串聯機器人控制系統設計

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注。醫療、航空航天、井下或深水機器人等等都是機器人的表現方式，目前，六自由度的串聯機器人是機器人中技術成熟、應用廣泛的一種，在制造生產中是不可或缺的好幫手，故關于六自由度串聯機器人在工業生產方面的關鍵技術的研究是非常有意義的。本文的主要內容包括：六自由度串聯機器人的國內外簡介，串聯機器人的硬件部分，包括系統布局、實物圖、原理圖等，對串聯機器人整體構造進行描述；軟件部分包括機器人功能介紹，MCGS組態的建立；最后，對本文進行總結。

關鍵詞：串聯機器人；單片機；MCGS；步進電機；伺服電機

1.引言

在當今社會，機器人技術越來越廣泛的應用到制造業領域中，并成為其領域的前沿技術。我國目前已由制造大國向制造強國轉型，要想成為制造強國，就要大力發展制造業技術，使其生產手段向機械化、自動化、智能化、信息化變革。可以看到，通過大力發展經濟、鼓勵創新、產業扶持等國家政策，人民的生活水平就業水平越來越高，這也導致了勞動力價格的上升。

企業為了應對這一變化，只能提高勞動生產力，營造良好工作環境，此時工業機器人的應用就成為了企業適應社會的不二法寶，自動化流水線上的機器人尤甚。串聯機器人屬于工業機器人中關節型機器人的一種，它具有搬運、裝配、焊接、噴漆等等用途，動作靈活、結構緊湊。

2.串聯機器人總體方案設計

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

機器人系統采用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軟件進行設計編輯，還可進行模擬仿真；機器人系統利用上位機Windows操作系統面向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”，對于六自由度串聯機器人來說，它的外部結構，內部連接等硬件系統就是身體；用于控制驅動“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等就是“大腦”。關于硬件系統和軟件系統之間的功能與聯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成硬件平臺；單片機軟件系統、PC機操作系統、運動程序等組成軟件平臺。

3.串聯機器人硬件系統設計

本文采用的是Intel公司的8051單片機作為控制核心，配合其它的硬件構成了六自由度串聯機器人的控制系統。機器人采用串聯式開鏈結構，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、回轉兩種運動方式，由此構成的工業機器人中的六自由度串聯機器人形式。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構，內部傳動模塊采用了微縮設計，更加符合工業機器人的特點，六個模塊采用步進伺服電機混合驅動，使內容更加多樣化，富有設計感。

在串聯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、接觸器、繼電器等外圍電路，還有在PLC的基礎上改用8051單片機實現的核心控制電路。串聯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，還用七個限位開關對機器人的每一個關節進行保護，并能夠把每個關節的信息反饋給單片機。

六自由度串聯機器人控制系統的核心——STC12C5A60S2。它是40管腳的器件，適用于強干擾、電機驅動場合。由于串聯機器人由五個步進電機和一個伺服電機驅動，并且模塊1～6還設計有限位開關，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接口電路8255A和三態輸出鎖存器74LS373。鎖存器起到對單片機數據進行保持的作用，使單片機完成對外部電路的控制。

4.串聯機器人軟件系統設計

本文的軟件平臺是基于PC機的MCGS組態軟件組成。主要功能包括串聯機器人坐標參數的設置與顯示、由單軸運動、六軸聯動、電磁閥開閉三部分構成的機器人運動系統、進行位置初始化的復位操作、包括記錄和再現兩大步驟的示教功能，其中復位操作機器人開始六軸聯動直到回復到系統設定的初始位置，動作速度可以通過改動單片機脈沖發送頻率和機器人運動角度/脈沖數比值進行改變。

參照串聯機器人的功能可以用MCGS建立出組態界面。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任意指定位置后讓機器人勻速達到設定位置坐標。

5.結束語

本文以六自由度可拆卸串聯機器人為藍本進行了控制核心的改動，使機器人控制系統由PLC變成了STC12C5A60S2單片機。在硬件進行小范圍改動后，實現了串聯機器人的一些功能：搬運、示教再現等，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、國內外發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，本文雖然串聯機器人的研究較為簡單，但管中窺豹，基本的原理和應用還是有理可循的，以后也可以更加深入的進行串聯機器人的研究，為我國工業機器人技術貢獻自己的一份力量。

參考文獻：

[1]王濟陽. 小型五自由度串聯機器人的結構設計及運動學分析[D].天津科技大學，2017.

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

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

[4]邢凱濤. 串聯機器人軌跡規劃方法研究[D].新疆大學，2017.

[5]李鑫，潘松峰，尹寧寧，楊彥平，陳玉璽. 六自由度串聯機器人控制系統設計[N].青島大學學報，2017-05.

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

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

[8]王戰中，楊長建，劉超穎，等. MATLAB環境下六自由度焊接機器人運動學逆解及優化 [J].機械設計與制造，2013（7）：182-184.

[9]俞曉慧. 串聯機器人軌跡規劃研究及其控制系統設計[D].合肥工業大學，2015.

[10]黃文嘉. 工業機器人運動控制系統的研究與設計[D].浙江工業大學， 2014.