機(jī)械臂控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

機(jī)械臂控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)工業(yè)機(jī)械臂是近代自動(dòng)控制領(lǐng)域中一項(xiàng)新的技術(shù)，發(fā)展由于積極的作用被人們重視，機(jī)械臂是機(jī)器人的重要組成部分，機(jī)械臂主標(biāo)簽：機(jī)械臂；控制；系統(tǒng)；設(shè)計(jì)一、設(shè)計(jì)選型分析關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)分析機(jī)械臂按照運(yùn)動(dòng)形式可以分為直角坐標(biāo)型、圓柱坐標(biāo)型、關(guān)節(jié)型、極坐標(biāo)型，直角坐標(biāo)型的臂部由三個(gè)相互正交的移動(dòng)副組成，帶動(dòng)腕部分別沿著X、Y、Z三個(gè)坐標(biāo)軸的方向作直線移動(dòng)，而且結(jié)構(gòu)十分的簡單，運(yùn)動(dòng)位置精確度很高，但是占得空間很大，工作范圍很小，圓柱坐標(biāo)型的臂部由一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副和兩個(gè)移動(dòng)副組成，占的空間很小，工作范圍大，可以在狹窄空間內(nèi)繞過各種障礙物，二極坐標(biāo)型的臂部是由兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副和一個(gè)移動(dòng)副組成，產(chǎn)生沿手臂軸X的直線移動(dòng)，繞基座軸Y的轉(zhuǎn)動(dòng)和繞關(guān)節(jié)軸Z的擺動(dòng)，手臂可作繞Z軸的俯仰運(yùn)動(dòng)，并且抓住地面的物體，采用關(guān)節(jié)型的基礎(chǔ)上，局部結(jié)合三種進(jìn)行設(shè)計(jì)。對于臂部的設(shè)計(jì)應(yīng)該滿足承載能力足、剛度高、導(dǎo)向性能好、定位精度高、重量輕、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小、與腕部和機(jī)身的連接部位設(shè)計(jì)合理。由于手臂是支承手腕的部件，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該考慮抓取物體的重量或者是攜帶工具的重量，還有就是考慮運(yùn)動(dòng)時(shí)的動(dòng)載荷及轉(zhuǎn)動(dòng)慣性，為了可以有效的防止臂部在運(yùn)動(dòng)的時(shí)候產(chǎn)生變形，手臂的截面形狀應(yīng)進(jìn)行合理的選擇，對于工字型截面的彎曲剛度會(huì)比圓截面大，空心管的彎曲剛度和扭轉(zhuǎn)剛度比實(shí)心軸大，為了可以有效的防止手臂直線運(yùn)動(dòng)的時(shí)候，沿著運(yùn)動(dòng)軸線發(fā)生相對轉(zhuǎn)動(dòng)，應(yīng)該設(shè)置導(dǎo)向裝置，還可以采用一些緩沖措施，為了提高其運(yùn)動(dòng)的速度，可以減少臂部運(yùn)動(dòng)部分的重量，減少手臂對回轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，還有就是臂部安裝的形式和位置關(guān)系到其強(qiáng)度、剛度和承載能力，直接影響其外觀。驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)分析對于驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)可以分為開環(huán)控制和閉環(huán)控制，為了可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制和精確定位等要求，使用帶有反饋的閉環(huán)控制系統(tǒng)，也叫做伺服系統(tǒng)，伺服系統(tǒng)可以分為液壓伺服系統(tǒng)和電動(dòng)伺服系統(tǒng)，所以應(yīng)該考慮到機(jī)械臂的重量、體積、使用方便，應(yīng)該使用精度高、信號處理靈活、結(jié)構(gòu)緊湊、質(zhì)量小的電動(dòng)伺服系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)同步型交流伺服電機(jī)?？刂葡到y(tǒng)設(shè)計(jì)分析對于控制系統(tǒng)的單元要素有電動(dòng)機(jī)、減速器、驅(qū)動(dòng)電路、運(yùn)動(dòng)特性檢測傳感器、控制系統(tǒng)硬件、控制系統(tǒng)軟件，對于機(jī)械臂的控制方式分為點(diǎn)位式、軌跡式、力矩控制式的智能控制式，機(jī)械臂的點(diǎn)位式控制可以實(shí)現(xiàn)其具有高精度，對于軌跡式是采用跟蹤系統(tǒng)的原理，力矩控制式的輸入量和反饋量都是力矩信號，系統(tǒng)中應(yīng)該有力矩傳感器，利用接近、滑動(dòng)傳感器進(jìn)行控制。對于硬件系統(tǒng)上應(yīng)該采用二級計(jì)算機(jī)控制，第一級擔(dān)負(fù)系統(tǒng)監(jiān)控、作業(yè)管理和實(shí)時(shí)查補(bǔ)的任務(wù)，結(jié)果作為伺服位置信號，控制第二級，而第二級是各關(guān)節(jié)的伺服系統(tǒng)。二、 機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)控制方案運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)是機(jī)械臂控制系統(tǒng)中的核心部分，硬件包括工業(yè)控制計(jì)算機(jī)、從手伺服控制單元、機(jī)械臂控制單元、碼盤數(shù)據(jù)采集卡、外圍電路板等部分?；贑AN總線的伺服運(yùn)動(dòng)控制單元CAN總線驅(qū)動(dòng)能力很強(qiáng)，在短距離的時(shí)候具有高速數(shù)據(jù)傳輸能力，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)一共有127個(gè)，所有參加CAN總線的分系統(tǒng)通過控制單元上的總線接口進(jìn)行數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收，當(dāng)一個(gè)單元出現(xiàn)問題是不影響其他單元的工作，CAN的驅(qū)動(dòng)能力很強(qiáng)，選擇合理支持CAN總線的驅(qū)動(dòng)器，通過CAN總線與USB轉(zhuǎn)接口與工控機(jī)通信，便于整體控制與協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)?；谶\(yùn)動(dòng)控制卡的伺服運(yùn)動(dòng)控制單元運(yùn)動(dòng)控制卡：對于運(yùn)動(dòng)控制卡的選擇固高公司生產(chǎn)的GE系列運(yùn)動(dòng)控制器，這種控制器的核心由DSP和FPGA組成，有效的控制8個(gè)軸協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)，編程梯形曲線規(guī)劃和S曲線規(guī)劃，控制器支持模擬量與脈沖量輸出方式，具有16路通用數(shù)字I/O端口，而且每個(gè)軸都有信號捕獲、編碼器Index信號捕捉、電機(jī)正負(fù)限位功能。電機(jī)與驅(qū)動(dòng)器：機(jī)械臂的移動(dòng)關(guān)節(jié)實(shí)現(xiàn)其整體的升降，而且承載力很大，需要提供約200W的輸出功率，決定采用交流電機(jī)實(shí)現(xiàn)，選擇安川交流伺服雷機(jī)，根據(jù)電機(jī)的功率，選擇ACJ-055-18型直流伺服驅(qū)動(dòng)器和ACK-055-06型直流伺服驅(qū)動(dòng)器。三、 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)軟件總體結(jié)構(gòu)對于機(jī)械臂控制系統(tǒng)根據(jù)完成功能的不同劃分為控制部分、規(guī)劃部分、輔助部分，采用面向?qū)ο笤O(shè)計(jì)方法在控制軟件中把幾部分封裝到相應(yīng)類中，有電機(jī)類、控制類、規(guī)劃類、輔助類。電機(jī)類主要是控制單個(gè)電機(jī)運(yùn)動(dòng)，封裝運(yùn)動(dòng)控制器對電機(jī)操作的所以接口函數(shù)，更換不同型號的運(yùn)動(dòng)控制器，重新編寫成員函數(shù)的具體實(shí)現(xiàn)代碼，有效的提高軟件的通用性和擴(kuò)展性?？刂祁愔饕秦?fù)責(zé)總體管理電機(jī)使其協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)，通過控制各關(guān)節(jié)對應(yīng)的電機(jī)類，由電機(jī)類直接控制電機(jī)實(shí)現(xiàn)協(xié)調(diào)電機(jī)運(yùn)動(dòng)。規(guī)劃類是實(shí)現(xiàn)軌跡規(guī)劃，由于機(jī)器人的不同動(dòng)作規(guī)劃方式也是不同的，所以每個(gè)動(dòng)作都對應(yīng)規(guī)劃類，其中包括運(yùn)動(dòng)學(xué)、逆運(yùn)動(dòng)學(xué)、主從手運(yùn)動(dòng)學(xué)轉(zhuǎn)換關(guān)系式等函數(shù)。輔助類用在管理及輔助性操作，包括通過串口語數(shù)據(jù)采集卡分別獲取外置光電編碼器反饋的脈沖數(shù)、控制電磁離合器吸合?？刂栖浖娜蒎e(cuò)性設(shè)計(jì)對于操作者的使用軟件無法避免誤操作，在運(yùn)行中如果控制軟件不能檢測出這種錯(cuò)誤，對機(jī)械臂造成損壞，所以需要容錯(cuò)性設(shè)計(jì)。跟蹤誤差極限：在實(shí)際位置誤差之后超出預(yù)設(shè)值，控制器中斷出錯(cuò)電機(jī)，發(fā)送運(yùn)動(dòng)出錯(cuò)指令，這種情況位置反饋消失、系統(tǒng)響應(yīng)速度很慢或者是電機(jī)發(fā)生故障。速度限制：在進(jìn)行主從控制中，操作主手動(dòng)作太快，關(guān)節(jié)速度很大，影響運(yùn)動(dòng)精度的時(shí)候，使手術(shù)帶來很大的風(fēng)險(xiǎn)，在運(yùn)動(dòng)時(shí)檢測運(yùn)動(dòng)速度，速度接近電機(jī)極限速度時(shí)，進(jìn)行警告，連續(xù)兩次運(yùn)動(dòng)速度太大的時(shí)候，機(jī)械臂就會(huì)停止運(yùn)動(dòng)。位置限制：軟件對增加機(jī)械臂極限位置的限制，運(yùn)行到接近機(jī)械臂極限位置時(shí)，操作者感到阻力增加，當(dāng)超出極限位置時(shí)，從手自動(dòng)停止運(yùn)動(dòng)。四、運(yùn)動(dòng)規(guī)劃對于機(jī)械臂末端從初始位置運(yùn)動(dòng)到無標(biāo)位置時(shí)，是關(guān)節(jié)空間中機(jī)械牛軌跡規(guī)劃，把關(guān)節(jié)變量映射成時(shí)間的函數(shù)，并且規(guī)劃其時(shí)間導(dǎo)數(shù)，指定末端器械的起始位資、終止位資以及中間位資后首先通過運(yùn)動(dòng)學(xué)吧路徑點(diǎn)轉(zhuǎn)換成關(guān)節(jié)角度值對關(guān)節(jié)擬合光滑函數(shù)，通過路徑點(diǎn)，到達(dá)目標(biāo)點(diǎn)。帶拋物線過渡的之間插補(bǔ)對于各關(guān)節(jié)在相鄰路徑點(diǎn)之間采用線性插值，有效的避免角速度突變，插值采用拋物線過渡，運(yùn)動(dòng)控制卡提供帶拋物線過渡的直線插補(bǔ)函數(shù)，可以進(jìn)行直接的調(diào)用。多項(xiàng)式插補(bǔ)對于多項(xiàng)式插補(bǔ)，對于每次運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)有三段運(yùn)動(dòng)軌跡，首先是由初始點(diǎn)到提升點(diǎn)的軌跡用四次多項(xiàng)式表示，其次就是由提升點(diǎn)到下方點(diǎn)的軌跡用三次多項(xiàng)式表示，最后由下放點(diǎn)到終止點(diǎn)的軌跡由四次多項(xiàng)式表示。為了滿足一定的條件，對于各關(guān)節(jié)的位移、速度、加速度在實(shí)踐間隔內(nèi)連續(xù)性要求，極值應(yīng)在各關(guān)節(jié)變量的允許范圍內(nèi)。結(jié)語：隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，自動(dòng)化程度也是越來越高，市場競爭十分的激烈、人工成本增加，過去人工操作的搬運(yùn)和固定式輸送帶為主的傳統(tǒng)物件搬運(yùn)方式，占用空間不容易變更生產(chǎn)線結(jié)構(gòu)，需要很多人力監(jiān)督操作，使得生產(chǎn)成本增加，過去的生產(chǎn)裝料裝置無法滿足現(xiàn)在高度自動(dòng)化的需要，減輕勞動(dòng)強(qiáng)度、保證生產(chǎn)的可靠性、安全性、降低生產(chǎn)成本、減少環(huán)境污染、提高產(chǎn)品的質(zhì)量及環(huán)境效益是企業(yè)需要考慮的問題，所以應(yīng)該充分的利用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)設(shè)計(jì)機(jī)械臂控制設(shè)計(jì)工作，增加企業(yè)的競爭能力。參考文獻(xiàn)：［1］ 崔帆；基于CAN總線的機(jī)械臂網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)［D］；國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)；2011年［2］ 韓致信；嚴(yán)鐳；任燕宏“七自由度仿人機(jī)械手的逆運(yùn)動(dòng)學(xué)分析［J］；科學(xué)技術(shù)與工程；2011年08期［3］ 房娟；；機(jī)