串聯(lián)機器人控制系統(tǒng)設(shè)計

江儀慧 刁孟磊

摘 要：機器人是一種仿人功能的自動機，而不是人們以為的與人的體貌特征相似的由無生命的零件構(gòu)成的機器。自從1954年第一臺可編程機器人誕生以來，機器人就受到人們的廣泛關(guān)注。醫(yī)療、航空航天、井下或深水機器人等等都是機器人的表現(xiàn)方式，目前，六自由度的串聯(lián)機器人是機器人中技術(shù)成熟、應(yīng)用廣泛的一種，在制造生產(chǎn)中是不可或缺的好幫手，故關(guān)于六自由度串聯(lián)機器人在工業(yè)生產(chǎn)方面的關(guān)鍵技術(shù)的研究是非常有意義的。本文的主要內(nèi)容包括：六自由度串聯(lián)機器人的國內(nèi)外簡介，串聯(lián)機器人的硬件部分，包括系統(tǒng)布局、實物圖、原理圖等，對串聯(lián)機器人整體構(gòu)造進行描述；軟件部分包括機器人功能介紹，MCGS組態(tài)的建立；最后，對本文進行總結(jié)。

關(guān)鍵詞：串聯(lián)機器人；單片機；MCGS；步進電機；伺服電機

1.引言

在當今社會，機器人技術(shù)越來越廣泛的應(yīng)用到制造業(yè)領(lǐng)域中，并成為其領(lǐng)域的前沿技術(shù)。我國目前已由制造大國向制造強國轉(zhuǎn)型，要想成為制造強國，就要大力發(fā)展制造業(yè)技術(shù)，使其生產(chǎn)手段向機械化、自動化、智能化、信息化變革。可以看到，通過大力發(fā)展經(jīng)濟、鼓勵創(chuàng)新、產(chǎn)業(yè)扶持等國家政策，人民的生活水平就業(yè)水平越來越高，這也導(dǎo)致了勞動力價格的上升。

企業(yè)為了應(yīng)對這一變化，只能提高勞動生產(chǎn)力，營造良好工作環(huán)境，此時工業(yè)機器人的應(yīng)用就成為了企業(yè)適應(yīng)社會的不二法寶，自動化流水線上的機器人尤甚。串聯(lián)機器人屬于工業(yè)機器人中關(guān)節(jié)型機器人的一種，它具有搬運、裝配、焊接、噴漆等等用途，動作靈活、結(jié)構(gòu)緊湊。

2.串聯(lián)機器人總體方案設(shè)計

本文的六自由度串聯(lián)機器人總體方案設(shè)計主要分為兩大部分來論述，分別為串聯(lián)機器人硬件系統(tǒng)和串聯(lián)機器人軟件系統(tǒng)。而對于它的機械系統(tǒng)也就是機器人本身的構(gòu)造機械原理等由于篇幅原因不多加以論述，關(guān)于機器人的動作范圍、最大速度等技術(shù)參數(shù)模塊1～6有所不同，如模塊1 ：-90°～ 90°，30o / S，模塊4：-90°～ 90°，20o / S。這是經(jīng)過精密計算、多次試驗得出的成熟結(jié)果。

機器人系統(tǒng)采用PC工控機為上位機，8051單片機作為下位機，配以人機交互界面。硬件平臺中，PC機作為人機交互界面的載體有很強的通用性、適用性，人機交互界面可用MCGS軟件進行設(shè)計編輯，還可進行模擬仿真；機器人系統(tǒng)利用上位機Windows操作系統(tǒng)面向C51語言可進行方便的程序語言編寫。

一個智能機器人想要工作必須要有“身體”和“大腦”，對于六自由度串聯(lián)機器人來說，它的外部結(jié)構(gòu)，內(nèi)部連接等硬件系統(tǒng)就是身體；用于控制驅(qū)動“身體”的控制器，用于表達我們思想的程序語言，用于進行控制的組態(tài)等就是“大腦”。關(guān)于硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)之間的功能與聯(lián)系我們可以單片機控制器、PC機、機器人本體、I/O模塊和通訊接口等構(gòu)成硬件平臺；單片機軟件系統(tǒng)、PC機操作系統(tǒng)、運動程序等組成軟件平臺。

3.串聯(lián)機器人硬件系統(tǒng)設(shè)計

本文采用的是Intel公司的8051單片機作為控制核心，配合其它的硬件構(gòu)成了六自由度串聯(lián)機器人的控制系統(tǒng)。機器人采用串聯(lián)式開鏈結(jié)構(gòu)，其中包括底座，模塊1～6，機械手爪，三大部分。模塊1～6逐級組合，每一塊都可獨立運行、拆卸組裝，其末端有旋轉(zhuǎn)、回轉(zhuǎn)兩種運動方式，由此構(gòu)成的工業(yè)機器人中的六自由度串聯(lián)機器人形式。為了更好的看清機器人齒輪傳動和運動動作，每一模塊采用透明式結(jié)構(gòu)，內(nèi)部傳動模塊采用了微縮設(shè)計，更加符合工業(yè)機器人的特點，六個模塊采用步進伺服電機混合驅(qū)動，使內(nèi)容更加多樣化，富有設(shè)計感。

在串聯(lián)機器人電控柜布局中，包括伺服電機、步進電機、電磁閥、指示燈、按鈕、開關(guān)、接觸器、繼電器等外圍電路，還有在PLC的基礎(chǔ)上改用8051單片機實現(xiàn)的核心控制電路。串聯(lián)機器人的硬件原理圖中，進行了按鈕和指示燈的工作原理以及電氣連接描述。機器人用低壓電器接觸器、繼電器等對指示燈、按鈕等進行了電氣控制，還用七個限位開關(guān)對機器人的每一個關(guān)節(jié)進行保護，并能夠把每個關(guān)節(jié)的信息反饋給單片機。

六自由度串聯(lián)機器人控制系統(tǒng)的核心——STC12C5A60S2。它是40管腳的器件，適用于強干擾、電機驅(qū)動場合。由于串聯(lián)機器人由五個步進電機和一個伺服電機驅(qū)動，并且模塊1～6還設(shè)計有限位開關(guān)，報警急停裝置等，因此單片機原本的I/O接口不夠用，需要對其進行擴展。STC12C5A60S2 I/O接口的擴展用到了可編程外設(shè)接口電路8255A和三態(tài)輸出鎖存器74LS373。鎖存器起到對單片機數(shù)據(jù)進行保持的作用，使單片機完成對外部電路的控制。

4.串聯(lián)機器人軟件系統(tǒng)設(shè)計

本文的軟件平臺是基于PC機的MCGS組態(tài)軟件組成。主要功能包括串聯(lián)機器人坐標參數(shù)的設(shè)置與顯示、由單軸運動、六軸聯(lián)動、電磁閥開閉三部分構(gòu)成的機器人運動系統(tǒng)、進行位置初始化的復(fù)位操作、包括記錄和再現(xiàn)兩大步驟的示教功能，其中復(fù)位操作機器人開始六軸聯(lián)動直到回復(fù)到系統(tǒng)設(shè)定的初始位置，動作速度可以通過改動單片機脈沖發(fā)送頻率和機器人運動角度/脈沖數(shù)比值進行改變。

參照串聯(lián)機器人的功能可以用MCGS建立出組態(tài)界面。將機器人的六個自由度分開進行控制，可以方便的進行搬運及示教功能，還可以在機器人限定范圍內(nèi)任意指定位置后讓機器人勻速達到設(shè)定位置坐標。

5.結(jié)束語

本文以六自由度可拆卸串聯(lián)機器人為藍本進行了控制核心的改動，使機器人控制系統(tǒng)由PLC變成了STC12C5A60S2單片機。在硬件進行小范圍改動后，實現(xiàn)了串聯(lián)機器人的一些功能：搬運、示教再現(xiàn)等，成功用MCGS觸摸屏對機器人六軸進行控制完成自動控制和手動控制兩大類。對于軟硬件的綜合有一定想法并畫出了示意圖，對于機器人的背景、國內(nèi)外發(fā)展情況有了較為清晰的認識，也為以后的科研方向提供了一種可能性。最后，本文雖然串聯(lián)機器人的研究較為簡單，但管中窺豹，基本的原理和應(yīng)用還是有理可循的，以后也可以更加深入的進行串聯(lián)機器人的研究，為我國工業(yè)機器人技術(shù)貢獻自己的一份力量。

參考文獻：

[1]王濟陽. 小型五自由度串聯(lián)機器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計及運動學(xué)分析[D].天津科技大學(xué)，2017.

[2]徐有勝. 一種六自由度串聯(lián)機器人的運動學(xué)與動力學(xué)仿真分析[D].深圳大學(xué)，2017.

[3]劉松國. 六自由度串聯(lián)機器人運動優(yōu)化與軌跡跟蹤控制研究[D].浙江大學(xué)，2009.

[4]邢凱濤. 串聯(lián)機器人軌跡規(guī)劃方法研究[D].新疆大學(xué)，2017.

[5]李鑫，潘松峰，尹寧寧，楊彥平，陳玉璽. 六自由度串聯(lián)機器人控制系統(tǒng)設(shè)計[N].青島大學(xué)學(xué)報，2017-05.

[6]孫開林. 六自由度工業(yè)機器人運動與控制技術(shù)的研究[D].江南大學(xué)，2012.

[7]唐新華.焊接機器人的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢（二）[J].電焊機，2006，36（4）： 43-46.

[8]王戰(zhàn)中，楊長建，劉超穎，等. MATLAB環(huán)境下六自由度焊接機器人運動學(xué)逆解及優(yōu)化 [J].機械設(shè)計與制造，2013（7）：182-184.

[9]俞曉慧. 串聯(lián)機器人軌跡規(guī)劃研究及其控制系統(tǒng)設(shè)計[D].合肥工業(yè)大學(xué)，2015.

[10]黃文嘉. 工業(yè)機器人運動控制系統(tǒng)的研究與設(shè)計[D].浙江工業(yè)大學(xué)， 2014.