行驶以外，其误差都比较大。而新系统价格便宜，结构简单，能普及到所有车种。
转摘自《科技日报》
高浓度有机氯化物污水处理技术
日本开发成功了利用电解法净化污水中三氯乙烯等有机氯化物的氯乙烯净化技术。
三氯乙烯和四氯乙烯等有机氯化物广泛应用于机械制造业、金属加工业和清洁业等。但是近年来，由于其毒性问题，在地下水环境标准和污水排放标准等法规中均受到严格限制。
处理高浓度有机氯化物污水的技术有利用通风法进行活性碳吸附、把污水直接注入高温燃烧炉中进行热分解以及利用蒸馏装置回收污水中的有机氯化物等方法。但这些方法均存在成本高以及需要使用大型设备等问题。
日本开发的氯乙烯净化技术，通过使用特殊电极向污水中导入直流电，不仅能够在特殊电极表面对污水中的有机氯化物进行脱氯处理，而且还能够使之转变成氯化物离子和乙烯等无害碳氢化合物。
处理高浓度污水时，通过氯乙烯净化技术和通风及活性碳吸附处理技术的配合，将能够降低处理成本以及实现设备的小型化。
今后氯乙烯净化技术将得到大力推广，推广目标包括有机氯化物处理、废弃物中间处理等需要高浓度污水处理技术的厂家，以及需要氯乙烯净化处理技术的污染地下水处理工程。
转摘自新华社信息
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