六自由度機械臂控制系統設計

李煒郃

摘 要：隨著世界各地恐怖事件的不斷爆發，采用六自由度機械臂實現對爆炸物的排除已成為現如今防恐事業的一項重要手段，機械臂在進行作業的過程中，排爆需要靈活的操作和細致的動作。機械臂的自由度往往在四五個左右，為了滿足排爆工程的需求，就需要加強機械臂的操作自由度，因此設計六自由度機械臂就顯得尤為重要。

關鍵詞：六自由度；機械臂；控制系統設計

中圖分類號：TP241.3 文獻標識碼：A

1.六自由度機械臂控制系統設計要求

六自由度機械臂的運動控制硬件分別是機械手的運動控制、驅動電路的底層控制、遠程通信以及遠程控制、視覺傳感和輔助傳感系統和上層控制的人機交互。

在整個自由度機械臂控制系統中，上位機控制系統的主要功能是給操作者提供良好的人機交互界面，而且機械臂的操作能夠通過配套的便攜手柄而實現，所以上位機要對手柄所發射的信號進行有機的掌握和控制，對下位機系統的控制還需要上位機系統給出，同時還要將下位機及機械臂運動狀態信息能夠及時反饋給操作者。操作手柄和下位機作為移動設備而言，上位機控制系統除了能夠提供有線的控制，還要提供相應的無線通信系統，其控制的有效距離在100米左右實現控制的指令和運動反饋的信號達成。在移動載體的設計上，除了放置機械手實現對抓取的射線圖像檢測儀，機械臂和車身上還裝置了兩臺CCD攝像機和兩個自由度的云臺，并相應地配備錄像機以對排爆過程進行全程的記錄。這些信息的反饋就是通過無線圖像模塊實現的。

在機械臂手部的設計過程中，因為機器人的抓手在整個機械臂系統中作為最末端的執行器，在抓取和實現操作工作的時候，其可以根據需要分為鉗式和吸附式。在這個層面上我們主要考慮的是機械臂在進行工具抓取的時候，需要采用鉗式的爪手，在爪手上的電機，我們選擇的是MICRO-STd伺服電機，在電機的尺寸設計上，要保證電力能夠在最小的空間占比和最輕的質量占比，從而滿足于機械臂的靈活性。在機器人的機械臂設計中，機械臂是由四到五個伺服的電機組成的，對伺服電機的控制能夠保障機械臂在不同使用需求上的不同位置和方向的自由變化。機械臂的手臂電機在設計過程中為了滿足其靈活性，選擇的是金屬齒輪的伺服電機。在六自由度機械臂的手腕處，我們采用與爪手處相同的伺服電機，為了能夠更好地保證對工具的夾持和手腕部的回轉設計，六自由度機械臂在其底座的設計上，我們選擇合金壓鑄技藝，從而使得底座能夠支撐起整個手臂的重量，保障其在運行過程中的穩定性。對于標準的伺服機而言，其主要有三條引線，分別為電源線VCC、接地線以及控制信號的傳播線。

2.控制器的設計

在對六自由度機械臂的控制器的設計上，主要采用單片機作為主控制器，通過雙電源為控制機和伺服電機進行供電，從而保障機械臂的正常使用。在串口與電腦以及其他單片機的通信上、在單片機的電源設計上、在電路板的正面部分設計了三個電源的輸入口，其中中間部分的輸入口作為單片機的電源輸入。在伺服電機的電源設計上，其輸入的電壓我們要控制在4.8V～6V之間，伺服電機上下兩側的電源分別為1～6路伺服電機供電和17～32路的電機供電。在六自由度機械臂的設計中，由于需要使用六路，從而在改設計中僅一側的電源就能夠保障滿足供電的需求。

3.VB控制軟件的設計

在設計端口的連接和設置上，主要通過使用串口，使電腦與設置好的端口和控制器達成良好的通信。在設計界面上，我們可以對奇偶校驗、停止位、數據位、比特率這幾個方面進行選擇設置。

對于通道控制，通過對多路伺服電機控制器的有效設置，對機器手臂實現從上到下的伺服電機順序編號，將編號分別對應到爪手到底盤處的六個伺服電機，通過拖動任意的數值拖動條，實現爪手控制。

在速度的調節問題上，因為調節的速度能夠對伺服電機的轉動速度進行控制，在系統設置中，過大的數值調度會影響到機械臂的使用，系統默認的最佳值為300。

在六自由度機械手的控制設計過程中，為了能夠與保障機械手完成復雜和煩瑣的工作，因此在控制系統的設計過程中，要對系統進行嚴格的設計，本文就對VB控制軟件下的六自由度機械臂進行分析。

參考文獻：

[1]馬 江.六自由度機械臂控制系統設計與運動學仿真[D].北京：北京工業大學，2009.

[2]鄭劍飛.六自由度機械臂分布式控制系統的設計與研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業大學，2006.