中文引用格式：韩德强，王新雨，杨淇善. 一种串联机械臂多轴同步控制方法的研究与实现[J]. 电子技术应用，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.
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以机械臂为代表的工业设备，直接影响着制造业生产水平。在实际生产中的喷漆、焊接等场景下，人们对机械臂提出了进一步的要求：希望机械臂不仅能够保证对空间点的定位精度，还要能够保证对运动轨迹的跟踪精度。
常见的机械臂属于串联机器人，其末端执行器的位置由多个中间关节共同作用决定，仅分别独立地减少各个关节轴跟踪误差并不能确保减小机器臂末端执行器的轨迹误差，此时便需要进行多轴运动同步控制，确保多个电机协同配合完成工作[1-3]。
常见的多轴同步控制策略有：主从结构控制、耦合结构控制、虚拟主轴控制等[4]。在实际应用中，依靠耦合结构提高同步控制精度的方法得到了广泛重视。耦合同步主要有交叉耦合、偏差耦合和相邻耦合等方式。交叉耦合结构局限于两台电机之间，不适用于多轴机械臂；偏差耦合结构结合所有轴的状态对各轴进行修正，但当电机个数较多时，会导致计算量增加；相邻交叉耦合结构通过实现局部同步延伸至全局同步，但与偏差耦合结构相比可能会存在同步误差大、同步速率慢的缺点[5-6]。
结合不同的控制结构，已有工作从减小系统末端轨迹误差的角度进行了研究：吴言穗等基于交叉耦合结构，针对两轴雕刻机系统，进行了加工轮廓误差分析，提出一种适用于平面内位置闭环控制与轮廓误差补偿控制的非线性 PID 控制器[7]；Ouyang等设计了一种适用于串联机械臂系统，能够有效减小系统的轮廓跟踪误差的相邻交叉耦合控制器，但仅在平面内对三关节机器人进行了分析与仿真验证[8]。
目前多电机位置同步的研究大多针对二维轨迹，对于三维轨迹误差分析以及在空间多自由度机器人系统中应用的相关工作较少。因此，本文首先对空间轨迹进行了分析，得到三维轨迹误差的表示方法；随后，根据串联机械臂的运动学特征，基于偏差耦合结构，得出各关节轴的同步修正量；之后，介绍了本文中自制实验平台的软硬件设计思路，并基于现场可编程逻辑门阵列(Field Programmable Gate Array，FPGA)构建了运动控制系统；最后，在实验平台上通过对比实验的方式检验了本文中的同步控制方法。
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作者信息：
韩德强，王新雨，杨淇善
（北京工业大学 信息学部，北京 100124）
