一種多關節智能機械手臂控制系統設計

朱小川

摘要：在制造業飛速發展的今天，工廠和企業為了提高自己生產上的績效，而且也可以在一定程度上提高產品質量，還可以提高企業整體機械自動化的程度。工業機器人和工業自動化的水平關系到一個國家整體制造業發展的水準，所以國家的制造業要想得以快速發展，就必須要意識到工業機器人和工業自動化建設的重要性。因此，本文首先概述了機械手臂的組成和工作模式；其次，根據機械手臂以上的基本理論和原理的基礎上，設計一種多關節智能機械手臂控制系統，進而使得機械手臂的工作效率大大提高，智能性也逐步增強。

關鍵詞：機械手臂；智能；控制系統；設計

前言

由于機械手臂是近現代制造業發展中出現的新型的技術形式，它的逐步發展使得企業整體的生產水平得以進一步提高，因此在這種條件下開發研制一種多關節智能機械手臂，但是這種機械手臂所要涉獵學科廣泛，包括機械學、力學和計算機信息技術等，這就使得機械手臂在控制上常常出現一些不足，因此本文主要基于機械手臂的工作原理和構成，采用CAN總線對于機械手臂進行智能控制，可以使得機械手臂的控制能力大大提高。

1.概述機械手臂的組成和工作模式

1.1機械手臂的組成

機械手臂主要是由控制系統和驅動裝置、執行裝置組成。首先，執行裝置主要由手掌和腕部、手臂等組成，主要的用來抓取一些部件和工具，而且它可以根據不同抓取物的大小和形狀變換不同的方式抓取；驅動裝置主要是使得手臂變換不同的形態對于抓取物進行靈活抓取；控制系統主要是利用網絡和多媒體信息技術對于整個機械手臂的自由度進行控制，進而使得機械手臂的自由度進一步提升，相對于以前的點動和連續性控制效率大大提高。由于現在大多的工廠采用伺服電動和計算機信息技術進行機械手臂控制的[1]。

1.2機械手臂的工作模式

機械手臂的伺服驅動裝置，主要是通過關節的驅動對于機械手的基本動作進行控制，目前機械手臂主要是采用閉環控制的原理進行控制。伺服電機的基本原理是計算主機給出的關節應該操作的位置和計算機探測到的關節應該操作之間出現的誤差，該誤差通過數據模型的轉換和功放之后，這樣可以使得機械手臂和關節操作更加精準。各種伺服電機是現在經常使用的驅動裝置，由于一般伺服電機輸出的速率較高，輸出轉矩小，但是關節帶動的力度和轉速不足，但是力矩卻較大。因此，在電機與負載間需要一種優質的驅動裝置，使得轉矩和轉速在一定意義上達成一致。

另一種驅動裝置是計算機控制系統，各關節伺服驅動性信號和指示都是通過主機進行計算后采樣發出的。計算機根據整體的軌跡運行狀態，進而得到在不同階段和時間下軌跡運行數據，依據反向運動的原理把這些軌跡數據的變化，進一步轉化成對于各個關節的指令數據。通常采用主機與關節計算機對于機械手臂進行控制。而且有時候需要進行智能化的操控，還需對包括視覺在內的各種傳感信號進行搜集和處置并進行智能的形態下的辨析、解決問題、工作的規劃、進行決策，這些才需要三級計算機形式進行控制[2]。

2.多關節智能機械手臂控制系統的設計

2.1多關節模式的設計

多關節的機械手臂主要是四個手指和六個手指構成，可以在垂直和水平這兩個方向進行平面運動，而且通過四個或六個不同的電機對四個或六個手指進行控制，進而使得整個的手臂進行抓取的運動。當電腦的主機發出控制信號的時候，帶有傳感功能的裝置就會對于要抓取的物體的位置進行探測，從而將控制器接收到信號，進而操作電機帶動手臂和關節進行運動，等要抓取物體的時候就會對手臂發出指令，進而完成整個抓取動作，抓取結束后智能手臂控制系統還會將指令發送到電機裝置，進而使得整個多關節模塊完整的得以呈現，還可以使得機械手臂的自由度進一步提升，而且控制效率大大提高[3]。

2.2控制和驅動裝置的整體過程的設置

現在國際和國內在控制多關節智能機械手臂主要是采用CAN總線進行調控，機械手臂的每個關節可以通過CAN總線進行規范化的控制和操作，而且每個關節都是這個網絡控制下的一個環節，他們之間的關系是缺一不可和相輔相成的。每個關節都要與CAN總線進行連接，而且在傳輸數據的時候用數據包的形式，這就使得CAN總線通過控制器對于機械手臂的每個環節進行監測；另一方面，每個關節點和環節也可以通過自己的傳感器將自己對于機械手臂監測信息傳到CAN總線的控制網絡上，進而形成一個封閉的控制系統，這樣可以使得控制終端及時調整手臂的位置，進而更加精準的完成工作和任務，進一步提高生產的效率，而且還可以節省資源和控制上的人力投入。另外，整個設計過程不光需要硬件設備的投入，還需要注重設計過程中的計算機軟件應用程序的建設，這對于完善整個智能手臂的控制設計模式有一定的促進作用，因為軟件關系到整個網絡控制系統的好壞，因此在設計的過程中很重視這方面的開發和研究。

3.結語

隨著現代在制造業的不斷發展，以及工業自動和機械化的不斷推進，因此這就促使企業研制和探索開發智能機械手臂，從而使得自己的企業的工作和生產的效率進一步得以提升，而且也節約了工作的時間和人力和物力的投入。因此本文首先概述了機械手臂的組成和工作模式；其次，根據機械手臂以上的基本理論和原理的基礎上，利用目前國際和國內先進的CAN總線的控制技術和模式，設計一種創新性的智能機械手臂控制裝置，進而使得機械手臂的工作效率大大提高，智能性也逐步增強，而且也使得機械手臂的便捷性和靈活性大大提升，這對于整體工作效率的提高也也有一定促進作用。

參考文獻：

[1]陳玄.基于模糊控制下多自由度機械手臂控制技術的研究[D].中北大學，2014.

[2]杜剛.關于機械手臂控制方案的研究[J].科技資訊，2013，29：83.

[3]范正妍，楊飛.智能機械手臂造型設計研究[J].機械設計，2013，12：100-103.