【干货】六自由度运动平台控制系统总体设计
一． 六自由度运动平台的结构特性
六自由度运动平台,由上、下平台和六个可伸缩的电动缸组成。上、下平台与电动缸之间，分别通过虎克铰或球铰相连，因此上、下平台分别有6个连接点。上平台为动平台，在六个电动缸的驱动下进行空间中的六自由度运动，下平台为静平台，静止不动，上、下平台为相似的六边形，如下图所示。六自由度并联机构具有速度快、负载大、精度高等特点，该结构作为运动平台有着广泛的应用空间。
二． 六自由度运动平台控制原理
六自由度运动平台是由六个伺服电机带动电动缸做伸缩变化运动，六个电动缸并联设置共同驱动运动平台。运动平台的每个电动缸都能够实现空间中单独的伸缩运动，因此控制系统通过对六个电动缸的伸缩量的控制，可以驱动上平台完成空间中的六自由度运动，从而实现上平台位姿的改变。六自由度分别指的是平台沿着x、y、z 三个坐标轴的平移运动，以及绕三个坐标轴的φx、φy、φz旋转运动。
根据六自由度平台的运动状态，计算出各电动缸的相应位置和速度指令信号，从而控制运动平台的动作，保证按照预定的轨迹运动；当运动平台到达要求的位置时，各电动缸的速度指令信号给定为零，运动平台就立刻停下来，达到了点位控制的目的。
随着技术日益发展，目前对六自由度运动平台的控制精度、定位精度及动态响应性能的要求越来越高，考虑到六自由度运动平台对各个电动缸运动的准确和快速等要求，需要对各电动缸的速度和位移进行控制。在运动过程中，需要及时检测各电动伺服缸的速度和位移信号，速度信号用于闭环控制时跟踪速度的输入，位移信号用于位置反馈和监控，从而达到满足运动平台的位姿控制。
三． 六自由度运动平台功能设计
从控制角度看，六自由度运动平台控制系统是一种电动伺服控制系统。要对其进行控制系统的总体设计，就必须先明确该系统的结构特性与工作原理，分析该系统应当包含的功能模块。然后基于其功能需求，设计出整个系统所需的硬件模块，画出控制系统构成图。而后对硬件部分和软件部分分别进行设计和规划，从而完成六自由度运动平台控制系统的总体功能设计。
在实际控制过程中，主控单元需要频繁地执行正反解、轨迹规划求解等计算任务，且这些任务的计算量都比较大。此外，完备的控制系统还应包括人机交互、实时数据存储等功能。
(1)位置控制：本文采用的控制方式主要是位置控制，当系统发出指令时，平台的六个电动缸能够按照指令，在系统限定范围内进行伸缩运动，使运动平台实现空间中六个自由度的目标运动。
(2)限位系统：当六自由度运动平台的某个电动缸超过其运动范围时，必须有限位系统检测到这一问题，即刻将限位信号反馈至上位控制系统，系统发出警报，并执行相应保护措施。
(3)伺服警报：当六自由度运动平台出现超载警报、电池警报、编码器通信警报、振动检测警报、散热系统过热警报等问题，系统会立即发出伺服警报，通过关闭伺服或指令脉冲禁止输入等动作，将伺服电机关闭，及时地保护运动平台。
(4)人机界面：控制系统需提供一个用户使用的界面，操作简明，方便控制，该界面应包含：控制方案选择、参数初始化、基本指令输入输出等；平台的位置姿态和电动缸伸缩量、速度等反馈参量及其运动曲线的同步显示；伺服控制系统当前运行状态等。
(5)急停装置：当系统发出严重故障问题警报时，若不能利用控制按键及时停止平台的运动，可以通过急停装置，直接切断整个系统电源，令平台立即停止运动，避免运动平台受到碰撞损坏等严重事故的发生。
(6)寻零、定位：在人机界面上需要有控制按键，可以令平台自动回归到零
点位置，或定位到空间限定范围内的任一位置。
(7)自动检测：系统通电之后，即刻开始检测伺服控制系统各个构成模块是否正常运行，并将检测结果及时向上位机反馈报告。
四． 六自由度运动平台控制方案选择
为了保证在运动过程中的稳定性和不发生破坏现象，六个伺服电动缸必须做到协调一致的动作。考虑到多轴的同步、协调运动、运动机构的实际应用环境以及六自由度并联平台是一种高度耦合的系统，其运动控制相对复杂。
六自由度运动平台的运动控制系统选择有多种形式，根据不同行业的应用，选择不同的运动控制方案和策略。根据具体项目的预算，以及动态响应性能和精度的要求，来选择相应的控制系统及实现方案。
本文主要推荐以下两种控制方案选择：
第一种方案：
考虑到并联六自由度控制策略实施的方便和现代计算机的计算速度、造价等问题。采用工控机(IPC)+多轴运动控制卡的形式，
多轴运动控制卡是一种总线形式的板卡，它具有良好的开放性、可靠性和抗干扰性，可通过VC、VB等高级控制语言实现其控制功能。在六自由度运动平台系统设计的相关研究中，多轴运动控制卡的应用较多，其价格相对较低，且能够安装在工控机的卡槽上，无须再添加控制器就可以与外部信号处理电路进行通信，这种一体化的设计避免了硬件结构的冗余繁杂。
从软件编程的角度来说，运动控制卡的灵活性较强，只需给用户提供底层驱动和编程代码，用户可根据自己的软件开发能力和个性需求做出各种相应的的界面和功能。
在硬件方面，作为完成控制系统的一个部件，要实现控制功能，还需其他辅助部件，如PC、指令设备、传动装置等。通常运动控制卡需要一个载体，一个基于工控CPU的系统运行平台。除了板卡本身，还需配合工控机、高精度定时时钟和I/O 接口和相应的隔离、差分电路，因此硬件电路的连接和调试过程较为复杂。
在软件方面，通常需要确保工控机上有一个实时进程，来运行实时控制算法，来提高系统的响应速度，避免产生滞后。但这种实时系统能够提供的定时时钟频率较低，不能满足系统要求；而如果首先保证系统的实时性，系统的开放性又会相应地降低，因此这种控制方案存在一定的局限性。
六自由度运动平台的控制采用计算机集中控制方式，由一台IPC完成各电动伺服缸位置指令值的计算，并对并联六自由度平台的六根电动缸位移和速度进行监控。多轴运动控制卡通过PCI插槽与PC机相连接，并完成6个电动伺服缸的位移闭环控制，因采控制系统的改变比较灵活，只需要重新编程，就可以更换一种算法。因此，可以根据需要在计算机上实现比较复杂的补偿和控制算法。
第二种方案：
随着计算机技术、电子技术和网络通信技术的进步，机器人运动控制技术取得了突破性发展，以太网总线技术在运动控制领域的应用日趋广泛。特别是近年来，随着具有显著开放式特征的运动控制系统与开放式工业以太网总线的技术融合，伺服运动控制系统向可靠性更高、速度更快、精度更高、稳定性更好的方向发展。
考虑到运动平台的结构和配置形式，并结合计算机的控制策略，以及高动态响应的需求，用户需要一种开放式结构的控制系统，通过自行开发的控制软件来完成六自由度运动平台的运动控制要求，因此需要提供强大的运动控制功能作为保障。采用工控机(IPC)或人机界面(HMI)+运动控制器的形式。
运动控制器是一种高度集成化的专用运动专用控制设备。它能够将一些通用的运动控制功能固化在其中，用户可以随时对这些功能块或指令进行组态和调用，这样降低了编程的难度，在提高控制性能的同时，降低了过多附带硬件和功能模块所需的成本。与多轴运动控制卡相比，控制器更偏向于集成化，它应该是一个完整的、独立的硬件平台。但是控制器软件的程序写入，大部分是在控制器内部，利用其自身固有的编程方式写程序，或者靠上位计算机发送控制信号来执行下面的命令。也就是说，控制器大多带有相匹配的控制软件。
PAC控制器是一种融合了传统的PLC和IPC的优点，具有独特理念的模块化控制装置。即嵌入式PC的开放式结构控制系统, 控制器采用带有Inter芯片，是一款强大的CPU，采用嵌入式实时多任务操作系统，任务循环周期最快可达到微秒级别，附加IO处理器，附带接口模块扩展插槽，可移动存储CompactFlash卡，且设备层网络采用实时以太网，可以实现非常高的实时控制。专门应用于循环周期非常短的项目，能够处理大量数据，浮点型运算。
运动控制器是上位机PC端用户到伺服运动机构的桥梁，通过运动控制器的运动控制，将上位机的控制命令、运动规划等在执行机构上实现。采用PAC控制器，用于对高精度调整机构的实时、精确控制。运动控制器通过对六台伺服驱动器进行控制，实现平台的六自由度运动。实现了并联机构的正反解算法，并将其集成到运动控制器中。
采用稳定可靠、通信速率高、受干扰率低、网络速度快为特点的工业以太网搭建运动控制总线网络完成运动控制系统的设计。针对运动控制器需要实现的具体功能以及控制系统的实际构成情况，采用“PAC+工业以太网”技术的设计方案。控制系统采用“上位机＋PAC控制器”的控制形式。整个运动控制系统由上位机、PAC控制器、伺服驱动器、电动缸、机械机构、传感器等组成。
上位机软件负责按要求对机构的运动进行轨迹规划，并将各种控制命令通过以太网通讯接口下发给PAC控制器；运动控制器对收到的控制命令进行命令解析、状态获取、机构运动学模型解算算法及控制算法处理等。根据具体命令执行相应操作。运动控制器经过反解算法解算，将上位机发来的位姿信息转换成每个电动缸的位置信息；再根据控制器获取的电机绝对编码器值，以及磁致伸缩位移传感器测得的电动缸伸缩量等信息，应用相应的控制算法，得到具体的控制量；通通过工业以太网总线发送运动控制命令给伺服驱动器，实现并联机构的精确运动。同时，运动控制器可以通过工业以太网获取到各个驱动器的当前状态、运动信息及相关数据，通过正解算法得到机构的实时姿态，并将这些信息通过以太网反馈给上位机。控制系统具体构成如下图所示。
五． 六自由度运动平台控制策略
六自由度运动平台不仅需要点位控制，同时也要考虑点到点之间的过程，这有别于串联机构的控制策略，串联机构的控制只考虑到达目标点的准确性和快速性，而不考虑中间过程。
该控制方法需实时获取机构末端的位置姿态值，由于传感器等直接测量方式成本较高，因此多利用运动学正解计算获得末端位置姿态。此外，平台工作过程中不合理的运动轨迹会引起冲击振动等问题，会影响平台运动精度等性能指标，且可能会损坏平台的机械结构，减少平台使用寿命。因此，对包括六自由度并联机构实时运动学正解及最优轨迹规划在内的伺服控制技术的研究显得尤为重要。
六自由度运动平台运动控制分为两种控制策略：一种是关节空间内的闭环控制。平台运动时，各电动缸伸缩长度伸缩速度不同，各电动缸输出力矩及所受负载等亦不相同，因此对各电动缸进行单独的闭环控制，也就是关节空间内的闭环控制。这种控制策略为准闭环控制，在使用时难以实现各电动缸的精确协同，因此对平台轨迹的控制精度有一定影响。另外一种是工作空间与关节空间内的闭环控制。这种控制策略是直接对平台的位置姿态进行闭环控制，形成工作空间内的闭环。然后根据计算得到的各电动缸的运动参数，在关节空间内针对各电动缸再进行闭环控制。这种控制策略能够进一步提高平台末端的控制精度，而缺点在于计算量比较大，需要进行两次闭环计算及运动学反解计算，此外还需实时获得平台工作空间内的位置姿态值。
位姿闭环控制器根据输入的目标位姿与当前平台的实际位姿计算得到位姿控制量，然后通过运动学反解计算得到各个电动缸对应的控制量，各电动缸根据对应的控制量参数完成闭环控制，整体控制框架为双闭环结构。本文中，位姿闭环控制器使用PID控制器完成。PID控制器具有结构简单、稳定性高、可靠性好等优点。其原理框图如下图所示。
— 作者简介 —
王刚：本人主要从事系统集成，运动控制底层算法及上层应用的开发，对运动控制原理、伺服闭环、PID算法等都有比较深入的理解，熟悉CoDeSys编程环境及ST编程语言、熟悉C/C++编程语言以及VB、VC软件编写上位人机界面。熟悉B&R和Beckhoff的PLC编程及伺服系统控制，熟悉Powerlink和EtherCat通讯以及伺服驱动的控制应用。目前主要从事于六自由度并联机器人、地震模拟振动台、振动台、道路模拟试验设备、疲劳或加载试验设备等项目的应用开发。
