基于PLC的仿人機械手臂肩關節的運動控制

摘要：仿人機械手臂具有和人類相似的肩、肘、腕等功能，要求手臂關節具有較高的精度和實時響應性。文章介紹了采用PLC的PID控制功能，通過A/D模塊對關節轉動角度進行實時采集，根據控制要求，輸出PWM信號，最終實現了仿人機械手臂的位置閉環控制。

關鍵詞：PLC；仿人手臂；運動控制

一、引言

隨著計算機軟件技術和芯片的快速發展，用于工業控制的PLC的功能越來越強大，不僅有基本的位操作、數學運算、數據轉換、數據傳送、PID控制等功能，還有專用的模塊可以進行A/D和D/A裝換，對系統的數據進行實時采集、分析和處理。對于閉環控制，在PLC內部可以按照需求編制所需的各種算法的控制程序，對于常見的PID控制算法，在市場上常見的PLC基本都專設有PID模塊。同樣，對于數模轉換和模數轉換，也有專用的A/D或者D/A模塊，A/D模塊就是將一定的模擬量（電壓或電流）轉換為對應的數字量，用于程序控制，D/A模塊就是將一定的數字量轉換為對應的模擬量，用于外部執行機構，這兩種轉換也隨著PLC的發展，精度越來越高。仿人機械手隨著仿生學和機器人學的不斷發展，研究也在不斷地深化發展，已被廣泛應用于多個領域，如服務行業、娛樂行業及醫療服務等。本文介紹了仿人機械手臂原理、利用PLC功能模塊，對仿人機械手臂控制系統進行設計。

二、仿人機械手臂原理

仿人機械手臂要和人有相似的肩關節、肘、腕等功能，從肩部到腕部具有6個自由度；同樣也具有類似有肩部、大臂、小臂及手掌等部件，機械手臂的手掌有真空氣動吸盤來完成近似動作。任何物體在空間中能沿著X、Y、Z三個直角坐標軸的移動和繞著上述個坐標軸的旋轉，一般稱該物體具有6個自由度。三坐標移動能確定物體的空間位置，三坐標旋轉確定該物體的空間姿態，即物體在空間某位置上的方向。機械手臂的設計目的就是讓其能到達某個空間位置及與所取/送的物體所在的方向即姿態相吻合。根據上述原理，仿人機械手臂具有6個自由度就可以達到設計要求。隨著機器人學的發展，六自由度非冗余機器人運動學理論已趨于成熟，具有六自由度的機器人可以完成給定的任意空間位置和姿態。為了實現較好的仿人效果，能夠完成在給定的空間內任意位置和姿態的運送物體的作業任務，同時考慮成本節約，所設計的仿人機械手臂也具有6個關節自由度。

仿人機械手臂的6個自由度按如下分配：肩關節為實現大臂的旋轉、抬起前伸的運動，分配3個旋轉自由度；肘關節為實現前臂的屈伸和旋轉，分配2個旋轉自由度；腕關節為實現本文設計的真空吸盤即類似手掌功能單方向旋轉，分配1個旋轉自由度。圖1為其自由度分配。

三、仿人機械手臂控制原理

該系統工作的控制原理為：在PLC程序內根據運動范圍等要求，設置好各種工作條件，通過PLC的專用脈沖口輸出一定占空比的PWM信號，該信號經過功率放大板模塊放大，驅動氣動高速開關閥組；每個關節的角度通過控制每組2個氣動高速開關閥的通斷時間來確定。對于每個關節的回轉位置信號，可以從安裝的角位移傳感器讀出，通過PLC的A/D轉換模塊，將電壓模擬量信號轉換為數字信號，傳送到PLC當中進行處理，根據PLC內部控制算法，調節PWM信號的占空比，反饋控制氣動高速開關閥組，讓每個關節的角度達到控制要求，最終實現位置閉環控制。

根據設計要求，系統需要12個輸出開關量，一般的計算機數據采集卡輸出端口有限，很難滿足要求；另外，系統要實時控制，需要高速精確的PWM信號。綜合以上考慮，選用定時精確、輸出觸點多的PLC作為本系統的核心控制器。經調查對比，從技術經濟角度分析，現選用帶A/D和D/A轉換擴展模塊的三菱FX2N-48MR型號的PLC作為所設計的仿人肩關節控制系統的控制器。用碼盤式角度編碼器和電位器都能測量角位移。碼盤式角度編碼器測量角位移的方法最便捷，但它體積大、價格高、安裝要求高、而且需要專用的編碼器輸入電路。電位器測量角位移方法簡捷，其輸出值可以直接進入A/D模塊進行轉換，且其體積小，價格低，易于安裝。雖然電位器需要進行標定，但可以通過PLC的模數模塊進行快速標定。因此在本文的控制系統中，測量回轉關節的轉角大小就有3個精密導電電位器（WDS36）來完成，結合控制算法，設計了仿人肩關節氣動與控制系統。

四、仿人機械手臂控制系統設計

由于肩關節具有3個自由度，腕關節可作屈伸，旋轉及環轉運動，屬于人體比較靈活復雜的關節，具有2個自由度。仿人機械手臂設計中的最重要環節就是設計一個具有較高精度的靈活的肩關節及腕關節。采用分解自由度的方法來設計肩關節及腕關節，因為每個關節分別有1個自由度，并且對于每個關節來說比較好構造，且每個關節有較強的堅固性，因此將多自由度的關節分離成獨立的旋轉關節。仿人機械手臂的關節用高速氣動開關閥來控制，關節轉動的角度有關節位置傳感器來獲取，可采用角位移傳感器測量轉動關節的轉角信號；另外，為構成位置閉環負反饋控制系統，提高仿人肩關節的運動控制精度，利用3個角位移傳感器測量與反饋所在的3個轉動關節的轉角信號。圖2為仿人肩關節控制系統的組成框圖，該控制系統主要由核心控制器PLC、A/D模塊、功率放大模塊、氣動高速開關閥組、手臂關節、關節位置傳感器等組成。

五、總結

本文闡述了仿人機械手臂的工作原理，分析系統控制工作原理，詳細介紹仿人肩關節氣動與控制系統構成，并根據系統的控制要求，完成對氣動高速開關閥、其他氣動控制元器件，以及PLC和角位移傳感器等的選型設計，能夠對機械手臂進行準確快速的定位。

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（作者單位：浙江工業職業技術學院）