多功能六軸機器人機械手臂控制系統(tǒng)研究

摘要：在工業(yè)生產(chǎn)過程中，機械臂通常也被叫做工業(yè)機器人，是能夠幫助很多工廠實現(xiàn)現(xiàn)代化道路的重要設備之一。為了工業(yè)的發(fā)展跟祖國的繁榮富強，對工業(yè)機器人的研究和投入使用具有很高的價值和現(xiàn)實意義。

關(guān)鍵詞：機械臂;控制;設計

1、手臂系統(tǒng)簡介

機械手臂是一種新興智能化機械設備，可以準確接收指令并自動完成，具有較強的智能性與高效性。機械手臂的工業(yè)生產(chǎn)中的廣泛使用可以有效規(guī)避安全風險，大大提升生產(chǎn)效率與產(chǎn)品質(zhì)量。有鑒于此，此次研究將針對機械手臂的動態(tài)抓取機理進行細致分析，將其應用到機械手臂的設計中，旨在構(gòu)建出更加高效的機械手臂系統(tǒng)設計方案。

2、系統(tǒng)設計

2.1 硬件設計

根據(jù)以上機械手臂運動控制系統(tǒng)的功能，機械手臂的運動控制系統(tǒng)硬件可分為上位機、DSP 芯片及其外設電路、電機驅(qū)動電路、電源模塊、舵機模塊以及數(shù)據(jù)采集模塊，如圖1所示。主控模塊主要由DSP2812控制器及外圍電路組成。位置傳感器監(jiān)測機械手臂的位置以及運轉(zhuǎn)角度，實時采集機械手臂的運動信號，反饋給DSP芯片。[1]DSP 芯片再通過與上位機的指令信號比對，通過積分分離 PID 控制策略進行計算處理，精確調(diào)節(jié)占空比對 PWM 進行輸出控制，從而輸出給驅(qū)動電路，驅(qū)動舵機進行轉(zhuǎn)動調(diào)節(jié)，進而實現(xiàn)對機械手臂的精準運動控制。用戶不僅通過上位機將運動指令（控制信號）傳輸?shù)?DSP，同時 DSP 也將監(jiān)測到的機械手臂實時位置信號送回到上位機進行顯示。[2]

2.2 軟件設計

DSP 軟件設計是整個系統(tǒng)設計的關(guān)鍵部分之一，系統(tǒng)的功能以及控制算法最終要通過 DSP 軟件來實現(xiàn)。根據(jù)機械手臂運動系統(tǒng)的工作原理，系統(tǒng)軟件主要完成以下工作。

（1）采集上位機用戶的指令信號和機械手臂實時位置反饋信號。

（2）實現(xiàn)誤差計算和積分分離 PID 控制算法。

（3）計算 PWM 波的占空比。

程序采用模塊化設計，以 C 語言和匯編語言混合編程實現(xiàn)。主程序主要有系統(tǒng)的初始化、A/D 信號采集、PID 控制算法以及 PWM 波的占空比計算等4個模塊。系統(tǒng)的初始化是對各硬件單元的 I/O 口、寄存器以及初始角度等給定一個初始值，為系統(tǒng)運行做好準備。信號采集模塊主要是對舵機運動軌跡位置的反饋采集，這是閉環(huán)控制的重要環(huán)節(jié)，反饋信號的準確性直接影響了機械手臂運動過程監(jiān)督的準確性，并且對芯片有效計算出控制量起著至關(guān)重要的作用。在數(shù)據(jù)處理階段，本文采用積分分離 PID 算法作為機械手臂運動控制系統(tǒng)軟件單元的控制策略，用于對運動軌跡執(zhí)行的控制量進行快速準確處理。通過對 PWM 波占空比的計算，輸出控制電流給驅(qū)動電路，完成對舵機的控制。

3、算法設計

3.1建立運動學模型

具有三維開環(huán)鏈結(jié)構(gòu)的機械手分別由基座、增幅臂和旋轉(zhuǎn)手臂組成，可通過肩部旋轉(zhuǎn)和俯仰、肘部和腕部俯仰、腕部偏轉(zhuǎn)和旋轉(zhuǎn)6個旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)實現(xiàn) 6 個自由度的運動，進而保證機械手在工作空間中的所有位置狀態(tài)。[3]

建立參考坐標系和關(guān)節(jié)坐標系，再用齊次方程描述機械臂各連桿的空間幾何關(guān)系，用4×4齊次矩陣來表示相鄰連桿之間的幾何關(guān)系，再算出機械臂相對于參考坐標系的后端地址。鑒于該坐標系中存在偏移量α1和 α2，故x1、x2 和 x3 的空間關(guān)系并不重合。

3.2運動控制算法

運動軌跡和速度是機械臂兩大控制變量，軌跡控制算法是機械臂控制系統(tǒng)的最關(guān)鍵部分。相對于二維軌跡控制算法，六自由度軌跡控制算不是二維插補算法的簡單組合，綜合曲線特征，采用分段曲線逼近擬合軌跡曲線。為了提高擬合度，須精確計算出各段曲線交點值，以保證運動狀態(tài)參數(shù)的連續(xù)性?？紤]到既要使機械臂能沿著既定的軌跡運動，又要確保運動過程中的實時可控性，本文采用Trial Mode運動模式的控制算法，即通過階梯形分割其速度曲線，在每個采樣周期內(nèi)分段進行提取設計，確保對插補算法指定軌跡進行約束。

4、總結(jié)

計算機技術(shù)的發(fā)展蒸蒸日上，其應用范圍也愈來愈廣，工廠中的機械設備與計算機技術(shù)進行有機的結(jié)合，大量智能化的機械設備不斷涌現(xiàn)，其中機械手臂是應用最為廣泛的工業(yè)設備之一。為了對機械手臂的動態(tài)抓取功能進行優(yōu)化，提升工業(yè)生產(chǎn)的效率，對機械手臂的運作機理及其伺服電機等方面進行深入的探析與實驗，顯著提升其工作性能。此次研究盡管有幸取得一定的成果，但受到實驗條件的限制，得出的結(jié)果不夠全面，希望在未來的研究中能夠進行更加深入且全面的實驗分析。

參考文獻：

[1] 孫龍飛，房立金.機械手臂結(jié)構(gòu)設計與性能分析[J].農(nóng)業(yè)機械學報， 2017.

[2] 錢東海，王新峰，趙偉等.基于旋量理論和Paden-Kahan子問題的6自由度機器人逆解算法[J].機械工程學報，2009.

[3] 喻學濤.機械手臂轉(zhuǎn)角自動控制器設計與改進[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2017.

作者簡介：夏明（1996.05-），山東交通學院本科學生，指導老師：李光。