工業(yè)機(jī)械臂及多軸聯(lián)動(dòng)控制系統(tǒng)研究

卿鐘軍+黃永松+許渝東+莫汝友+陳楊順

【摘要】 在工業(yè)上，多軸機(jī)械臂聯(lián)動(dòng)控制系統(tǒng)有著廣泛的應(yīng)用，隨著電子技術(shù)和軟件技術(shù)的發(fā)展，多軸聯(lián)動(dòng)運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)也發(fā)展迅速。如今，國外運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)已經(jīng)發(fā)展到了基于PC的運(yùn)動(dòng)控制器，而且該技術(shù)的產(chǎn)品已經(jīng)成為市場主流。在我國，對(duì)于PC運(yùn)動(dòng)控制器的應(yīng)用與研究還在起步階段，有許多問題需要研究和解決。所以工業(yè)機(jī)械臂及多軸聯(lián)動(dòng)控制系統(tǒng)是一個(gè)值得研究的課題，這方面的研究將有助于我國在工業(yè)和聯(lián)動(dòng)控制系統(tǒng)方面縮短與國外的技術(shù)差距，從而推動(dòng)我國的工業(yè)發(fā)展。

【關(guān)鍵詞】 機(jī)械臂 多軸聯(lián)動(dòng)控制 控制器

一、引言

由于機(jī)器臂運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)的復(fù)雜性讓機(jī)械臂的控制非常困難，普通的線性控制技術(shù)往往不能很有效的控制，所以，對(duì)于工業(yè)機(jī)械臂及其多軸聯(lián)動(dòng)控制系統(tǒng)的研究變得十分重要。PC上位機(jī)的功能強(qiáng)大，可以用來進(jìn)行重復(fù)定位，軌跡規(guī)劃等任務(wù)。本系統(tǒng)是以AMR芯片為控制器核心，運(yùn)動(dòng)控制器主要要解決是運(yùn)動(dòng)控制，機(jī)械臂有多個(gè)運(yùn)動(dòng)部件，而控制器要對(duì)運(yùn)動(dòng)部件的位置、速度、角度等運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，通過上位給定的要求位置，進(jìn)行運(yùn)動(dòng)軌跡、速度和角度計(jì)算，并且達(dá)到給定的要求。

二、系統(tǒng)方案總體介紹

本設(shè)計(jì)是以六軸機(jī)械臂作為設(shè)計(jì)和研究對(duì)象，對(duì)多軸聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行研究。多軸聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)包括上位機(jī)部分，六軸機(jī)械臂，下位機(jī)控制電路以及機(jī)械臂驅(qū)動(dòng)部分。本設(shè)計(jì)中六軸工業(yè)機(jī)械臂可通過上位機(jī)控制機(jī)械臂的速度、每個(gè)關(guān)節(jié)的角度、當(dāng)前機(jī)械臂姿態(tài)的存儲(chǔ)，以及按照設(shè)計(jì)的運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。

三、系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)

機(jī)械臂的機(jī)械結(jié)構(gòu)采用用傳統(tǒng)的機(jī)械臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在搭建機(jī)械臂的過程中，我們首先考慮了機(jī)械臂可以抓起物品的重量，及機(jī)械臂可達(dá)到的功率。其次我們考慮電機(jī)的型號(hào)選擇，電機(jī)的選擇必須滿足如下幾個(gè)方面的要求：

1、電機(jī)的扭矩必須大于最小的負(fù)載扭矩；2、慣量匹配必須合理；3、電機(jī)的扭矩必須要足夠大，這樣機(jī)械臂的速度和效率以及穩(wěn)定性才能得到保障；4、靜態(tài)負(fù)載扭矩、等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等計(jì)算。

3.2 硬件電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的硬件電路主要是對(duì)機(jī)械臂控制電路。控制電路中以STM32為核心芯片，核心芯片處理接受到的上位機(jī)信息，并對(duì)上位機(jī)信息作出響應(yīng)。系統(tǒng)的硬件電路包括STM32最小體統(tǒng)、電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路，電源供電電路，上位機(jī)信息傳輸接收電路。

四、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的軟件部分包涵兩個(gè)部分：多軸聯(lián)動(dòng)控制部分軟件設(shè)計(jì)和上位機(jī)部分軟件設(shè)計(jì)，在上位機(jī)上主要是發(fā)送位置，和接收并實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前機(jī)械臂位置。多軸聯(lián)動(dòng)控制部分接收到上位機(jī)傳來的數(shù)據(jù)后并進(jìn)行處理。多軸聯(lián)動(dòng)控制系統(tǒng)主要用到算法包括：PID算法、運(yùn)動(dòng)學(xué)正解、運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解、空間描述和變換、操作臂運(yùn)動(dòng)學(xué)正解、操作臂運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解、軌跡插補(bǔ)算法等。

五、控制方式

控制系統(tǒng)一般由控制器、受控對(duì)象和反饋測量裝置組成，本系統(tǒng)的受控對(duì)象為組成機(jī)械臂的關(guān)節(jié)，控制器為上位機(jī)，在本系統(tǒng)中沒有反饋測量裝置，因此系統(tǒng)是采用開環(huán)控制的。

由于機(jī)械臂的電機(jī)沒有用伺服電機(jī)，所以不存在反饋量，也就是說系統(tǒng)是采用開環(huán)控制系統(tǒng)的，上位機(jī)輸出直接給控制器，控制器控制多軸聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)產(chǎn)生作用。開環(huán)控制系統(tǒng)的缺點(diǎn)很明顯，不能保證受控對(duì)象的精度，對(duì)干擾非常敏感。

六、系統(tǒng)創(chuàng)新

本設(shè)計(jì)中，機(jī)械臂的各種動(dòng)作和姿態(tài)可以時(shí)刻在PC上位機(jī)中顯示，通過PC上位機(jī)可以控制多軸聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)的速度、關(guān)節(jié)的角度以及機(jī)械臂的姿態(tài)，并對(duì)機(jī)械臂實(shí)時(shí)控制。多軸聯(lián)動(dòng)控制系統(tǒng)上位機(jī)的開發(fā)平臺(tái)是Windows操作系統(tǒng)，這就使得該P(yáng)C上位機(jī)通用性非常強(qiáng)，而且可以通過網(wǎng)絡(luò)分享數(shù)據(jù)和遠(yuǎn)程操控系統(tǒng)。

七、結(jié)束語

本設(shè)計(jì)通過設(shè)計(jì)一個(gè)六軸機(jī)械臂并對(duì)其的運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行研究和分析，其中的多軸聯(lián)動(dòng)控制算法最為關(guān)鍵，實(shí)現(xiàn)簡單，運(yùn)算速度快，準(zhǔn)確度高，對(duì)于工業(yè)中的高精度有很強(qiáng)的適用性。本設(shè)計(jì)中的機(jī)械臂可以實(shí)時(shí)在上位機(jī)上顯示當(dāng)前位置，并通過上位機(jī)控制所要到達(dá)的位置。工業(yè)機(jī)械臂及多軸聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)的成功研制，將是我國在自動(dòng)化道路上更進(jìn)一步。

參 考 文 獻(xiàn)

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