中文引用格式： 韓德強(qiáng)，王新雨，楊淇善. 一種串聯(lián)機(jī)械臂多軸同步控制方法的研究與實(shí)現(xiàn)[J]. 電子技術(shù)應(yīng)用，2023，49(8)：119-124.
英文引用格式： Han Deqiang，Wang Xinyu，Yang Qishan. Research and implementation of a multi-axis synchronous control method for serial manipulator[J]. Application of Electronic Technique，2023，49(8)：119-124.
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以機(jī)械臂為代表的工業(yè)設(shè)備，直接影響著制造業(yè)生產(chǎn)水平。在實(shí)際生產(chǎn)中的噴漆、焊接等場景下，人們對機(jī)械臂提出了進(jìn)一步的要求：希望機(jī)械臂不僅能夠保證對空間點(diǎn)的定位精度，還要能夠保證對運(yùn)動軌跡的跟蹤精度。
常見的機(jī)械臂屬于串聯(lián)機(jī)器人，其末端執(zhí)行器的位置由多個(gè)中間關(guān)節(jié)共同作用決定，僅分別獨(dú)立地減少各個(gè)關(guān)節(jié)軸跟蹤誤差并不能確保減小機(jī)器臂末端執(zhí)行器的軌跡誤差，此時(shí)便需要進(jìn)行多軸運(yùn)動同步控制，確保多個(gè)電機(jī)協(xié)同配合完成工作[1-3]。
常見的多軸同步控制策略有：主從結(jié)構(gòu)控制、耦合結(jié)構(gòu)控制、虛擬主軸控制等[4]。在實(shí)際應(yīng)用中，依靠耦合結(jié)構(gòu)提高同步控制精度的方法得到了廣泛重視。耦合同步主要有交叉耦合、偏差耦合和相鄰耦合等方式。交叉耦合結(jié)構(gòu)局限于兩臺電機(jī)之間，不適用于多軸機(jī)械臂；偏差耦合結(jié)構(gòu)結(jié)合所有軸的狀態(tài)對各軸進(jìn)行修正，但當(dāng)電機(jī)個(gè)數(shù)較多時(shí)，會導(dǎo)致計(jì)算量增加；相鄰交叉耦合結(jié)構(gòu)通過實(shí)現(xiàn)局部同步延伸至全局同步，但與偏差耦合結(jié)構(gòu)相比可能會存在同步誤差大、同步速率慢的缺點(diǎn)[5-6]。
結(jié)合不同的控制結(jié)構(gòu)，已有工作從減小系統(tǒng)末端軌跡誤差的角度進(jìn)行了研究：吳言穗等基于交叉耦合結(jié)構(gòu)，針對兩軸雕刻機(jī)系統(tǒng)，進(jìn)行了加工輪廓誤差分析，提出一種適用于平面內(nèi)位置閉環(huán)控制與輪廓誤差補(bǔ)償控制的非線性 PID 控制器[7]；Ouyang等設(shè)計(jì)了一種適用于串聯(lián)機(jī)械臂系統(tǒng)，能夠有效減小系統(tǒng)的輪廓跟蹤誤差的相鄰交叉耦合控制器，但僅在平面內(nèi)對三關(guān)節(jié)機(jī)器人進(jìn)行了分析與仿真驗(yàn)證[8]。
目前多電機(jī)位置同步的研究大多針對二維軌跡，對于三維軌跡誤差分析以及在空間多自由度機(jī)器人系統(tǒng)中應(yīng)用的相關(guān)工作較少。因此，本文首先對空間軌跡進(jìn)行了分析，得到三維軌跡誤差的表示方法；隨后，根據(jù)串聯(lián)機(jī)械臂的運(yùn)動學(xué)特征，基于偏差耦合結(jié)構(gòu)，得出各關(guān)節(jié)軸的同步修正量；之后，介紹了本文中自制實(shí)驗(yàn)平臺的軟硬件設(shè)計(jì)思路，并基于現(xiàn)場可編程邏輯門陣列(Field Programmable Gate Array，FPGA)構(gòu)建了運(yùn)動控制系統(tǒng)；最后，在實(shí)驗(yàn)平臺上通過對比實(shí)驗(yàn)的方式檢驗(yàn)了本文中的同步控制方法。
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作者信息：
韓德強(qiáng)，王新雨，楊淇善
（北京工業(yè)大學(xué) 信息學(xué)部，北京 100124）
