工業(yè)機械臂及多軸聯(lián)動控制系統(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，多軸機械臂聯(lián)動控制系統(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)動運動控制技術(shù)也發(fā)展迅速。如今，國外運動控制技術(shù)已經(jīng)發(fā)展到了基于PC的運動控制器，而且該技術(shù)的產(chǎn)品已經(jīng)成為市場主流。在我國，對于PC運動控制器的應(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)機械臂及多軸聯(lián)動控制系統(tǒng)是一個值得研究的課題，這方面的研究將有助于我國在工業(yè)和聯(lián)動控制系統(tǒng)方面縮短與國外的技術(shù)差距，從而推動我國的工業(yè)發(fā)展。

【關(guān)鍵詞】 機械臂 多軸聯(lián)動控制 控制器

一、引言

由于機器臂運動學(xué)和動力學(xué)的復(fù)雜性讓機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，對于工業(yè)機械臂及其多軸聯(lián)動控制系統(tǒng)的研究變得十分重要。PC上位機的功能強大，可以用來進行重復(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，運動控制器主要要解決是運動控制，機械臂有多個運動部件，而控制器要對運動部件的位置、速度、角度等運動狀態(tài)進行實時控制，通過上位給定的要求位置，進行運動軌跡、速度和角度計算，并且達到給定的要求。

二、系統(tǒng)方案總體介紹

本設(shè)計是以六軸機械臂作為設(shè)計和研究對象，對多軸聯(lián)動系統(tǒng)進行研究。多軸聯(lián)動系統(tǒng)包括上位機部分，六軸機械臂，下位機控制電路以及機械臂驅(qū)動部分。本設(shè)計中六軸工業(yè)機械臂可通過上位機控制機械臂的速度、每個關(guān)節(jié)的角度、當前機械臂姿態(tài)的存儲，以及按照設(shè)計的運動軌跡進行運動。

三、系統(tǒng)硬件設(shè)計

3.1 機械結(jié)構(gòu)

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

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

3.2 硬件電路設(shè)計

系統(tǒng)的硬件電路主要是對機械臂控制電路。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信息，并對上位機信息作出響應(yīng)。系統(tǒng)的硬件電路包括STM32最小體統(tǒng)、電機的驅(qū)動電路，電源供電電路，上位機信息傳輸接收電路。

四、系統(tǒng)軟件設(shè)計

本系統(tǒng)的軟件部分包涵兩個部分：多軸聯(lián)動控制部分軟件設(shè)計和上位機部分軟件設(shè)計，在上位機上主要是發(fā)送位置，和接收并實時顯示當前機械臂位置。多軸聯(lián)動控制部分接收到上位機傳來的數(shù)據(jù)后并進行處理。多軸聯(lián)動控制系統(tǒng)主要用到算法包括：PID算法、運動學(xué)正解、運動學(xué)逆解、空間描述和變換、操作臂運動學(xué)正解、操作臂運動學(xué)逆解、軌跡插補算法等。

五、控制方式

控制系統(tǒng)一般由控制器、受控對象和反饋測量裝置組成，本系統(tǒng)的受控對象為組成機械臂的關(guān)節(jié)，控制器為上位機，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。

由于機械臂的電機沒有用伺服電機，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，上位機輸出直接給控制器，控制器控制多軸聯(lián)動系統(tǒng)產(chǎn)生作用。開環(huán)控制系統(tǒng)的缺點很明顯，不能保證受控對象的精度，對干擾非常敏感。

六、系統(tǒng)創(chuàng)新

本設(shè)計中，機械臂的各種動作和姿態(tài)可以時刻在PC上位機中顯示，通過PC上位機可以控制多軸聯(lián)動系統(tǒng)的速度、關(guān)節(jié)的角度以及機械臂的姿態(tài)，并對機械臂實時控制。多軸聯(lián)動控制系統(tǒng)上位機的開發(fā)平臺是Windows操作系統(tǒng)，這就使得該PC上位機通用性非常強，而且可以通過網(wǎng)絡(luò)分享數(shù)據(jù)和遠程操控系統(tǒng)。

七、結(jié)束語

本設(shè)計通過設(shè)計一個六軸機械臂并對其的運動軌跡進行研究和分析，其中的多軸聯(lián)動控制算法最為關(guān)鍵，實現(xiàn)簡單，運算速度快，準確度高，對于工業(yè)中的高精度有很強的適用性。本設(shè)計中的機械臂可以實時在上位機上顯示當前位置，并通過上位機控制所要到達的位置。工業(yè)機械臂及多軸聯(lián)動系統(tǒng)的成功研制，將是我國在自動化道路上更進一步。

參 考 文 獻

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