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六自由度運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的結(jié)構(gòu)特性
六自由度運(yùn)動(dòng)平臺(tái),由上、下平臺(tái)和六個(gè)可伸縮的電動(dòng)缸組成。上、下平臺(tái)與電動(dòng)缸之間，分別通過(guò)虎克鉸或球鉸相連，因此上、下平臺(tái)分別有6個(gè)連接點(diǎn)。上平臺(tái)為動(dòng)平臺(tái)，在六個(gè)電動(dòng)缸的驅(qū)動(dòng)下進(jìn)行空間中的六自由度運(yùn)動(dòng)，下平臺(tái)為靜平臺(tái)，靜止不動(dòng)，上、下平臺(tái)為相似的六邊形，如下圖所示。六自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)具有速度快、負(fù)載大、精度高等特點(diǎn)，該結(jié)構(gòu)作為運(yùn)動(dòng)平臺(tái)有著廣泛的應(yīng)用空間。
六自由度運(yùn)動(dòng)平臺(tái)控制原理
六自由度運(yùn)動(dòng)平臺(tái)是由六個(gè)伺服電機(jī)帶動(dòng)電動(dòng)缸做伸縮變化運(yùn)動(dòng)，六個(gè)電動(dòng)缸并聯(lián)設(shè)置共同驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)。運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的每個(gè)電動(dòng)缸都能夠?qū)崿F(xiàn)空間中單獨(dú)的伸縮運(yùn)動(dòng)，因此控制系統(tǒng)通過(guò)對(duì)六個(gè)電動(dòng)缸的伸縮量的控制，可以驅(qū)動(dòng)上平臺(tái)完成空間中的六自由度運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)上平臺(tái)位姿的改變。六自由度分別指的是平臺(tái)沿著x、y、z三個(gè)坐標(biāo)軸的平移運(yùn)動(dòng)，以及繞三個(gè)坐標(biāo)軸的φx、φy、φz旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。
根據(jù)六自由度平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，計(jì)算出各電動(dòng)缸的相應(yīng)位置和速度指令信號(hào)，從而控制運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的動(dòng)作，保證按照預(yù)定的軌跡運(yùn)動(dòng);當(dāng)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)到達(dá)要求的位置時(shí)，各電動(dòng)缸的速度指令信號(hào)給定為零，運(yùn)動(dòng)平臺(tái)就立刻停下來(lái)，達(dá)到了點(diǎn)位控制的目的。
隨著技術(shù)日益發(fā)展，目前對(duì)六自由度運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的控制精度、定位精度及動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能的要求越來(lái)越高，考慮到六自由度運(yùn)動(dòng)平臺(tái)對(duì)各個(gè)電動(dòng)缸運(yùn)動(dòng)的準(zhǔn)確和快速等要求，需要對(duì)各電動(dòng)缸的速度和位移進(jìn)行控制。在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，需要及時(shí)檢測(cè)各電動(dòng)伺服缸的速度和位移信號(hào)，速度信號(hào)用于閉環(huán)控制時(shí)跟蹤速度的輸入，位移信號(hào)用于位置反饋和監(jiān)控，從而達(dá)到滿足運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的位姿控制。
六自由度運(yùn)動(dòng)平臺(tái)功能設(shè)計(jì)
從控制角度看，六自由度運(yùn)動(dòng)平臺(tái)控制系統(tǒng)是一種電動(dòng)伺服控制系統(tǒng)。要對(duì)其進(jìn)行控制系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)，就必須先明確該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特性與工作原理，分析該系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)包含的功能模塊。然后基于其功能需求，設(shè)計(jì)出整個(gè)系統(tǒng)所需的硬件模塊，畫(huà)出控制系統(tǒng)構(gòu)成圖。而后對(duì)硬件部分和軟件部分分別進(jìn)行設(shè)計(jì)和規(guī)劃，從而完成六自由度運(yùn)動(dòng)平臺(tái)控制系統(tǒng)的總體功能設(shè)計(jì)。
在實(shí)際控制過(guò)程中，主控單元需要頻繁地執(zhí)行正反解、軌跡規(guī)劃求解等計(jì)算任務(wù)，且這些任務(wù)的計(jì)算量都比較大。此外，完備的控制系統(tǒng)還應(yīng)包括人機(jī)交互、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等功能。
(1)位置控制：本文采用的控制方式主要是位置控制，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)出指令時(shí)，平臺(tái)的六個(gè)電動(dòng)缸能夠按照指令，在系統(tǒng)限定范圍內(nèi)進(jìn)行伸縮運(yùn)動(dòng)，使運(yùn)動(dòng)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)空間中六個(gè)自由度的目標(biāo)運(yùn)動(dòng)。
(2)限位系統(tǒng)：當(dāng)六自由度運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的某個(gè)電動(dòng)缸超過(guò)其運(yùn)動(dòng)范圍時(shí)，必須有限位系統(tǒng)檢測(cè)到這一問(wèn)題，即刻將限位信號(hào)反饋至上位控制系統(tǒng)，系統(tǒng)發(fā)出警報(bào)，并執(zhí)行相應(yīng)保護(hù)措施。
(3)伺服警報(bào)：當(dāng)六自由度運(yùn)動(dòng)平臺(tái)出現(xiàn)超載警報(bào)、電池警報(bào)、編碼器通信警報(bào)、振動(dòng)檢測(cè)警報(bào)、散熱系統(tǒng)過(guò)熱警報(bào)等問(wèn)題，系統(tǒng)會(huì)立即發(fā)出伺服警報(bào)，通過(guò)關(guān)閉伺服或指令脈沖禁止輸入等動(dòng)作，將伺服電機(jī)關(guān)閉，及時(shí)地保護(hù)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)。
(4)人機(jī)界面：控制系統(tǒng)需提供一個(gè)用戶使用的界面，操作簡(jiǎn)明，方便控制，該界面應(yīng)包含：控制方案選擇、參數(shù)初始化、基本指令輸入輸出等;平臺(tái)的位置姿態(tài)和電動(dòng)缸伸縮量、速度等反饋參量及其運(yùn)動(dòng)曲線的同步顯示;伺服控制系統(tǒng)當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)等。
(5)急停裝置：當(dāng)系統(tǒng)發(fā)出嚴(yán)重故障問(wèn)題警報(bào)時(shí)，若不能利用控制按鍵及時(shí)停止平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)，可以通過(guò)急停裝置，直接切斷整個(gè)系統(tǒng)電源，令平臺(tái)立即停止運(yùn)動(dòng)，避免運(yùn)動(dòng)平臺(tái)受到碰撞損壞等嚴(yán)重事故的發(fā)生。
(6)尋零、定位：在人機(jī)界面上需要有控制按鍵，可以令平臺(tái)自動(dòng)回歸到零
點(diǎn)位置，或定位到空間限定范圍內(nèi)的任一位置。
(7)自動(dòng)檢測(cè)：系統(tǒng)通電之后，即刻開(kāi)始檢測(cè)伺服控制系統(tǒng)各個(gè)構(gòu)成模塊是否正常運(yùn)行，并將檢測(cè)結(jié)果及時(shí)向上位機(jī)反饋報(bào)告。
六自由度運(yùn)動(dòng)平臺(tái)控制方案選擇
為了保證在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的穩(wěn)定性和不發(fā)生破壞現(xiàn)象，六個(gè)伺服電動(dòng)缸必須做到協(xié)調(diào)一致的動(dòng)作。考慮到多軸的同步、協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)、運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的實(shí)際應(yīng)用環(huán)境以及六自由度并聯(lián)平臺(tái)是一種高度耦合的系統(tǒng)，其運(yùn)動(dòng)控制相對(duì)復(fù)雜。
六自由度運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)選擇有多種形式，根據(jù)不同行業(yè)的應(yīng)用，選擇不同的運(yùn)動(dòng)控制方案和策略。根據(jù)具體項(xiàng)目的預(yù)算，以及動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能和精度的要求，來(lái)選擇相應(yīng)的控制系統(tǒng)及實(shí)現(xiàn)方案。
第一種方案：
考慮到并聯(lián)六自由度控制策略實(shí)施的方便和現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的計(jì)算速度、造價(jià)等問(wèn)題。采用工控機(jī)(IPC)+多軸運(yùn)動(dòng)控制卡的形式，
多軸運(yùn)動(dòng)控制卡是一種總線形式的板卡，它具有良好的開(kāi)放性、可靠性和抗干擾性，可通過(guò)VC、VB等高級(jí)控制語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)其控制功能。在六自由度運(yùn)動(dòng)平臺(tái)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的相關(guān)研究中，多軸運(yùn)動(dòng)控制卡的應(yīng)用較多，其價(jià)格相對(duì)較低，且能夠安裝在工控機(jī)的卡槽上，無(wú)須再添加控制器就可以與外部信號(hào)處理電路進(jìn)行通信，這種一體化的設(shè)計(jì)避免了硬件結(jié)構(gòu)的冗余繁雜。
從軟件編程的角度來(lái)說(shuō)，運(yùn)動(dòng)控制卡的靈活性較強(qiáng)，只需給用戶提供底層驅(qū)動(dòng)和編程代碼，用戶可根據(jù)自己的軟件開(kāi)發(fā)能力和個(gè)性需求做出各種相應(yīng)的的界面和功能。
在硬件方面，作為完成控制系統(tǒng)的一個(gè)部件，要實(shí)現(xiàn)控制功能，還需其他輔助部件，如PC、指令設(shè)備、傳動(dòng)裝置等。通常運(yùn)動(dòng)控制卡需要一個(gè)載體，一個(gè)基于工控CPU的系統(tǒng)運(yùn)行平臺(tái)。除了板卡本身，還需配合工控機(jī)、高精度定時(shí)時(shí)鐘和I/O 接口和相應(yīng)的隔離、差分電路，因此硬件電路的連接和調(diào)試過(guò)程較為復(fù)雜。
在軟件方面，通常需要確保工控機(jī)上有一個(gè)實(shí)時(shí)進(jìn)程，來(lái)運(yùn)行實(shí)時(shí)控制算法，來(lái)提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度，避免產(chǎn)生滯后。但這種實(shí)時(shí)系統(tǒng)能夠提供的定時(shí)時(shí)鐘頻率較低，不能滿足系統(tǒng)要求;而如果首先保證系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，系統(tǒng)的開(kāi)放性又會(huì)相應(yīng)地降低，因此這種控制方案存在一定的局限性。
六自由度運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的控制采用計(jì)算機(jī)集中控制方式，由一臺(tái)IPC完成各電動(dòng)伺服缸位置指令值的計(jì)算，并對(duì)并聯(lián)六自由度平臺(tái)的六根電動(dòng)缸位移和速度進(jìn)行監(jiān)控。多軸運(yùn)動(dòng)控制卡通過(guò)PCI插槽與PC機(jī)相連接，并完成6個(gè)電動(dòng)伺服缸的位移閉環(huán)控制，因采控制系統(tǒng)的改變比較靈活，只需要重新編程，就可以更換一種算法。因此，可以根據(jù)需要在計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)比較復(fù)雜的補(bǔ)償和控制算法。
第二種方案：
隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、電子技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的進(jìn)步，機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)取得了突破性發(fā)展，以太網(wǎng)總線技術(shù)在運(yùn)動(dòng)控制領(lǐng)域的應(yīng)用日趨廣泛。特別是近年來(lái)，隨著具有顯著開(kāi)放式特征的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)與開(kāi)放式工業(yè)以太網(wǎng)總線的技術(shù)融合，伺服運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)向可靠性更高、速度更快、精度更高、穩(wěn)定性更好的方向發(fā)展。
考慮到運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的結(jié)構(gòu)和配置形式，并結(jié)合計(jì)算機(jī)的控制策略，以及高動(dòng)態(tài)響應(yīng)的需求，用戶需要一種開(kāi)放式結(jié)構(gòu)的控制系統(tǒng)，通過(guò)自行開(kāi)發(fā)的控制軟件來(lái)完成六自由度運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)控制要求，因此需要提供強(qiáng)大的運(yùn)動(dòng)控制功能作為保障。采用工控機(jī)(IPC)或人機(jī)界面(HMI)+運(yùn)動(dòng)控制器的形式。
運(yùn)動(dòng)控制器是一種高度集成化的專用運(yùn)動(dòng)專用控制設(shè)備。它能夠?qū)⒁恍┩ㄓ玫倪\(yùn)動(dòng)控制功能固化在其中，用戶可以隨時(shí)對(duì)這些功能塊或指令進(jìn)行組態(tài)和調(diào)用，這樣降低了編程的難度，在提高控制性能的同時(shí)，降低了過(guò)多附帶硬件和功能模塊所需的成本。與多軸運(yùn)動(dòng)控制卡相比，控制器更偏向于集成化，它應(yīng)該是一個(gè)完整的、獨(dú)立的硬件平臺(tái)。但是控制器軟件的程序?qū)懭耄蟛糠质窃诳刂破鲀?nèi)部，利用其自身固有的編程方式寫(xiě)程序，或者靠上位計(jì)算機(jī)發(fā)送控制信號(hào)來(lái)執(zhí)行下面的命令。也就是說(shuō)，控制器大多帶有相匹配的控制軟件。
PAC控制器是一種融合了傳統(tǒng)的PLC和IPC的優(yōu)點(diǎn)，具有獨(dú)特理念的模塊化控制裝置。即嵌入式PC的開(kāi)放式結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng), 控制器采用帶有Inter芯片，是一款強(qiáng)大的CPU，采用嵌入式實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)，任務(wù)循環(huán)周期最快可達(dá)到微秒級(jí)別，附加IO處理器，附帶接口模塊擴(kuò)展插槽，可移動(dòng)存儲(chǔ)CompactFlash卡，且設(shè)備層網(wǎng)絡(luò)采用實(shí)時(shí)以太網(wǎng)，可以實(shí)現(xiàn)非常高的實(shí)時(shí)控制。專門(mén)應(yīng)用于循環(huán)周期非常短的項(xiàng)目，能夠處理大量數(shù)據(jù)，浮點(diǎn)型運(yùn)算。
運(yùn)動(dòng)控制器是上位機(jī)PC端用戶到伺服運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的橋梁，通過(guò)運(yùn)動(dòng)控制器的運(yùn)動(dòng)控制，將上位機(jī)的控制命令、運(yùn)動(dòng)規(guī)劃等在執(zhí)行機(jī)構(gòu)上實(shí)現(xiàn)。采用PAC控制器，用于對(duì)高精度調(diào)整機(jī)構(gòu)的實(shí)時(shí)、精確控制。運(yùn)動(dòng)控制器通過(guò)對(duì)六臺(tái)伺服驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)平臺(tái)的六自由度運(yùn)動(dòng)。實(shí)現(xiàn)了并聯(lián)機(jī)構(gòu)的正反解算法，并將其集成到運(yùn)動(dòng)控制器中。
采用穩(wěn)定可靠、通信速率高、受干擾率低、網(wǎng)絡(luò)速度快為特點(diǎn)的工業(yè)以太網(wǎng)搭建運(yùn)動(dòng)控制總線網(wǎng)絡(luò)完成運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。針對(duì)運(yùn)動(dòng)控制器需要實(shí)現(xiàn)的具體功能以及控制系統(tǒng)的實(shí)際構(gòu)成情況，采用“PAC+工業(yè)以太網(wǎng)”技術(shù)的設(shè)計(jì)方案。控制系統(tǒng)采用“上位機(jī)+PAC控制器”的控制形式。整個(gè)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)由上位機(jī)、PAC控制器、伺服驅(qū)動(dòng)器、電動(dòng)缸、機(jī)械機(jī)構(gòu)、傳感器等組成。
上位機(jī)軟件負(fù)責(zé)按要求對(duì)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行軌跡規(guī)劃，并將各種控制命令通過(guò)以太網(wǎng)通訊接口下發(fā)給PAC控制器;運(yùn)動(dòng)控制器對(duì)收到的控制命令進(jìn)行命令解析、狀態(tài)獲取、機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)模型解算算法及控制算法處理等。根據(jù)具體命令執(zhí)行相應(yīng)操作。運(yùn)動(dòng)控制器經(jīng)過(guò)反解算法解算，將上位機(jī)發(fā)來(lái)的位姿信息轉(zhuǎn)換成每個(gè)電動(dòng)缸的位置信息;再根據(jù)控制器獲取的電機(jī)絕對(duì)編碼器值，以及磁致伸縮位移傳感器測(cè)得的電動(dòng)缸伸縮量等信息，應(yīng)用相應(yīng)的控制算法，得到具體的控制量;通通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)總線發(fā)送運(yùn)動(dòng)控制命令給伺服驅(qū)動(dòng)器，實(shí)現(xiàn)并聯(lián)機(jī)構(gòu)的精確運(yùn)動(dòng)。同時(shí)，運(yùn)動(dòng)控制器可以通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)獲取到各個(gè)驅(qū)動(dòng)器的當(dāng)前狀態(tài)、運(yùn)動(dòng)信息及相關(guān)數(shù)據(jù)，通過(guò)正解算法得到機(jī)構(gòu)的實(shí)時(shí)姿態(tài)，并將這些信息通過(guò)以太網(wǎng)反饋給上位機(jī)。控制系統(tǒng)具體構(gòu)成如下圖所示。
六自由度運(yùn)動(dòng)平臺(tái)控制策略
六自由度運(yùn)動(dòng)平臺(tái)不僅需要點(diǎn)位控制，同時(shí)也要考慮點(diǎn)到點(diǎn)之間的過(guò)程，這有別于串聯(lián)機(jī)構(gòu)的控制策略，串聯(lián)機(jī)構(gòu)的控制只考慮到達(dá)目標(biāo)點(diǎn)的準(zhǔn)確性和快速性，而不考慮中間過(guò)程。
該控制方法需實(shí)時(shí)獲取機(jī)構(gòu)末端的位置姿態(tài)值，由于傳感器等直接測(cè)量方式成本較高，因此多利用運(yùn)動(dòng)學(xué)正解計(jì)算獲得末端位置姿態(tài)。此外，平臺(tái)工作過(guò)程中不合理的運(yùn)動(dòng)軌跡會(huì)引起沖擊振動(dòng)等問(wèn)題，會(huì)影響平臺(tái)運(yùn)動(dòng)精度等性能指標(biāo)，且可能會(huì)損壞平臺(tái)的機(jī)械結(jié)構(gòu)，減少平臺(tái)使用壽命。因此，對(duì)包括六自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)學(xué)正解及最優(yōu)軌跡規(guī)劃在內(nèi)的伺服控制技術(shù)的研究顯得尤為重要。
六自由度運(yùn)動(dòng)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)控制分為兩種控制策略：一種是關(guān)節(jié)空間內(nèi)的閉環(huán)控制。平臺(tái)運(yùn)動(dòng)時(shí)，各電動(dòng)缸伸縮長(zhǎng)度伸縮速度不同，各電動(dòng)缸輸出力矩及所受負(fù)載等亦不相同，因此對(duì)各電動(dòng)缸進(jìn)行單獨(dú)的閉環(huán)控制，也就是關(guān)節(jié)空間內(nèi)的閉環(huán)控制。這種控制策略為準(zhǔn)閉環(huán)控制，在使用時(shí)難以實(shí)現(xiàn)各電動(dòng)缸的精確協(xié)同，因此對(duì)平臺(tái)軌跡的控制精度有一定影響。另外一種是工作空間與關(guān)節(jié)空間內(nèi)的閉環(huán)控制。這種控制策略是直接對(duì)平臺(tái)的位置姿態(tài)進(jìn)行閉環(huán)控制，形成工作空間內(nèi)的閉環(huán)。然后根據(jù)計(jì)算得到的各電動(dòng)缸的運(yùn)動(dòng)參數(shù)，在關(guān)節(jié)空間內(nèi)針對(duì)各電動(dòng)缸再進(jìn)行閉環(huán)控制。這種控制策略能夠進(jìn)一步提高平臺(tái)末端的控制精度，而缺點(diǎn)在于計(jì)算量比較大，需要進(jìn)行兩次閉環(huán)計(jì)算及運(yùn)動(dòng)學(xué)反解計(jì)算，此外還需實(shí)時(shí)獲得平臺(tái)工作空間內(nèi)的位置姿態(tài)值。
位姿閉環(huán)控制器根據(jù)輸入的目標(biāo)位姿與當(dāng)前平臺(tái)的實(shí)際位姿計(jì)算得到位姿控制量，然后通過(guò)運(yùn)動(dòng)學(xué)反解計(jì)算得到各個(gè)電動(dòng)缸對(duì)應(yīng)的控制量，各電動(dòng)缸根據(jù)對(duì)應(yīng)的控制量參數(shù)完成閉環(huán)控制，整體控制框架為雙閉環(huán)結(jié)構(gòu)。本文中，位姿閉環(huán)控制器使用PID控制器完成。PID控制器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性高、可靠性好等優(yōu)點(diǎn)。其原理框圖如下圖所示。
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