6－PUS／UPU并聯機構開放式控制系統的研究

梁順攀，竇玉超，趙永生＋

（1.燕山大學 信息科學與工程學院，河北 秦皇島066004；2.燕山大學 機械工程學院，河北 秦皇島066004）

0 引 言

與串聯機構不同，并聯機構的動平臺在笛卡爾坐標系中的運動與各運動分支之間是復雜的非線性映射關系，控制模型復雜。因此通用的控制系統不適用于在并聯機構上直接應用，必須針對并聯機構的具體情況進行開發。目前國內外并聯機構的控制系統大多數都存在功能過于集中、耦合度高、可擴展性差、維護困難等缺點。采用開放式體系結構的控制系統是新一代控制器的發展趨勢。目前國內外較著名的開放式控制系統有歐共體提出的OSACA，美國提出的OMAC計劃，日本的OSEC，清華的OCSIA等等［1］。但這些系統在其功能實現和系統建模方面仍有很多不足。為了滿足6－PUS／UPU冗余驅動并聯機構面向多用戶、多用途、高柔性的任務需求，結合面向服務的思想以及模型－視圖－控制的開發模式，提出了一種基于SOA／MVC的開放式控制系統架構。并根據該架構開發了6－PUS／UPU并聯機構控制系統，增強了控制系統的柔性和開放性。該框架是一個具有靈活擴展、按需定制、易于整合的技術平臺。

1 SOA／MVC控制系統架構

1.1 6－PUS／UPU并聯機構簡介

6－PUS／UPU 是一種新型冗余驅動 并聯機構［2－4］。如圖1所示，該機構由定平臺、動平臺、6個驅動分支PUS和一個約束分支UPU組成。由于中間UPU約束分支約束了動平臺的一個自由度，因此動平臺只能實現5個自由度的運動，但是該機器人共有6個驅動，此時該機器人是冗余驅動的。該機構的6個PUS分支均依次由1個P副 （移動副），1個U副 （虎克鉸），1個S副 （球副）連接而成，中間UPU約束分支則由2個U副和1個P副組成。中間分支與動平臺連接的虎克鉸，是由一個球鉸 （S副）和一個固定軸承蓋組合而成。當拆除這個固定用的軸承蓋，則中間支路為UPS，此時中間支路對動平臺不起約束作用，該并聯機構成為一個6自由度的Stewart并聯機構。

圖1 6－PUS／UPU并聯機構

該機構通過中間約束分支的變換實現冗余和非冗余模式的切換，在冗余驅動模式下，該機構還具有變自由度的特點。該機構為研究空間冗余驅動并聯機器人提供了很好的平臺，也可作為多任務、多構型的空間并聯機構的測控理論研究和實驗平臺。

1.2 控制系統需求分析

從功能需求分析的角度看，6－PUS／UPU機器人主要作為一個機電一體化多功能測控平臺，機械本體可以衍變成多種構型有：一般并聯機構 （如6－PUS），少自由度機構（如5－PUS／UPU）和冗余驅動機構 （如6－PUS／UPU）等；機構的工作任務多變，主要的研究任務包括：冗余驅動、少自由度、完全自由度、力／位混合控制、曲面跟蹤、網絡控制研究等等。

從使用的人員來看，不同的用戶以及不同的任務都帶來個性化的需求。比如基于個人智能終端的網絡控制應用中，用戶則希望在客戶端能提供簡單、便捷的配置，并希望能在原系統中添加一些新功能。這都需要在系統架構的設計過程中，充分考慮用戶的現在需求、預計其未來的需求，從而提高軟件的可配置性、靈活性。

此外，傳統基于網絡應用的開發模式采用B／S／D三層結構。在這種模式中，核心層是處在中間的服務器，無論是用戶交互的界面，對數據進行邏輯處理的功能模塊，對數據庫進行數據訪問的模塊均集成在服務器端。這導致服務器端過度膨大，模塊之間耦合性高，導致系統性能降低、代碼維護困難、安全性差等缺點的出現。同時，也不利于系統的擴展。

從數據需求分析的角度來看，系統中的數據主要包括：實時性強的控制信號、PMAC的運動控制程序、各部件的設置參數、傳感器的實時反饋數據、用戶信息、用戶指令和日志記錄信息等。這些數據有些需要進行保存，有些則只用于過程控制或顯示；數據的大小變化幅度大；數據的實時性需求也不同。

如按照傳統的定制模式進行數控系統開發，則該系統將非常膨大、部署復雜、耦合度高不易擴展，且難以實現和維護，無法滿足教學、研究和應用需求。隨著并聯機構研究的深入、應用領域的拓展，這種開發已經成為制約并聯機構廣泛應用的瓶頸之一。

1.3 控制系統架構設計

根據上述設計要求和設計目標，提出了一種基于組件技術，將組件技術的獨立性和靈活性、SOA的可重構性、MVC的邏輯與顯示的隔離性應用于控制系統架構的設計，可開發出更開放的、高柔性的控制系統?？刂葡到y的整體架構如圖2所示。

控制系統主要由下面三部分組成：視圖層、控制層、模型層。系統可以劃分為5個子層：應用子層、服務總線子層、服務模塊子層、驅動子層、設備子層。

參考一些經典構架方案［5－7］，在設計模型層時，將其分為驅動子層和設備子層。當硬件設備進行更新或者替換時，只需要在驅動器子層按照相應的驅動程序，并且讓驅動管理器進行重新加載即可，避免了對上一層的影響?？刂茖觿t劃分為服務總線子層和服務模塊子層。各個封裝好的功能模塊作為組件放置在服務模塊子層，而服務總線子層則負責服務模塊的管理和注冊，并向上一層提供服務。根據SOA的觀點，可把模型層視作底層服務的 “提供者”，控制層調用這些底層服務以便上層的視圖層提供更高層次邏輯的功能，而視圖層則向用戶提供服務。

2 開放式的模型層

圖2 控制系統總體架構

模型層包含了驅動子層、設備子層。模型層是控制系統的主要被控制對象，向上層提供了服務的接口。設備子層主要包括了被控制的各種物理對象、虛擬樣機以及相關數據。驅動子層負責各種被控對象的驅動程序及對其的管理。

根據開放式控制系統的主要思想和特征［8］，為了保證6－PUS／UPU并聯機構的硬件具有互換性、模塊化、可擴展性等特點，設備子層必須是開放的；同時為了向上一層提供服務，需要利用驅動子層來封裝底層的設備的多樣性。

2.1 驅動子層

驅動子層主要有下面三部分組成：服務接口、驅動管理器和各種驅動程序。

驅動管理器是驅動子層的管理層，作用于服務接口和驅動程序之間，其跟蹤可用的驅動程序，并在樣機、數據庫等各種設備和相應驅動程序之間建立連接。

模型層通過服務接口向上一層提供服務。上一層通過服務接口操作機器人、虛擬樣機和數據庫。

驅動程序包括運動控制卡、各種接口卡；聯合仿真軟件所需的接口設置參數和調用指令；各種數據庫的驅動程序等。驅動程序將自身加載到驅動管理器中去，并處理相應的請求并建立與相應設備的連接。

2.2 設備子層

設備子層和具體設備相關。根據任務需要不同、應用場合不同，可以添加所需的傳感器、PLC設備、伺服設備等多種類型設備。本系統將樣機、虛擬樣機和數據庫都看成是被控制的對象同處在設備子層。虛擬樣機在ADAMS和MATLAB仿真軟件里建立；數據庫則由數據庫管理系統負責管理，數據庫存放用戶信息、系統參數、日志信息等內容，其中最核心的是樣機。其硬件結構采用 “IPC＋運動控制卡”控制模式，如圖3所示。

在 “IPC＋運動控制卡”模式中，工控機為上位機，負責軌跡規劃、插補、任務調度等，是數控系統的核心部分；運動控制卡內部包含位置控制器、速度控制器，力矩控制器等，負責各個電機精細運動指令生成、各個電機運動的協調等；電氣部分主要有驅動器、電機、繼電器等，該部分將運動控制卡生成的指令轉為電機的轉動，同時由電機的光電編碼器測得的位置信息、轉速信息等反饋給運動控制卡；機械傳動部分采用高精密滾珠絲杠，通過絲杠上滑塊的運動帶動各個分支的運動；在每個滾軸絲杠基座上安裝光柵尺，滑塊安裝讀寫頭，通過讀寫頭將每個分支的位置信息、速度信息反饋到運動控制卡，再通過運動控制卡反饋到工控機上。

因此，“IPC＋運動控制卡”方案既可以利用工控機的高性能來實施多種復雜的控制及解決各分支的同步協調問題，又可利用PMAC的高實時性來實現運動的精確控制。

3 模塊化的控制層

控制層主要包括服務總線子層和服務模塊子層。在整個控制系統中，控制層處在中間，是整個系統的樞紐部分，控制層負責向視圖層提供服務，同時控制層也要使用模型層的服務。其中服務總線子層負責整個系統任務的調度，服務模塊子層則由完成具體任務的功能模塊所組成。

該開發模式能有效降低功能模塊與模塊調度等管理邏輯之間的耦合程度，使得開發人員可以在已建成的核心模塊基礎上根據新的任務需求迅速地添加新的功能模塊，從而實現系統的功能定制和擴展，滿足不同用戶的不同需求。

3.1 服務總線子層

圖3 控制系統硬件結構框架

服務總線子層是整個系統的中心構件。在SOA架構中，服務總線子層是整個架構的控制樞紐。通過服務總線子層屏蔽了各服務模塊的細節、管理和調用關系，對外提供了更高邏輯層面的服務。

服務總線子層負責接收上一層的服務請求，自動完成服務流程的處理，并將這些服務請求進行解耦；負責注冊、登記各服務模塊的相關信息，并對其進行管理；將解耦的服務請求和已登記的服務模塊進行匹配，在匹配的兩者間建立連接通道，并監控服務的狀態。服務總線子層的核心模塊包括業務邏輯處理模塊、服務調度模塊、服務狀態管理模塊、總線管理模塊與服務接口模塊等。

（1）業務邏輯處理模塊，它是服務總線子層中最核心的功能模塊。負責解耦服務請求；匹配服務請求和服務提供方；負責服務邏輯業務的組織；負責各個服務模塊之間通信和數據轉發。該模塊實現了服務請求方與服務提供者之間的屏蔽，將服務請求者從具體繁瑣的任務執行過程中解脫出來，一切中間過程均交給了服務總線子層自動完成。

（2）服務調度模塊，根據服務請求方的具體任務需求，實時調用服務模塊子層中的服務模塊。此外，該模塊還負責為服務模塊的運行分配所需的CPU、內存等資源，以保證服務請求在允許的時間內完成，從而提供服務的質量。

（3）服務狀態管理模塊，負責監控、管理系統中正在被調用的各個服務組件的狀態。服務組件的狀態主要有啟動、報錯、等待、終止等。服務組件在服務狀態管理模塊監管下，根據服務流程和服務需要在上述的狀態間進行轉換。

（4）總線管理模塊，其主要根據各個服務任務的優先級調度任務運行；控制指令的驗證及執行；總線對各服務的檢錯容錯；總線的自我檢錯和容錯等等。

（5）服務接口模塊，包括三類服務接口：服務接口、外部服務接口、內部服務接口。利用服務接口使用模型層所提供的服務。內部服務接口向視圖層提供本地控制的服務。外部服務接口向視圖層提供網絡訪問控制的服務。

3.2 服務模塊子層

服務模塊子層提供了完成具體邏輯任務的各模塊。各模塊是松耦合的，各模塊均由服務總線子層負責調用。各服務模塊可以根據任務的需要進行擴展，下面對系統的部分核心模塊進行了設計。

3.2.1 控制對象選擇模塊

不同的被控對象具有不同的特性，需要進行分類控制。當控制系統添加了新的控制對象后，只要訪問該被控對象的接口負責制定的規范，則無需修改系統其它模塊的代碼，只需添加該被控對象的驅動程序、添加所需的功能模塊，即可實現功能的擴充。本模塊主要實現了包括對6－PUS／UPU樣機、虛擬樣機及數據庫這些被控對象的選擇及初始化。

3.2.2 控制模式選擇模塊

該模塊主要是根據用戶的請求，提供被控對象在不同的控制模式下進行切換的功能，并設置相關的參數。不同的控制模式對被控對象的參數設置、各種資源的操作方式、操作權限等均有所不同。為了滿足教學與科研的需要，6－PUS／UPU并聯機構的控制系統應支持本地控制和網絡控制兩種方式。

3.2.3 樣機構型選擇模塊

由于樣機自身特點，可衍變成多種構型。每種構型的運動學模型會有所差別，因此根據構型來配置控制系統。本文目前主要定義了如下構型：6－PUS、6－PUS／UPU。

3.2.4 操作模式選擇模塊

本模塊主要實現兩種操作模式：一是通過下載運動程序到PMAC卡，在運動程序控制下的自動控制模式；二是在用戶在線發送運動指令模式下的手動控制模式。自動控制模式一般用于已知末端執行器的運動軌跡情況下所采用；而手動控制模式一般用在定點位置控制情況下，此時需要實時調用反解模塊進行運動反解。

3.2.5 控制策略選擇模塊

該模塊主要對各種控制模式進行分別控制，只要符合相應的接口范圍，即可以在不改動其它模塊的情況下改變被控制對象的控制策略。本模塊主要的控制策略有：基于關節空間的PID控制、與環境非接觸的力／位混合控制、帶同步器的力／位混合控制、與環境接觸的力／位混合控制等等。

3.2.6 樣機參數設置模塊

樣機在加工裝配后，由于各個部件的制造、裝配誤差，導致并聯機構的理論結構參數與實際參數之間存在誤差，為了提高運動精度，需要對樣機進行標定，標定后需要對相關的樣機結構參數進行補償。此外，在長時間運行后，或某些情況下，也需要對系統的結構參數進行重新補償。該模塊提供了對樣機的結構參數進行設置。

3.2.7 軸控制設置模塊

軸控制設置模塊主要是設置每個驅動分支的控制模式，主要包括每個驅動軸的反饋方式的設置、驅動電機的控制模式的設置這兩部分內容。

每一驅動分支均可以單獨進行相應控制參數的設置。在控制方式選擇中，根據反饋方式的不同，有以下兩種模式可供選擇：半閉環、全閉環方式。半閉環方式：位置反饋信號與速度反饋信號均由電機編碼器產生；全閉環方式：位置反饋信號由光柵尺測得，而速度反饋信息則由電機編碼器反饋實現。當選取不同的控制方式，需要修改PMAC卡相對應的I變量。

每個伺服電機都有3種控制模式：位置控制、速度控制和轉矩控制。在選擇完反饋模式后，可以設置伺服電機的控制模式。當選取不同的軸控制方式時，從PMAC發出的指令則通過8E卡的不同通道發送到各電機驅動器的相應輸入端口。位置控制與速度控制方式轉換，PMAC卡的響應I變量取值需要做相應的調整。

3.2.8 運動學算法模塊

運動學模塊主要實現的功能：參照樣機構型選擇模塊的參數，選取與構型匹配的運動反解模型，結合軌跡規劃中所規劃的速度、運動時間等信息，將經過插補處理模塊處理后的離散線段反解為任務空間上且符合PMAC運動程序格式要求的各個驅動軸的伺服指令。

3.2.9 插補處理模塊

插補處理模塊首先對運動程序進行編譯處理，包括運動程序進行詞法、語法檢查，無誤后，將編譯過的運動程序軌跡段進行粗插補。再將運動程序中的控制代碼轉化為控制系統內部的運動控制程序文件格式。本系統的插補處理模塊目前只提供直線插補方式。各分支運動軌跡的插補由粗、精兩次插補完成，其中粗插補的計算量大，這部分由上位機來完成，插補周期則由低層PMAC控制器的采樣頻率決定，精插補由PMAC完成。本模塊，主要即完成粗插補功能。

3.2.10 回零控制模塊

本模塊分別提供了非冗余驅動下的回零和冗余驅動下的回零兩種回零方式。

在非冗余驅動下，本系統讓所有的驅動分支沿同一個方向運動，當光柵尺讀數頭經過光柵尺上參考零位時被觸發，然后驅動分支再反向移動到距離參考點某一位置的零點，該位置即為零點，也是坐標系的原點。為了兼顧靈活、速度，本模塊分別實現包括6個驅動分支的單獨回零、同時回零功能。

冗余分支采用隨動控制模式。在隨動控制模式下，安裝在冗余驅動分支上的傳感器受到的拉壓力。所采用的回零策略分三步驟：當機器人需要回零時，控制系統將冗余分支的控制模式改為隨動控制模式，此時，冗余分支的驅動器處于力控制模式，并且發送輸入力為零的命令，冗余分支會跟隨動平臺的運動而運動；其它分支首先調整動平臺的位置，讓各分支的回零行程基本相同的情況下，再實施各分支獨立自主地回零；最后，冗余分支再次修改控制模式，改回為冗余控制模式?；谏鲜龅幕亓悴呗?，準確性和效率都比較好。

3.2.11 位置正解計算模塊

在顯示動平臺位姿、動力學控制模式下，都需進行位置求解。本模塊利用Matcom文件翻譯器將求正解的MATLAB程序轉化成VC，程序運行時，調用Matrix的C＋＋數學庫，實時進行正解計算來完成顯示功能。

3.2.12 狀態顯示模塊

為了讓樣機操作人及時了解樣機的運行動態，需要將主要運動部件的狀態信息實時地在屏幕上顯示出來。這些信息主要包括：動平臺的位置信息、各驅動分支的位置和速度信息等等。

3.2.13 信息管理模塊

包括用戶管理子模塊、日志管理子模塊。

用戶管理子功能模塊實現賬號注冊、登陸驗證等。當某用戶試圖登陸控制系統時，控制管理中心把該用戶的信息傳給用戶管理子功能模塊，該模塊調用保存在數據庫中的注冊用戶信息來核實該賬戶的合法性。

日志管理子功能模塊在程序運行后負責機器人整個工作過程中狀態信息記錄和保存。日志管理子功能模塊能對監控模塊的分析結果提取異常情況，以不同顏色提示用戶。且可通過 “日志查詢”命令對以往的日志進行查詢分析。通過對記錄下的數據定期進行對比分析，可以對系統的各零部件性能進行監控評價、預測和優化。

3.2.14 安全監控模塊

為了保證系統能連續、安全地運行，在軟件系統設計了安全監控模塊。為了讓各驅動分支不超出其工作行程，本系統分支桿設計了從里向外三層安全保護：第一級安全保護是通過軟件查詢判斷的方式進行；第二級安全保護是通過光柵尺上的讀寫頭經過光柵尺兩端的限位時產生信號發生跳變，PMAC運動控制器通過中斷方式捕捉信號上升沿，伺服系統立即啟動減速急停；第三級安全保護，采用了行程開關。

4 面向任務型的視圖層

由于SOA／MVC架構的開放性，以及視圖與模型的分離，其視圖層上的各種交互界面可以獨立開發，互不干擾?？梢愿鶕煌膽眯枨?，不同的任務類型，不同的用戶類比開發出不同的交互界面，以滿足不同的需求。所有的視圖均通過模型層的模型獲取數據，只要模型的數據發生變更，各視圖就能獲取最新的數據進行更新顯示。

對應控制層的服務接口，本系統的視圖層提供界面主要有兩大類：一類是基于本地機的內部界面；一類是在遠程主機上運行的外部界面?？杉毣癁椋壕W絡終端界面、Web界面、本地終端界面、任務型控制界面等。

4.1 控制系統本地終端開發

友好的界面設計可提高人機交互的效率及降低誤操作的概率，6－PUS／UPU冗余驅動并聯機構控制系統的本地控制終端人機交互界面如圖4所示。

本地控制終端人機界面主要包括下面的部分：功能菜單、代碼編譯區、指令位姿顯示區、驅動分支滑塊位置和速度顯示區、快捷按鈕區、狀態顯示燈、控制面板部分以及擴展模塊區等。

4.2 基于局域網的網絡終端開發

本系統目前只實現了基于客戶端的網絡控制，服務器端和客戶端通過局域網進行連接。此外為了避免操作人員的不適應度，服務器端和終端的人機交互界面是一致的。

圖4 控制系統人機界面

此外，作為一個多功能測試實驗平臺，其硬件及控制軟件都應具有良好的開放性。為了驗證上海65m射電望遠鏡副面調整機構［9］控制系統的有效性和可行性，本樣機作為驗證機提供了實驗的平臺，基于SOA／MVC架構開發出了基于局域網的測試系統，其控制界面如圖5所示。

圖5 上海65米望遠鏡副面控制系統人機界面

其界面主要添加了包括網絡設置，副面位置顯示，副面調整方式選擇、安全等級選擇、日志管理、點動調整等與副面進行控制的功能模塊、交互按鈕和信息顯示框。

4.3 柔順裝配實驗控制系統終端開發

為了進行柔順裝配實驗［10］，基于本控制系統開發了柔順裝配控制系統。柔順裝配控制系統的人機界面如圖6所示。

為了及時觀察采集卡各測量通道的電壓、預緊電壓和六維力傳感器的測力信息等內容，該界面在原有并聯機器人控制系統功能上加入了六維力采集、處理和顯示以及并聯機器人力控制的部分，實現并聯機器人的運動操控、系統運行狀態顯示以及六維力傳感器的相應的控制功能；傳感器狀態監測部分，用于顯示并聯機器人動平臺受力情況。

5 結束語

圖6 柔順裝配控制系統人機界面

本文根據6－PUS／UPU冗余驅動并聯機構的特點及任務需求，開發了其控制系統。首先針對6－PUS／UPU進行需求分析，進而提出基于SOA／MVC的開放式控制系統架構，然后分別設計完成開放式的模型層、模塊化的控制層和面向任務型的視圖層。該控制系統功能完善，模塊化程度高，可擴展性強，穩定性高，完全滿足機電一體化多功能測控平臺的多任務需求?？刂葡到y的實現證明了SOA／MVC架構可大大增強控制系統的柔性和開放性。

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