基于PMAC的仿人按摩机器人手臂控制系统设计

机械设计与制造　５６　文章编号：１００１—３９９７（２０１２）０４—００５６－０３　第４期　２０１２年４月　Ｍａｃｈｉｎｅｒｙ　Ｄｅｓｉｇｎ＆Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅ　基于ＰＭＡＣ的仿人按摩机器人手臂控制系统设计　张邦成韩跃营王占礼庞在祥张玉玲　（长春ｍ＇＿ｌｌｔ大学机电工程学院，长春１３００１２）　Ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　ａｒｍ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｓｙｓｔｅｍ　ｆｏｒ　ｍａｓｓａｇｅ　ｈｕｍａｎｏｉｄ　ｒｏｂｏｔｉｃ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ＰＭＡＣ　ＺＨＡＮＧ　Ｂａｎｇ—ｃｈｅｎｇ，ＨＡＮ　Ｙｕｅ—ｙｉｎｇ，ＷＡＮＧ　Ｚｈａｎ－Ｉ　ｉ，ＰＡＮＧ　Ｚａｉ—ｘｉａｎｇ，ＺＨＡＮＧ　Ｙｕ—ｌｉｎｇ　木　（Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｍｅｃｈａｔｒｏｎｉｃ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｃｈａｎｇｃｈｕｎ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｃｈａｎｇｃｈｕｎ　１　３００　１　２，Ｃｈｉｎａ）　【摘　要】仿人按摩机器人手臂是按摩机器人的重要组成部分，其控制系统是中医按摩机器人完成按　摩位置精确定位的关键因素。为了实现对仿人按摩机器人手臂精确控制，基于ＰＣ＋ＰＭＡＣ运动控制卡设计了　仿人按摩机器人手臂控制系统。通过Ｐｃ与ＰＭＡＣ运动控制卡之间的通信对ＰＭＡＣ运动控制卡进行参数设　置以及ＰＭＡＣ运动控制卡的ＰＩＤ控制器参数的优化。基于ＶＣ＋＋软件开发平台设计了控制系统软件。仿真及　实际应用效果表明，设计开发的仿人按摩机器人手臂控制系统实现了对手臂的控制，达到了设计要求。　关键词：仿人；按摩；机器人；控制系统；通讯　【Ａｂｓｔｒａｃｔ】Ｔｈｅ　ｏｌ＂ｍ　ｏｆｔｈｅ　ｈｕｍａｎｏｉｄ　ｍａｓｓａｇｅ　ｒｏｂｏｔ　ｉｓ　ａｎ　ｉｍｐｏｒｔａｎｔ　ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ　ｏｆｔｈｅ　ｍａｓｓａｇｅ　ｒｏｂｏｔ，　ｗｈｉｃｈ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｓｙｓｔｅｍ　ｉｓ　ａ　ｋｅｙ矗　￡０ｒ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｃｈｉｎｅｓｅ　ｍａｓｓａｇｅ　ｒｏｂｏｔ　ｒ　ａｃｈｉｅｖｉｎｇ　ｐｒｅｃｉｓｅ　ｐｏｓｉｔｉｏｎ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｍｏｓｓａｇｅ　ｐｏｓｉｔｉｏｎ．Ｔｏ　ｒｅａｌｉｚｅ　ｐｒｅｃｉｓｅ　ｐｏｓｉｔｉｏｎ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｏｆｔｈｅ　ｍａｓｓａｇｅ　ｈｕｍａｎｏｉｄ　ｒｏｂｏｔ　ａｒｍ，ｔｈｅ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｓｙｓ—　ｔｅｒｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｍａｓｓａｇｅ　ｈｕｍａｎｏｉｄ　ｒｏｂｏｔ　ａｒｍ　ｗａｓ　ｄｅｓｉｇｎｅｄ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ＰＣ＋ＰＭＡＣ．Ｔｈｅｎ　ｔｈｅ　ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ　ｏｆ　ＰＭＡＣ　ｗｅｒｅ　ｓｅｔ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ　ｏｆ　ＰＩＤ　ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ　ｗｅｒｅ　ｏｐｔｉｍ￣ｅｄ　ｔｈｒｏｕｇｈ　ｔｈｅ　ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　ＰＭＡＣ　ａｎｄ　ＰＣ．　Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ＶＣ＋＋，ｔｈｅ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｓｙｓｔｅｍ　ｓｏｆｔｗａｒｅ　Ｗａｓ　ｄｅｓｉｎｅｄ．ｇＴｈｅ　ｓｉｍｕｌｔａｉｏｎ　ａｎｄ　ｐｒａｃｔｉｃａｌ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｓｈｏｗ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｓｙｓｔｅｍ　ｆ　ｏｈｕｍａｎｏｉｄ　ｍａｓｓａｇｅ　ｒｏｂｏｔ　ａｒｍ　ｃａｎ　ｆｕ　ｌｌ　ｔｈｅ　ｄｅｓｉｇｎ　ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：Ｈｕｍａｎｏｉｄ；Ｍａｓｓａｇｅ；Ｒｏｂｏｔｉｃ；Ｃｏｎｔｒｏｌ　ｓｙｓｔｅｍ；Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｅ　中图分类号：ＴＨ１６，ＴＰ２４１．３，ＴＰ２７３文献标识码：Ａ　１引言　中医按摩机器人是服务机器人中的一种，近年来受到越来　平稳性与定位精确性较高的设计要求，基于ＰＣ＋ＰＭＡＣ运动控制　卡设计了五自由度仿人按摩机器人手臂的控制系统。　越多国内外科研院所与企业的关注。它以传统中医按摩理论为基　础，结合机器人定位精度高，按摩力量精确可控，动作可准确重　２仿人按摩机器人手臂工作原理分析　仿人按摩机器人手臂由五个运动关节组成，分别是大臂、肘　肘部回转关节、腕部俯仰关节与腕部回转关节五部　复，不会产生疲劳等特点，构建的中医按摩机器人平台。该平台能　部俯仰关节、够按照中医按摩理论实现对人体的按摩，缓解老年人和残疾人腰　分，其中肘部俯仰关节与腕部俯仰关节采用锥齿轮传动，传动比　腿疼痛等病状，提高了老年人和残疾人的生活质量ｌ１ｌ。仿人按摩机　分别为２：１与１．５：１，锥齿轮加工精度为６．５级。利用直流无刷盘　器人手臂是中医按摩机器人的主要执行机构，在结构上充分利用　式电机体积小、转矩大等优点，既减小了电机所占空间，同时保证　了串联机器人所具有的灵活性高与工作空问大的优点，可灵活、　了机器人手臂各关节电机所输出的转动力矩较大的要求。利用谐　７伟确的将机器人末端执行器送达到需要的按摩位置。串联机器人　波减速器小型化、轻量化等优点，保证了串联结构末端按摩装置　系统代表冗余的、多变量的和本质非线性的自动控制系统，同时　能够快速、灵活的运动到指定位置，同时也保证了其稳定性与可　具有较高时变性的特点，其控制系统的优劣是末端执行器平稳传　靠性，其关节转角示意图，如图ｌ所示。　动与精确定位的决定性因素口。目前，国外对基于ＰＭＡＣ运动控制　卡的开放式控制系统研究较多，以ＰＭＡＣ运动控制卡作为控制　核心的机器人多应用于工业机器人，例如日本的ＳＣＡＲＡ机器　人、德国的ＫＵＫＡ机器人等。国内近年来也纷纷对机器人的开放　式控制系统进行研究，并各自提出了自己的系统方案及结构，其　中，华南理ｌＴ大学丁度坤、谢存禧等人对喷涂机器人控制系统进　行研究，建立了喷涂机器人ＰＩＤ自适应模型［３１，某大学一些科研　制器，将其改造成为具有开放式结构控制器的实验平台　。类似的　图１五自由度按摩机器人手臂关节转角不意图　３按摩机器人控制系统硬件设计　仿人按摩机器人手臂的控制系统需要达到高精度、高稳定　人员对ＰＵＭＡ５６０机器人控制系统进行研究，以ＰＭＡＣ代替原控　３．１控制系统硬件结构设计　应用在工业机器人控制系统中的例子很多，但应用于服务机器人　性、高可靠性、高响应速度的设计要求，实现对手臂位置、速度、力　的控制系统中并不多见。为了实现中医按摩机器人对手臂的运行　矩等信号的实时采集，故对控制系统的实时眭能要求较高［５１。结合　来稿日期：２０１１－０６—１８女基金项目：罔家８６３项目（２００８ＡＡ０４０２０５）　第４期　张邦成等：基于ＰＭＡＣ的仿人按摩机器人手臂控制系统设计　５７　仿人按摩机器人手臂的设计要求，硬件系统主要包括机械结构、　３＿３．２　ＰＭＡＣ参数设置与电机运行程序编写　ＰＣ机、运动控制器ＰＭＡＣ、输入输出（Ｉ／Ｏ）卡、Ｃｏｐｌｅｙ数字伺服驱　ＰＭＡＣ运动控制卡的控制核心主要由ＤＳＰ５６３００芯片构成。　动器、无刷直流电机等。仿人按摩机器人系统采用二级控制方式，　使用ＰＭＡＣ运动控制卡之前，需对其参数进行设置，其中根据各　Ｐｃ机与ＰＭＡＣ运动控制卡之间通过传１００Ｍｂｐｓ的Ｅｔｈｅｒｎｅｔ进　关节电机的特性及其运动方式，对　Ｐ、Ｑ、Ｍ变量的参数进行设　行通讯，控制系统总体框图，如图２所示。　图２机器人手臂控制系统总体框图　ＰＣ机是信息处理中心，能够提供良好的人机界面，利用　ＰＭＡＣ运动控制卡控制机器人手臂运动，ＰＭＡＣ运动控制卡向　Ｃｏｐｌｅｙ数字伺服驱动器￣＋１０Ｖ模拟量控制信号；电机位置、速　度反馈信号由旋转式光电编码器Ｒ２２ｉ提供，分辨率为５００线；ＰＣ　机与Ｃｏｐｌｅｙ数字伺服驱动器之间的通讯采用ＲＳ－２３２通讯方式，　按各位置电机不同型号的参数对驱动器内部存储器进行设置，将关　节电机的速度信号、位置信号经４倍频后反馈给ＰＭＡＣ运动控制　卡与Ｃｏｐｌｅｙ数字伺服驱动器，通过反馈信号实现对各关节电机的　驱动，以及各关节电机的平稳传动与精确定位，从而实现关节电机　对谐波减速器及运动装置的驱动与控制。在安全保障方面，利用限　位开关限定手臂的各极限运动位置；使用电磁抱闸（制动器）在发生　意外情况时，由操作者与被按摩者同时控制系统的制动器，以保证　被人身与财产的安全。经实验验证，该策略可以达到设计要求。　３．２数字伺服驱动器对直流无刷电机的驱动　系统采用数字伺服驱动器Ｃｏｐｌｅｙ对手臂关节电机进行驱动，　驱动器配备了调试软件ＣＭＥ２，利用ＣＭＥ２软件按照电机的特性　与控制方式对驱动器内部的存储器参数进行设置，控制方式包括：　控制方式（速度控制）、信号模式（－＋１０Ｖ模拟量）、反馈类型（Ｈａｌｌ与　Ｃｏｕｎｔｅｒ混合）等，电机特性包括：电机常数、极对数、额定电流、额　定电压、额定转速、反电动势常数、编码器信号倍频模式等储存到　驱动器中。经数字伺服驱动器内部的ＣＰＵ计算后，然后利用对其　进行电流环、速度环ＰＩＤ进行调节，获得比较适合的　。、　、Ｋ　，完　成对驱动器的设置。ＪＯＧ模式下观察电机空载情况的运行特Ｉ生，选　择最优的参数值后，将设置好的参数保存到驱动器中。　３．３　ＰＣ与ＰＭＡＣ之间的通信与参数设置　３．３．１　ＰＣ与ＰＭＡＣ之间的通信　为了便于ＰＭＡＣ与上层ＷＩＮＤＯＷＳ应用程序之间进行通　信，某公司提供了通信驱动程序，动态链接库Ｃｏｍｍ３２．ｄｌｌ，作为上　层应用程序与ＰＭＡＣ之间通信的桥梁。它由ＰＭＡＣ．ｄｌｌ，ＰＭＡＣ．　ＳＹＳ，ＰＭＡＣ．ＶＮＤ　３个文件组成，共包含了２５０多个函数［６１。　ＰＭＡＣ运动控制卡与ＰＣ机之间可以采用如下三种通讯方　式：ＵＳＢ通讯、Ｅｔｈｅｒｎｅｔ通讯和ＲＳ一２３２通讯。系统采用使用方便、　传输快速的Ｅｔｈｅｒｎｅｔ通讯方式进行通讯。对ＰＣ机进行设置，更　改ＰＣ机通信协议ＴＣＰ／ＩＰ设为１９２．６．９４．２。将ＰＭＡＣ卡的ＩＰ地址　设为１９２．６．９４．５并储存在ＰＣ机的注册表中，确保该地址与ＰＣ机　网卡的ＩＰ地址在同一子网以实现上、下位机之间的通讯。　置，，变量用于设定ＰＭＡＣ卡的性能，伺服电机控制和编码器参　数；Ｐ、Ｑ变量作为通用变量，在运算中赋值和传送信息，Ｑ变量还　可以在坐标系中作其它特殊用途；　变量可以直接定义存储器和　Ｉ／Ｏ接口，通过　变量的读写，对Ｉ／Ｏ接口和各轴的实际位置、理　论位置进行操作。为仿人按摩机器人手臂各关节电机设计ＰＭＡＣ　底层运动程序，使各关节电机实现　型、Ｓ型曲线加、减速，使仿　人按摩机器人手臂末端执行器实现直线、圆弧插补控制策略。　４　ＰＭＡＣ运动控制卡的ＰＩＤ参数的优化　在高精度、微进给的高性能控制系统中，须考虑到对象结构　与参数变化、各种非线性的影响、运行环境的改变以及环境干扰　等时变和不确定因素，才能得到满意的控制效果月。某公司提供上　位机执行程序ＰＥＷＩＮ３２，通过调节对应的Ｉ变量，来实现对ＰＩＤ　控制器参数与速度肋口速度前馈参数一ＮＯＴＣＨ滤波器参数的调　节，在传统的ＰＩＤ控制算法的基础上，再加上速度和加速度的前　馈，用速度前馈来减小微分增益所带来的跟随误差，用加速度前　馈来补偿由于惯性所带来的跟随误差，同时，加上陷波滤波器来　防止谐振，以抵消共振【句。ＰＭＡＣ运动控制卡提供的ＰＩＤ控制器参　数调节原理，如图３所示。　厂．——］实际位置　ｌ　３２＂Ｉｎ０８　１．．————一　图３　ＰＭＡＣ运动控制卡中ＰＩＤ控制器参数调节原理图　ＤＡＣｏｕｔ（ｎ）＝２—１９＂Ｉｎ３０＂　『　Ｉ　ｆＩｎ０８　Ｉ　）Ｉｎ３３＊Ｉ＋　Ｅ（ｎ）　…　。【　ｌ’　２２３　Ｉｎ３ｌ＇Ｉｎ０９　Ａ　Ｖ（ｎ）　对　、　、Ｋ　、Ｋ、Ⅲ、　等参数进行优化，其中：　厂比例增　益（Ｉｎ３０）；　—微分增益（Ｉｎ３１）；Ｋ　度前馈增益（Ｉｎ３２）；　ｆ＿＿积　分增益（Ｉｎ３３）；，朋－＿积分模式（Ｉｎ３４）；　Ⅱ速度前馈增￣（Ｉｎ３５）。　对电机使用的计算控制输出的ＰＩＤ算法的实际计算如公式　（１）所示：其中：ＤＡＣｏｕｔ（ｎ）—伺服周期中１６位输出命令（一３２７６８　￣１＋３２７６７）。它将转换成一１０Ｖ到＋１０Ｖ的电压输出。腰（ｎ）—伺服　周期ｎ内所得的跟随误差，即该周期内指令位置和实际位置的差　值。Ａ　（ｎ）—伺服周期ｎ内的实际速度，即每个伺服周期最后两　个实际位置的差值。ＣＶ（ｎ）—伺服周期　内的指令速度，即每个　伺服周期最后两个指令位置的差值。ＣＡ（ｎ）—伺服周期１，７内的指　令加速度，即每个伺服周期最后两个指令速度的差值。／ｅ（ｎ）—伺