一種工業機器人實驗教學裝置的設計

劉國浩

（聊城大學東昌學院，聊城 252000）

電機是自動化運動控制中的關鍵要素，是實現智能制造工業的核心部件，也是工業機器人中的核心零件，而工業機器人的應用程度體現了一個國家的工業自動化水平。智能制造作為“中國制造2025”的主攻方向[1]，全國265 所高校成功申辦智能制造工程專業。該專業將機械工程、控制工程、計算機技術、嵌入式技術和人工智能技術等學科專業知識有機結合，主要課程包含工業機器人技術、機電傳動與PLC 控制、單片機與嵌入式系統等。工業機器人實驗教學大都采用示教器控制現有工業機器人完成規定動作為主，學生缺乏對工業機器人運動控制理論的理解[2-3]，對其中各關節電機控制知之甚少?？删幊踢壿嬁刂破鳎≒rogrammable Logic Controller，PLC）和單片機實驗教學多采用模塊化實驗臺練習邏輯控制，如搶答器、流水燈、交通燈控制，對電動機的控制方法教學很少。因此，需要一款適合于工業機器人運動學正逆解、多種電機控制方法的綜合性實驗教學裝置。鑒于這個背景，本文研究了一種能滿足專業需求，幫助學生快速掌握6 自由度工業機器人控制原理、步進電機控制方法、伺服電機控制方法、舵機控制方法、PLC 應用以及控制器間通信模式的實驗教學裝置。

1 實驗教學裝置的組成

實驗教學裝置參照現有6 自由度關節機器人結構。機械系統包括底座、腰部、大臂、小臂、腕部和手部[4-5]。驅動系統包括6 個不同類型的電機及所需精密減速器，具體分配如圖1 所示。關節1 旋轉運動，采用交流伺服電動機；關節2 俯仰運動，采用直流伺服電動機；關節3 俯仰運動，采用三相步進電動機；關節4 旋轉運動，采用兩相步進電動機；關節5 俯仰運動，采用大轉矩雙軸數字舵機；關節6 旋轉運動，采用大轉矩單軸總線舵機?？刂葡到y主要包括觸摸屏、樹莓派、交換機、PLC、STM32、Arduino、伺服控制器和步進控制器。

2 驅動系統

依照工業機器人常用參數如最大功率、最大允許力矩和最大允許轉動慣量的需求，有如下要求：關節1 和關節2 需要承載整個機身的工作載荷，因此需要選用較大力矩的電機；關節3、關節4 和關節5 既要提供運轉所需的力矩，又要減輕自身質量，因此可以選用中等力矩的電機；關節6 主要實現手爪的旋轉運動，可以選用較小力矩的電機。

常用的控制類電動機主要包括步進電動機、伺服電動機、力矩電動機、直線電動機以及舵機等。步進電動機可以將接收的脈沖信號轉換為電動機的角位移，進而實現規定的運動。脈沖個數決定了電動機轉動的角度。脈沖頻率的大小決定了電動機轉動的速度。電動機定子繞組的通電方式決定了電動機的旋轉方向。步進電動機接收一個脈沖信號所旋轉的角度稱為步距角。步距角通過控制器還可以進行細分，細分后的微步距決定了步進電動機的運行精度。步進電動機多數采用開環控制方式。伺服電動機可以將電壓信號轉換為轉矩和轉速來驅動執行機構動作。電壓信號的大小決定了電動機的轉速。電壓信號的方向決定了電動機的旋轉方向。伺服電動機多數采用閉環控制方式。伺服電動機可以精確控制運動的速度和位置。伺服電動機的精度取決于編碼器的精度。伺服電動機可以是直流無刷電動機，也可以是交流電動機。伺服電動機具有起動轉矩大、調速范圍廣以及調節特性線性度好的特點。舵機是一種低端小型的伺服電動機，最早應用于航模設計。舵機根據控制方式不同分為數字舵機和總線舵機。根據軸數，它還可以分為單軸舵機和雙軸舵機。

根據上述控制電動機的特點，在滿足實驗教學內容豐富和操作安全的前提下，所設計的6 自由度機械臂應該能抓起0.5 kg 的負載，且操作空間應盡量小。關節1 選用60 交流伺服電動機，關節2 選用86 全閉環直流伺服電動機，關節3 選用57 三相步進電動機配行星減速器，關節4 選用42 兩相步進電動機配行星減速器，關節5 選用雙軸數字舵機LX-225，關節6 選用單軸總線舵機LD-27MG。

3 控制系統

現在高校常用的控制器主要有樹莓派、Arduino、STM32 以及PLC 等。樹莓派是一款功能齊全的微型電腦，運行Linux 操作系統，屬于開源系統，能夠處理視頻流和音頻流，功能強大，采用C/Python 編程語言，硬件資源包含千兆以太網、USB 2.0/3.0、2.4 GHz/5 GHz 雙 頻Wi-Fi、藍 牙5.0、HDMI、GPIO、SPI、I2C 及PWM 等。Arduino 是一款開源的開發平臺，包括硬件和軟件Arduino IDE，版本分為入門級、網絡版、物聯網版、教育版及可穿戴版，硬件包含A/D、PWM、I2C、SPI、UART/USART、USB 及Ethernet等。STM32 面向工控領域，穩定速度快，外設豐富多樣，硬件包含A/D、D/A、PWM、UART/USART、USB、I2C、CAN 及Ethernet 等。PLC 應用于工業領域，主要實現單機控制、自動控制、過程控制，且集成度和可靠性高，可以通過PTO、PWM、總線驅動電動機運行。實驗教學裝置通過觸摸屏發出操作機械臂運動的指令，采用樹莓派為主控制器。樹莓派通過工業以太網連接交換機與觸摸屏、直流伺服驅動器和PLC相連。樹莓派通過USB 轉RS485 與STM32 控制器相連。樹莓派通過USB 轉GPIO 與Arduino 制器相連。直流伺服驅動器通過相應接線驅動直流伺服電動機。PLC 通過相應接線分別驅動兩相步進驅動器和三相步進驅動器，再由驅動器通過接線直接驅動相應步進電動機。PLC 連接交流伺服驅動器通過相應接線驅動交流伺服電動機。STM32 通過接線直接驅動數字舵機。Arduino 通過接線直接驅動總線舵機。實驗教學裝置控制系統模型，如圖2 所示。

伺服電機驅動器連接時應注意電機動力線、電機編碼器線直接插接到相應端口，根據所選的主控制器，選擇相應的通信口或I/O 口連接控制線路，并進行相應的參數設定，選擇所需的控制模式（位置、速度、力矩）。根據所需的電源連接相應端口，進行正確的接地處理。步進電機驅動器接線時應注意細分設定與電流設定值。脈沖控制信號、方向控制信號、使能信號連接主控制器，V+和V-連接電源，A/B 相連接兩相電動機，U/V/W 相連接三相電動機。數字舵機由PWM 控制，脈寬調節角度，頻率50 Hz，脈沖寬度為500 ～2 500 μs，對應舵機的角度范圍為0°～270°。舵機的控制精度是3 μs，在2 000 個脈寬范圍內控制精度能達到0.3°?？偩€舵機使用波特率為115 200 Baud 的串口指令進行控制，根據相應的通信協議即可控制舵機轉動或者讀取舵機信息。

通過該實驗教學裝置，學生可以掌握多種控制器驅動不同電動機的方法，也可以掌握多種控制器間不同的通信方式，如工業以太網、USB 串口、UART 串口及COM 串口等。

4 結語

采用數字舵機、總線舵機、兩相步進電動機、三相步進電動機、直流伺服電動機和交流伺服電動機6種不同類型的電動機，參照工業機器人結構，選取高校常用的控制器樹莓派、PLC、STM32 及Arduino，搭建了一個模塊化實驗教學裝置。學生通過該裝置可以熟悉工業機器人各關節機械結構、運動學正逆解的原理，掌握不同電動機的控制方法，實現工業以太網組網和多種控制器間的通信模式。此外，以樹莓派為主控制器還可以擴展機器視覺在工業中圖像檢測、物體測量、視覺定位及字符識別等典型應用。