一種六自由度機械臂的控制系統設計

肖海

摘 要：機械臂是機器人最主要的執行機構，具有時變、強耦合、非線性等特點。因此，對六自由度機械臂控制系統設計問題的研究十分重要。以六自由度機械臂為研究對象，采用PLC（可編程序控制器）設計其控制系統，并進行了實現分析，以保證六自由度機械臂能夠高效、平穩的運行。

關鍵詞：機械臂；控制系統；適應性；PLC控制系統

中圖分類號：TP241；TP273 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.23.123

1 六自由度機械臂研究發展簡析

六自由度機械臂就是多自由度機械臂，具有高速、靈活等特點，在工業生產等已知環境中扮演著非常重要的角色。它屬于典型的強耦合多輸入/輸出的非線性系統。從目前情況看，對機械臂軌跡快速跟蹤控制的研究比較多，但許多重點還未被突破，面臨諸多問題。具體而言，對機械臂建模和機械臂控制系統的研究是十分關鍵的。

2 六自由度機械臂結構與PLC控制系統

2.1 六自由度機械臂結構

六自由度機械臂是以六關節串聯形成的結構，其關節傳動是用絕對編碼器電機和精密諧波減速器實現的。小臂位置會裝設相應的攝像頭和氣動工具，這些都是其非常關鍵的外部設備接口，且提供相應的電氣接口。另外，用戶也能進行相應的功能擴展。機械臂控制大多集成了PC技術、圖像技術和邏輯控制等，其間還采用專業運動控制技術、VME運動控制器，其性能可靠、穩定且速度快、精度高。

2.2 PLC控制系統

PLC控制被應用于各大領域，此類控制系統適應性強，且極具抗干擾能力，應用便捷、簡單。該控制系統應用于機械中意義重大。比如用于中央空調的PLC系統，它可實現數據顯示、控制和連鎖，同時，可以保護整個空調系統的運行安全，數據顯示功能可以有效顯示空調冷水出入口和冷卻水出入口的溫度，還能顯示其蒸汽閥門開度和溶液泵等數據。應用這個系統，可以幫助人們及時發現設備中存在的問題。其長時間儲存的數據為空調發展與研究提供了必不可少的數據支撐。其控制功能運行方式主要是軟手動、就地手動和自動3種，而采用這三種控制功能運行方式所構建的空調設備可以實現合理調節和快速啟動，從而更好地控制空調開關及其運行速度，充分降低能源消耗，以此提升空調的環保性，強化其經濟性和安全性。因此，PLC控制系統功能強大且安全、可靠，具有很好的靈活性，應用于機械中的效果和作用很好。PLC控制系統整體框架如圖1所示。

3 基于PLC控制的六自由度機械臂控制

3.1 控制系統構成

基于PLC控制系統的六自由度機械臂設計十分靈活，其伸縮擴展很容易實現?？梢哉f，它的關量控制非常好，更適用于六自由度機械臂設計。基于PLC控制系統可以實現PID回路連

續運行，能夠與上位機構充分結合，從而形成復雜且多功能的控制系統，比如直接數字控制和分布式控制系統。將PLC控制系統應用于六自由度機械臂設計中，可以實現產品生產過程全方位自動化，以此快速提升生產效率，提高生產速度，為相關企業節省人力資源和各方面的成本。

3.2 基于PLC控制系統的使用

基于PLC控制系統具有非常強大的功能，其編程非常簡單，操作便捷。這里強調的是以簡單明確的梯形圖、語句表和邏輯圖實現語言編程，其間不需要過多的計算機與相關技術，簡單學習之后就能了解各項開發和應用情況。同時，其所需的開發時間短，可在短時間之內實現PLC開發和應用，從而合理節約了生產時間，使機械臂現場調試簡單、有效，快速健全機械臂功能及其組裝等方面的內容，確保后續檢修和養護工作操作的適宜度。基于PLC控制系統的機械臂可以實現在線程序的更改，改善傳統控制方案，加快相應控制方案的更改速度，為相關企業節約更多的人力資源和物力資源，推動企業的生產，盡可能地避免各方面問題的出現。

3.3 基于PLC控制系統的環境適應性

基于PLC控制系統可以更好地適應諸多惡劣環境，強化機械臂的適應力，提高其抗干擾能力，確保機械臂運作更加安全、可靠，這比同類機械的使用效果更好。機械臂可在多種環境下工作，它能夠有效避免各方面因素對其的影響，同時，也能保證工作人員的生產安全?；赑LC控制系統的機械臂生產效率和生產寬度被合理提升后，其能快速完成許多人力不能完成的工作，從而進一步提升企業的生產力。這樣做，也能在一定程度上提升我國的國際競爭力，提高我國的國際地位。

具體而言，在基于PLC控制系統運行的過程中，主要分為3個階段，這里強調的是輸入采樣、輸出刷新和用戶程序的全面執行。其間所蘊含的階段強調的是PLC控制系統工作周期的全方位掃描。在此過程中，可以按照相應的掃描速度連續不斷地循環掃描。目前，PLC控制系統被廣泛應用于我國氣動控制和電動接卸領域，并且此類技術也推動了閥島技術的發展。另外，PLC控制系統在機械臂領域的應用也非常廣泛。該控制系統使得機械臂操作更加簡單、便捷，同時，其功能也被不斷擴大。

4 基于PLC的六自由度機械臂控制系統設計實現

4.1 系統硬件設計

六自由度機械臂控制系統設計主要是由工控機、PLC、觸摸屏、服驅動器、同步交流電機和編碼器構成的。工控機和觸摸屏屬于監控層，其主要作用是監控機械臂的運行情況；PLC

屬于控制層，用戶可于工控機中編寫程序，同時，將其下載到PLC中，更好地控制PLC伺服驅動，保證各個伺服電機能夠合理協調，實現同步運行。

4.2 系統軟件設計

4.2.1 PLC軟件設計

控制系統程序運用的是模塊化編程思想，將驅動參數快速初始化。這時，機械臂可快速回到原點，再采用運動學正解、反解和路徑規劃實現程序功能塊。這些都是非常重要的子程序，能保證程序結構更加清晰，修改快速。

4.2.2 運動學正反解算法設計

在工作過程中，采用的伺服電機應改變轉角來驅動機械臂工作，要合理定位平動盤位置，同時，并聯機械臂系統。這里強調的是將其與電機轉角準確轉換，而其間互相轉換主要是運動學正解算法和運動學反解算法這兩方面。正解算法是用各臺伺服電機轉角推算出平動盤于平面中的位置；反解算法則強調的是用平面中平動盤合理推算出電機中軸的旋轉角度。

4.2.3 人機界面設計

通常情況下，人機界面設計是選擇合理的監控程序設計監控軟件，從機械臂控制系統的角度對監控功能提出要求。具體而言，監控系統主要是由以下幾方面構成的：①主界面。主界面可顯示六自由度并聯機械臂的實際結構，還有其電機左右抱閘控制和伺服鎖定控制，采用指示燈來指示狀態，以便及時觀測機械臂的實時位置。②自動控制界面。此界面中有機械臂的自動運行按鍵，比如自動啟動和STOP等類按鈕，也可以設置自動運行中的許多位置和屏障高度。另外，此界面還應設置適宜的鐵片，其厚度應適宜六自由度機械臂控制，還有其循環次數和運動速度等類參數。③手動控制界面。該界面可實現機械臂的手動操作，比如其相應的點動，嚴格指定相關位置絕對移動。④報警界面。此界面主要是用指示燈指示相應的方向，警示其越限和軸錯誤。同時，要設置相應的按鈕，如果出現越限警報，可及時按下清除按鈕將機械臂恢復到原始位置。

5 結束語

綜上所述，機械臂是工業自動化領域中一種常用、高效、可靠的自動化裝置。機械臂控制系統采用PLC控制，大大提高了該系統的自動化程度，提高了控制系統的可靠性。同時，使用PLC控制方便更改生產流程，增強控制功能。要想滿足機械臂控制系統的不同工作需求，機械臂控制系統要具有較強的靈活性和可操作性?；赑LC控制系統的六自由度機械臂，可快速提升機械臂功能水平，促進六自由度機械臂的發展，進而推動我國工業生產和機械制造業的快速發展，促進我國經濟水平的快速提升。

參考文獻

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[3]陳浩，李騰飛，陳銳.一種六自由度串聯機械臂的研制[J].機械工程與自動化，2015（6）.

〔編輯：白潔〕