基于FOC伺服电机驱动的Parallel Scara Robot的设计及实现

上个学期做了一个BLDC的FOC驱动后，我便开始了基于此类电机驱动的机器人项目尝试。之前想做的是串联机械臂，奈何找不到合适的电机并且串联机械臂十分需要减速机，使得项目对于我来说（经济方面）很艰难，恰巧又在Youtube上看到很多做并联机器人的视频,就算没有减速机也能做到不错的效果，于是便开始了Parallel Scara Robot的设计及实现

一、首先是机械机构的设计

我设计成了双臂在基盘上面的机构，同时为了保证末端执行器能有3个方向的操作空间，将左右两臂的高度区分开，同时高臂的杆长应该比低臂要长。如图1-1：

 

图 1-1 模型及实物图 

上图中，两个电机分别固定于铝板下方，电机轴连着短臂，每个连杆间使用圆锥滚子轴承连接，后来实践发现，这样的结构是存在很大问题的。

二、然后是软件工具的设计

当然在设计机械模型前，我自己用Qt写了个操作空间的模拟UI界面（Github.com），并且基于先前的伺服驱动上位机（Github.com）另外开发了一个适配该并联机器人的上位机（Github.com），后者可以使用一个测试demo通过CAN协议控制下位机(parallel scara)做周期动作，并在上位机中实时显示电机转轴的位置速度和加速度，有了这个工具，我就可以很方便的查看电机的响应特性，通过正逆运动学还可以方便的看到末端执行器的二维位置和速度，如图2-1：

图 2-1 操作空间模拟

三、然后就是正运动学和逆运动学及动力学

由于该机械机构简单，为一个2自由度的并联机器人，可以通过几何的方法很快的得到解析解，由于并联机构的动力学较为复杂，我这里并没有使用。

四、关于控制方法和轨迹规划方法

接上篇FOC驱动的随笔，电机驱动使用pid三环控制，从内到外分别为电流环，速度环，位置环，这些参数的调整很大程度上会决定机械臂最终的表现性能，比例参数调大则会使得系统响应速度的上限提高，静差下降，但会带来一定的震荡，需要配合微分参数调整，同时由于我的第一版（虽然焊了好几次，但目前可能由于两层上下板结构导致信号线过长以至于EMC设计的不好，姑且叫第一版）目前存在干扰问题，过大的比例参数导致电流偏大，使得单片机死机，所以目前的机械臂响应速度受到限制，具体的响应曲线如图4-1：

图 4-1 左右图对应不同的参数，可以看到右图曲线更加平稳

在轨迹规划上我分别测试了两种方案，一是三次样条插值，效果如上图4-1所示，另一个是梯形速度控制，后者由于控制的是速度，难免存在由于速度控制有迟滞导致位置不准的情况，就算到最后使用位置控制也会存在较为明显的震荡发生。

五、实验视频

由于硬件的限制，这里只放出一般速度的实验视频：

链接:https://pan.baidu.com/s/1KrlsFwp_10tySqM4BH5dtw 提取码:umu6