工業機械臂及多軸聯動控制系統研究

卿鐘軍+黃永松+許渝東+莫汝友+陳楊順

【摘要】 在工業上，多軸機械臂聯動控制系統有著廣泛的應用，隨著電子技術和軟件技術的發展，多軸聯動運動控制技術也發展迅速。如今，國外運動控制技術已經發展到了基于PC的運動控制器，而且該技術的產品已經成為市場主流。在我國，對于PC運動控制器的應用與研究還在起步階段，有許多問題需要研究和解決。所以工業機械臂及多軸聯動控制系統是一個值得研究的課題，這方面的研究將有助于我國在工業和聯動控制系統方面縮短與國外的技術差距，從而推動我國的工業發展。

【關鍵詞】 機械臂 多軸聯動控制 控制器

一、引言

由于機器臂運動學和動力學的復雜性讓機械臂的控制非常困難，普通的線性控制技術往往不能很有效的控制，所以，對于工業機械臂及其多軸聯動控制系統的研究變得十分重要。PC上位機的功能強大，可以用來進行重復定位，軌跡規劃等任務。本系統是以AMR芯片為控制器核心，運動控制器主要要解決是運動控制，機械臂有多個運動部件，而控制器要對運動部件的位置、速度、角度等運動狀態進行實時控制，通過上位給定的要求位置，進行運動軌跡、速度和角度計算，并且達到給定的要求。

二、系統方案總體介紹

本設計是以六軸機械臂作為設計和研究對象，對多軸聯動系統進行研究。多軸聯動系統包括上位機部分，六軸機械臂，下位機控制電路以及機械臂驅動部分。本設計中六軸工業機械臂可通過上位機控制機械臂的速度、每個關節的角度、當前機械臂姿態的存儲，以及按照設計的運動軌跡進行運動。

三、系統硬件設計

3.1 機械結構

機械臂的機械結構采用用傳統的機械臂結構設計，在搭建機械臂的過程中，我們首先考慮了機械臂可以抓起物品的重量，及機械臂可達到的功率。其次我們考慮電機的型號選擇，電機的選擇必須滿足如下幾個方面的要求：

1、電機的扭矩必須大于最小的負載扭矩；2、慣量匹配必須合理；3、電機的扭矩必須要足夠大，這樣機械臂的速度和效率以及穩定性才能得到保障；4、靜態負載扭矩、等效轉動慣量等計算。

3.2 硬件電路設計

系統的硬件電路主要是對機械臂控制電路。控制電路中以STM32為核心芯片，核心芯片處理接受到的上位機信息，并對上位機信息作出響應。系統的硬件電路包括STM32最小體統、電機的驅動電路，電源供電電路，上位機信息傳輸接收電路。

四、系統軟件設計

本系統的軟件部分包涵兩個部分：多軸聯動控制部分軟件設計和上位機部分軟件設計，在上位機上主要是發送位置，和接收并實時顯示當前機械臂位置。多軸聯動控制部分接收到上位機傳來的數據后并進行處理。多軸聯動控制系統主要用到算法包括：PID算法、運動學正解、運動學逆解、空間描述和變換、操作臂運動學正解、操作臂運動學逆解、軌跡插補算法等。

五、控制方式

控制系統一般由控制器、受控對象和反饋測量裝置組成，本系統的受控對象為組成機械臂的關節，控制器為上位機，在本系統中沒有反饋測量裝置，因此系統是采用開環控制的。

由于機械臂的電機沒有用伺服電機，所以不存在反饋量，也就是說系統是采用開環控制系統的，上位機輸出直接給控制器，控制器控制多軸聯動系統產生作用。開環控制系統的缺點很明顯，不能保證受控對象的精度，對干擾非常敏感。

六、系統創新

本設計中，機械臂的各種動作和姿態可以時刻在PC上位機中顯示，通過PC上位機可以控制多軸聯動系統的速度、關節的角度以及機械臂的姿態，并對機械臂實時控制。多軸聯動控制系統上位機的開發平臺是Windows操作系統，這就使得該PC上位機通用性非常強，而且可以通過網絡分享數據和遠程操控系統。

七、結束語

本設計通過設計一個六軸機械臂并對其的運動軌跡進行研究和分析，其中的多軸聯動控制算法最為關鍵，實現簡單，運算速度快，準確度高，對于工業中的高精度有很強的適用性。本設計中的機械臂可以實時在上位機上顯示當前位置，并通過上位機控制所要到達的位置。工業機械臂及多軸聯動系統的成功研制，將是我國在自動化道路上更進一步。

參 考 文 獻

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