智能机器人控制HIFU的插补算法研究

陈钢++蔺静茹++穆卫锋++谭嘉文

摘 要

随着现代智能科学技术的发展，现代智能机器人的设计更加趋向现代化，高强度聚焦超声串并联机器人具有的独特结构特点，采用的HIFU插算法及补算法相结合，从而满足智能机器人的电机轴动态性能条件。本文主要分析智能机器人的结构，并分析HIFU的插补算法。

【关键词】智能机器人 HIFU 插补算法控制

智能机器人是通过串联结构和并联结构的相互结合而形成的智能化程序，通过插补算法和传统的运算方式，来控制机器人的行为规范。通过插补算法的方式相对于传统的算法来说，增加了并联部分的在线反解计算，相应的对其串联机构进行协调运动，同时能够加强非线性的精度变化测算。

1 智能机器人的基本运算结构

根据图1来看，HIFU控制智能机器人的基本结构分为两个部分，上半部分主要是工作平台，通过安装底座的十字工作台支撑架来固定。在由步进电机和丝杠螺母共同组成的移动装置，来带动工作床面的移动，同时还能够定位病灶。而下半部分则是由动平台、超声换能器以及支撑杆等几个祖坟组成，通过支撑杆将三个球面连接起来，同样的支持干长度，一端连接销轴，一端连接滑台，从而组成三个转东副。在三个支撑杆中，销轴都是垂直于支撑杆的。

在智能机器人的底座上，同样有三根立柱，通过立柱将移动副进行固定安装，丝杆的轴线方向垂直。这样的机器人结构空间较小，摆动的角度小于20度，在十字工作台上，x轴和y轴的行程都相对较小，其静平台外接圆的半径长度不超过162mm，定杆长度不超过300mm，其中HIFU的中心垂直高度在205mm左右。

2 智能机器人HIFU控制的插补算法

在智能机器人的结构分析中，我们可以看到，智能机器人的并联结构有着虚

实映射的问题，所以在操作过程需要将离散点进行匀速运动，在映射中，将变成在关节空间中的变速运动。通过PMAC运动插补算法进行计算，根据笛卡尔坐标定义进行开发，而不是直接通过操作空间的刀具轨迹实现运动控制。同时在运算过程中，通过二次插补算法，上下位计算机在操作中完成进一步的精细算法。

在算法中，第一次粗插补是由工控机实现，具有具体的任务，通过运动指令的解释翻译，轨迹段位置有离散处理，或者瞬间进行的速度插补。在这次算法中，一般会使用时间分割线，在某一个时间周期内，通过定时中断，计算目标轨迹的坐标轴增量，同时也叫做数据采样的位置控制。第二次算法是精插补，面向电机轴，通过PMAC来完成，主要是对位置进行控制，在电机加速或者减速过程中进行安全运行。

在此次运动中，PMAC控制卡提供了三种不同的插补方式，其中直线插补是最基础的部分，处理方式相对来说比较简单，通过起点终点以及速度的限制，提供直线插补具有s曲线加速，以及梯形加速直线插补，在指令之间具有运动融合功能。在运动指令的序列中，可以通过读取两三行指令，在节点的位置进行加速或者减速的处理，从而减少冲击，提高平均速度。一般来说，直线插补是利用g01的指令，通过圆弧插补，顺时针和逆时针两种方向；第二，是样条插补的方式，通过样条插补的抓取控制，保障智能机器人的速度和加速度具有连续性，同时还能接触一定的冲击，保证指令的节点位置相对较低，保障位置的精度。通过样条插补的方式，在各个节点位置的加速度不连续性得到解决，不同程度的冲击缓解也得到處理，尽可能的控制由于加速福超过电机的限制而造成的风险，或者是位置和时间曲线的畸形。在电机的可限制条件下，要注意系统中的插补算方式，利用其中哪个方式来进行运算。

特别是在加速度的控制中，需要运用插补算法控制整个系统以及驱动系统的惯性，保障其速度的匀速，不发生冲击或者振动等问题，尽可能减少动态误差，保障其焦点的精度，并减少电机轴中加速度超限的情况，通过对原来的设计轨迹进行加速处理，在不同的位置实现精确运算，在加速度之前，或者在减速之后。一般来说，在加减速处前的处理方式，是在操作空间中进行的，通过轨迹较大的改变，包括对突变或者超速等问题，要对离散点进行速度曲线的限制，完成指数形式的加速或者减速，这时候，插补的方式进行修正。如图2所示。

而加减速后的插补运算则是在关节空间中进行的，通过映射为关节中的序列号，从而完成速度的均匀控制。前一种运算又是主要是对运动轨迹的轮廓不会造成较大的影响，而缺点则是需要对加速或者减速的参数进行精确的计算。后第二种运算的主要有点则刚好相反，在智能机器人中，需要输入和输出复杂的非线性映射，采用改种方式进行运算的时候，焦点的运动情况相对来说比较复杂。通过精确的分析，保障其运动轨迹的合理性，同时有效控制速度。一般来说，PMAC具有相应的加减速功能，能够相应的完成加减速的插补运算，对用户保持透明性，但是不对其进行任何的干预。

在HIFU插补算法中，其中比较重要的是对插补前的时间常数以及周期的选择。插补节点之间的加速度极有可能造成跳变和超越的情况，通过插补运算，在智能机器人的HIFU焦点轨迹上进行插补，加大可能的消除指令轨迹的突变，并保障整个轨迹在各种速度和加速度上的参数不超过限制，采用合适的做法，用指数形式以及插补加减速原则，同时使用精插补的方式，保障其速度正常。

一般来说，加速度的常熟直接取决于智能机器人中的电机轴行程指标，而其最高的运行速度一般不会超过5kHz，电机中的最高加速度的自安置为80kHz，因而在电机伺服系统中，有可能存在低频振动的问题，但是由于串并联的运行速度区间，发改了电机的动态范围，因而需要通过电机来进行问题的解决。同时在实际的处理过程中，还需要对电机轴的速度进行必要的限制。

参考文献

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[2]张兆印.六自由度并联机器人的运动学分析[J].黑龙江大学自然科学学报，1992（02）.

[3]王强.六自由度工业机器人的运动轨迹插补算法的研究[J].浙江工业大学，2011.

作者单位

浙江大学深圳研究院 广东省深圳市 518000