《電子技術應用》
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一種串聯(lián)機械臂多軸同步控制方法的研究與實現(xiàn)
2023年電子技術應用第8期
韓德強，王新雨，楊淇善
（北京工業(yè)大學 信息學部，北京 100124）
摘要： 以機械臂為代表的工業(yè)設備，直接影響著制造業(yè)生產(chǎn)水平。在噴漆、焊接等生產(chǎn)場景下，人們希望機械臂的末端軌跡符合預期。由于工況及受到干擾的影響不完全相同，機械臂各關節(jié)的單軸跟蹤性能很難保持一致，此時便需要進行多軸同步控制，以便多個電機同步配合完成工作，確保末端軌跡精度滿足要求。在分析三維軌跡誤差后，根據(jù)串聯(lián)機械臂的運動學特征，基于偏差耦合結構，得出各關節(jié)軸的同步修正量，并在基于Xilinx ZYNQ的六軸機械臂實驗平臺上通過對比實驗的方式檢驗了該方法的工作效果。
中圖分類號：TP39 文獻標志碼：A DOI: 10.16157/j.issn.0258-7998.233778
中文引用格式： 韓德強，王新雨，楊淇善. 一種串聯(lián)機械臂多軸同步控制方法的研究與實現(xiàn)[J]. 電子技術應用，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.
Research and implementation of a multi-axis synchronous control method for serial manipulator
Han Deqiang，Wang Xinyu，Yang Qishan
(Faculty of Information Technology，Beijing University of Technology，Beijing 100124，China)
Abstract： Industrial equipment represented by robotic arms directly affects the production level of manufacturing industry. In some situations such as painting and welding, people hope that the trajectory of the robotic arm’s end will meet expectations. Due to different working conditions and external interference, it is difficult to keep the single-axis tracking performance of each joint consistent. At this time, multi-axis synchronous control is required so that multiple motors can cooperate synchronously to complete the work and ensure the accuracy of end trajectory. In this paper, the synchronous correction amount of each joint based on the relative coupling structure is obtained after analyzing the three-dimensional trajectory error and kinematics characteristics of serial manipulator. The effect of the method is verified by a comparative experiment on the six-axis manipulator experimental platform based on Xilinx ZYNQ.
Key words : synchronous control；trajectory accuracy；FPGA；manipulator

0　引言

以機械臂為代表的工業(yè)設備，直接影響著制造業(yè)生產(chǎn)水平。在實際生產(chǎn)中的噴漆、焊接等場景下，人們對機械臂提出了進一步的要求：希望機械臂不僅能夠保證對空間點的定位精度，還要能夠保證對運動軌跡的跟蹤精度。

常見的機械臂屬于串聯(lián)機器人，其末端執(zhí)行器的位置由多個中間關節(jié)共同作用決定，僅分別獨立地減少各個關節(jié)軸跟蹤誤差并不能確保減小機器臂末端執(zhí)行器的軌跡誤差，此時便需要進行多軸運動同步控制，確保多個電機協(xié)同配合完成工作[1-3]。

常見的多軸同步控制策略有：主從結構控制、耦合結構控制、虛擬主軸控制等[4]。在實際應用中，依靠耦合結構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。交叉耦合結構局限于兩臺電機之間，不適用于多軸機械臂；偏差耦合結構結合所有軸的狀態(tài)對各軸進行修正，但當電機個數(shù)較多時，會導致計算量增加；相鄰交叉耦合結構通過實現(xiàn)局部同步延伸至全局同步，但與偏差耦合結構相比可能會存在同步誤差大、同步速率慢的缺點[5-6]。

結合不同的控制結構，已有工作從減小系統(tǒng)末端軌跡誤差的角度進行了研究：吳言穗等基于交叉耦合結構，針對兩軸雕刻機系統(tǒng)，進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)控制與輪廓誤差補償控制的非線性 PID 控制器[7]；Ouyang等設計了一種適用于串聯(lián)機械臂系統(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)對三關節(jié)機器人進行了分析與仿真驗證[8]。

目前多電機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器人系統(tǒng)中應用的相關工作較少。因此，本文首先對空間軌跡進行了分析，得到三維軌跡誤差的表示方法；隨后，根據(jù)串聯(lián)機械臂的運動學特征，基于偏差耦合結構，得出各關節(jié)軸的同步修正量；之后，介紹了本文中自制實驗平臺的軟硬件設計思路，并基于現(xiàn)場可編程邏輯門陣列(Field Programmable Gate Array，FPGA)構建了運動控制系統(tǒng)；最后，在實驗平臺上通過對比實驗的方式檢驗了本文中的同步控制方法。



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作者信息：

韓德強，王新雨，楊淇善

（北京工業(yè)大學 信息學部，北京 100124）

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