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.
0 引言
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(chǎng)景下,，人們對(duì)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(duì)空間點(diǎn)的定位精度，還要能夠保證對(duì)運(yùn)動(dòng)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(dòng)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(tái)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(duì)各軸進(jìn)行修正，但當(dāng)電機(jī)個(gè)數(shù)較多時(shí),，會(huì)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(huì)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(duì)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(duì)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(duì)二維軌跡,，對(duì)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(duì)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(dòng)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(tái)的軟硬件設(shè)計(jì)思路，并基于現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯門陣列(Field Programmable Gate Array,，FPGA)構(gòu)建了運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng),；最后，在實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上通過對(duì)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）
