機械手臂控制研究

黃志成

【摘 要】以前工業生產在線都是仰賴大量的人力完成生產作業。但隨著科技的迅速發展下，工業的制造走向細致化和復雜化，因此人力成本也相對地提高，所以開始有了“以機器取代人力”的聲音出現。而目前最為廣泛應用在工業產在線的機器人即為機械手臂，機械手臂的設計為一種以模仿人的“腕部以及手部”動作的手臂，可在平面或三維空間中完成設定好的任務。目前產業上常見的形式有直角座標型手臂、關節多軸機械手臂、SCARA手臂和Delta手臂。

【關鍵詞】機械；手臂；控制；研究

1前言

目前應用在機械手臂上常見的控制器主要有PC-based和PLC-based，機械手臂為植基于PLC控制器的直角坐標型六軸機械手。在還未發展可程式邏輯控制器之前，要達到自動化的功能需要仰賴大量的繼電器和計數器才能完成。PLC的出現大大的簡化了自動控制所需要的硬件空間。雖然PLC最初只有電路邏輯控制的功能，但隨著不斷的發展，現在已經擁有邏輯控制、時序控制、模擬控制及多機通訊等功能，幾乎可以媲美一臺計算機了。而且PLC的模塊化讓使用者可以依照自己的需求選用模塊。相較于PC，PLC有著體積小、重量輕和維修方便等優點，使得PLC成為現今主要的自動化控制器之一。

2系統架構

手臂全機使用三菱Q系列PLC作為主控制器。為了達到精準定位的目的，使用三菱的定位模塊QD75D-4N。當網絡攝影機辨識到目標對象時，會先將影像傳給計算機端進行圖像處理，接著再將處理過的數據傳至定位模塊，再由伺服馬達控制模塊驅動伺服馬達動作。而編碼器會讀取伺服馬達的運作數據回傳數值給定位模塊達到有效控制的目的，然后再由光遮斷開關作為馬達運動極限位置的判斷。操作者除了可在人機接口端操作手臂，也可從計算機端透過VB6.0監控手臂的各軸運動狀態。

3機械手臂硬件架構

本機械手臂的機構材質采用鋼性系數高的鋁合金建構而成。在運動結構上分為可進行大范圍移動的X、Y、Z直角坐標軸和處理細微動作的A、B軸。由于直角坐標軸在動作時都需要承載手臂本身的重量移動，因此在直角坐標軸上選用具有高減速比的減速機構以提升轉矩。模擬手腕精細動作的A、B兩旋轉軸以及執行抓取動作的氣壓夾爪。

在機械手臂各運動軸上，由于手臂機構設計上的因素，除了B軸外皆裝設3顆光遮斷傳感器分別作為手臂運動距離的上下極限和復歸原點，而裝設在直角座標軸上的光遮斷傳感器可根據使用者的環境調整極限移動距離的長短。

3.1伺服馬達和減速機構

機械手臂的動力來源來自于伺服馬達的動作，在伺服馬達和減速機的選用上必須考慮到輸出扭力是否足夠承受手臂本身的機構重量以及在定位上的精準度和移動速度上是否能應用于產業界等。本手臂的五軸馬達接選用三菱AC伺服馬達，但是XYZ三軸的負重遠大于AB兩軸，因此使用了兩款不同規格的馬達，分別為出力較小的HG-KR13和出力大的HG-KR43。

減速機的功用為將馬達的轉速透過減速機構內的齒輪轉化為輸出的扭力，功能類似于變速器。本論文使用的減速機構為利銘機械的SB系列，SB系列減速機為行星齒輪減速機，行星齒輪減速機于輸出軸與輸入軸在同一軸心上的減速機構，以中心的太陽齒輪驅動支撐于行星臂架上的行星齒輪，由于動力的傳遞系利用行星齒輪，所以可以得到均等的扭力傳遞，而達到減速的目的。

3.2滾珠螺桿和線性滑軌

機械手臂在進行移動時需搭配滾珠螺桿和線性滑軌，將馬達原先的旋轉能轉變成X、Y、Z直角坐標軸的直線移動的動能。本論文使用PMI所生產的FSKW20系列滾珠螺桿及MSB20系列線性滑軌，并以鋁擠型加強機構強度。

滾珠螺桿主要由螺桿、螺帽、鋼珠等所構成的，由鋼珠介于螺帽與螺桿之間進行運動，是將旋轉運動轉為直線運動的傳動機械組，具有定位精度高、壽命長、低污染，較廣為愛用。根據循環系統可分為外循環式、內循環式、端蓋式循環滾珠螺桿，而本手臂使用的FSKW2020滾珠螺桿屬端蓋式循環，導程為20mm。

線性滑軌的設計構造與滾珠螺桿大致相同，由鋼珠或滾珠介由滑臺與滑軌之間進行運動，減少行進間的磨擦，本論文所使用MSB系列線性滑軌，采4列圓弧接觸式及45度接觸角的鋼珠列設計，提供徑向、反徑向及橫方向4方向相同額定負荷能力，X、Y、Z軸皆可使用。

操作者可藉由滾珠螺桿的導程及減速機的減速比和伺服驅動器內設定的參數，計算出各軸的單位移動量需要給予馬達驅動器多少脈沖訊號，由于旋轉軸未使用滾珠螺桿固導程可忽略不計，各軸移動數據。其計算式如下：最小單位移動量所需脈沖數=減速比×馬達旋轉一圈所需脈沖數÷導程。

4總結

機械手臂有著高精準度、低誤差的特性，因此非常適合代替工業生產在線的人力執行單調且重復性質高的組裝加工作業，亦可減少品管所花費的時間及人力，提升生產速度與質量。除此之外，機械手臂也可代替人類在相對于人體有害的環境下工作，改善勞動條件，保障人身安全，因此機械手臂的發展是必然的。目前不僅在工廠生產上、商業農業、軍事保全、醫療救援、娛樂服務，甚至是太空探索方面都能見到機械手臂的相關應用。機械手臂帶給了人們更加便利的生活，也造就了第四次工業革命。

參考文獻：

[1]石偉.兩節機械手臂控制系統的設計[J].工業控制計算機，2013（02）.

[2]大腦意識控制機械手臂[J].機械，2012（06）.

[3]湯勇.機械手臂在汽車玻璃企業的運用[J].上海建材，2012（04）.endprint