基于PLC的仿人機械手臂肩關(guān)節(jié)的運動控制

摘要：仿人機械手臂具有和人類相似的肩、肘、腕等功能，要求手臂關(guān)節(jié)具有較高的精度和實時響應性。文章介紹了采用PLC的PID控制功能，通過A/D模塊對關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動角度進行實時采集，根據(jù)控制要求，輸出PWM信號，最終實現(xiàn)了仿人機械手臂的位置閉環(huán)控制。

關(guān)鍵詞：PLC；仿人手臂；運動控制

一、引言

隨著計算機軟件技術(shù)和芯片的快速發(fā)展，用于工業(yè)控制的PLC的功能越來越強大，不僅有基本的位操作、數(shù)學運算、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)傳送、PID控制等功能，還有專用的模塊可以進行A/D和D/A裝換，對系統(tǒng)的數(shù)據(jù)進行實時采集、分析和處理。對于閉環(huán)控制，在PLC內(nèi)部可以按照需求編制所需的各種算法的控制程序，對于常見的PID控制算法，在市場上常見的PLC基本都專設有PID模塊。同樣，對于數(shù)模轉(zhuǎn)換和模數(shù)轉(zhuǎn)換，也有專用的A/D或者D/A模塊，A/D模塊就是將一定的模擬量（電壓或電流）轉(zhuǎn)換為對應的數(shù)字量，用于程序控制，D/A模塊就是將一定的數(shù)字量轉(zhuǎn)換為對應的模擬量，用于外部執(zhí)行機構(gòu)，這兩種轉(zhuǎn)換也隨著PLC的發(fā)展，精度越來越高。仿人機械手隨著仿生學和機器人學的不斷發(fā)展，研究也在不斷地深化發(fā)展，已被廣泛應用于多個領(lǐng)域，如服務行業(yè)、娛樂行業(yè)及醫(yī)療服務等。本文介紹了仿人機械手臂原理、利用PLC功能模塊，對仿人機械手臂控制系統(tǒng)進行設計。

二、仿人機械手臂原理

仿人機械手臂要和人有相似的肩關(guān)節(jié)、肘、腕等功能，從肩部到腕部具有6個自由度；同樣也具有類似有肩部、大臂、小臂及手掌等部件，機械手臂的手掌有真空氣動吸盤來完成近似動作。任何物體在空間中能沿著X、Y、Z三個直角坐標軸的移動和繞著上述個坐標軸的旋轉(zhuǎn)，一般稱該物體具有6個自由度。三坐標移動能確定物體的空間位置，三坐標旋轉(zhuǎn)確定該物體的空間姿態(tài)，即物體在空間某位置上的方向。機械手臂的設計目的就是讓其能到達某個空間位置及與所取/送的物體所在的方向即姿態(tài)相吻合。根據(jù)上述原理，仿人機械手臂具有6個自由度就可以達到設計要求。隨著機器人學的發(fā)展，六自由度非冗余機器人運動學理論已趨于成熟，具有六自由度的機器人可以完成給定的任意空間位置和姿態(tài)。為了實現(xiàn)較好的仿人效果，能夠完成在給定的空間內(nèi)任意位置和姿態(tài)的運送物體的作業(yè)任務，同時考慮成本節(jié)約，所設計的仿人機械手臂也具有6個關(guān)節(jié)自由度。

仿人機械手臂的6個自由度按如下分配：肩關(guān)節(jié)為實現(xiàn)大臂的旋轉(zhuǎn)、抬起前伸的運動，分配3個旋轉(zhuǎn)自由度；肘關(guān)節(jié)為實現(xiàn)前臂的屈伸和旋轉(zhuǎn)，分配2個旋轉(zhuǎn)自由度；腕關(guān)節(jié)為實現(xiàn)本文設計的真空吸盤即類似手掌功能單方向旋轉(zhuǎn)，分配1個旋轉(zhuǎn)自由度。圖1為其自由度分配。

三、仿人機械手臂控制原理

該系統(tǒng)工作的控制原理為：在PLC程序內(nèi)根據(jù)運動范圍等要求，設置好各種工作條件，通過PLC的專用脈沖口輸出一定占空比的PWM信號，該信號經(jīng)過功率放大板模塊放大，驅(qū)動氣動高速開關(guān)閥組；每個關(guān)節(jié)的角度通過控制每組2個氣動高速開關(guān)閥的通斷時間來確定。對于每個關(guān)節(jié)的回轉(zhuǎn)位置信號，可以從安裝的角位移傳感器讀出，通過PLC的A/D轉(zhuǎn)換模塊，將電壓模擬量信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，傳送到PLC當中進行處理，根據(jù)PLC內(nèi)部控制算法，調(diào)節(jié)PWM信號的占空比，反饋控制氣動高速開關(guān)閥組，讓每個關(guān)節(jié)的角度達到控制要求，最終實現(xiàn)位置閉環(huán)控制。

根據(jù)設計要求，系統(tǒng)需要12個輸出開關(guān)量，一般的計算機數(shù)據(jù)采集卡輸出端口有限，很難滿足要求；另外，系統(tǒng)要實時控制，需要高速精確的PWM信號。綜合以上考慮，選用定時精確、輸出觸點多的PLC作為本系統(tǒng)的核心控制器。經(jīng)調(diào)查對比，從技術(shù)經(jīng)濟角度分析，現(xiàn)選用帶A/D和D/A轉(zhuǎn)換擴展模塊的三菱FX2N-48MR型號的PLC作為所設計的仿人肩關(guān)節(jié)控制系統(tǒng)的控制器。用碼盤式角度編碼器和電位器都能測量角位移。碼盤式角度編碼器測量角位移的方法最便捷，但它體積大、價格高、安裝要求高、而且需要專用的編碼器輸入電路。電位器測量角位移方法簡捷，其輸出值可以直接進入A/D模塊進行轉(zhuǎn)換，且其體積小，價格低，易于安裝。雖然電位器需要進行標定，但可以通過PLC的模數(shù)模塊進行快速標定。因此在本文的控制系統(tǒng)中，測量回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)角大小就有3個精密導電電位器（WDS36）來完成，結(jié)合控制算法，設計了仿人肩關(guān)節(jié)氣動與控制系統(tǒng)。

四、仿人機械手臂控制系統(tǒng)設計

由于肩關(guān)節(jié)具有3個自由度，腕關(guān)節(jié)可作屈伸，旋轉(zhuǎn)及環(huán)轉(zhuǎn)運動，屬于人體比較靈活復雜的關(guān)節(jié)，具有2個自由度。仿人機械手臂設計中的最重要環(huán)節(jié)就是設計一個具有較高精度的靈活的肩關(guān)節(jié)及腕關(guān)節(jié)。采用分解自由度的方法來設計肩關(guān)節(jié)及腕關(guān)節(jié)，因為每個關(guān)節(jié)分別有1個自由度，并且對于每個關(guān)節(jié)來說比較好構(gòu)造，且每個關(guān)節(jié)有較強的堅固性，因此將多自由度的關(guān)節(jié)分離成獨立的旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)。仿人機械手臂的關(guān)節(jié)用高速氣動開關(guān)閥來控制，關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動的角度有關(guān)節(jié)位置傳感器來獲取，可采用角位移傳感器測量轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)角信號；另外，為構(gòu)成位置閉環(huán)負反饋控制系統(tǒng)，提高仿人肩關(guān)節(jié)的運動控制精度，利用3個角位移傳感器測量與反饋所在的3個轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)角信號。圖2為仿人肩關(guān)節(jié)控制系統(tǒng)的組成框圖，該控制系統(tǒng)主要由核心控制器PLC、A/D模塊、功率放大模塊、氣動高速開關(guān)閥組、手臂關(guān)節(jié)、關(guān)節(jié)位置傳感器等組成。

五、總結(jié)

本文闡述了仿人機械手臂的工作原理，分析系統(tǒng)控制工作原理，詳細介紹仿人肩關(guān)節(jié)氣動與控制系統(tǒng)構(gòu)成，并根據(jù)系統(tǒng)的控制要求，完成對氣動高速開關(guān)閥、其他氣動控制元器件，以及PLC和角位移傳感器等的選型設計，能夠?qū)C械手臂進行準確快速的定位。

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（作者單位：浙江工業(yè)職業(yè)技術(shù)學院）