小型機械臂關節的分布式自動控制系統設計

關艷翠

摘 要：建立了小型機械臂的分布式運動控制系統硬件平臺，由上位機和六個關節控制器組成，選擇了各控制節點間的通訊協議， 由分布式控制器結構設計了對應的控制軟件。上位機通過RS-485總線協調六個關節控制器，實現設備的位置控制，進而達到機械臂直線、圓弧、點到點的任意軌跡運動。

關鍵詞：小型機械臂；分布式運動控制；設計；關節控制器

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.15.041

0 引言

小型機械臂關節的控制問題一直是控制領域研究熱點[1]。隨著工業控制的復雜性增加，需要控制的節點也隨之增加，若信息處理和控制信號產生都由一個處理器來完成，難免會因為一個故障導致整個生產系統故障[2]。因此需要從系統的硬件系統和軟件系統角度，本文將采用RS-485總線四線制來設計機械臂關節的分布式自動控制。

1 控制系統硬件設計

1.1 關節控制器設計

關節控制器由石墨電刷直流電機供電。選擇尺寸小、運算速度高的DSP TMS320F240作為關節控制器的核心處理單元。時鐘頻率達20MHz，供電電源5V。通過JTAG接口可對DSP進行在線調試。在程序設計以及調試階段，DSP需要外擴數據存儲器作為運行內存。利用內部的正交編碼器和計數器進行判向和計數，就可以向DSP反饋電機的位置，通過測量編碼器或通道的脈沖頻率可以獲取電機的轉速。

機械臂的肘關節和腕關節回轉范圍最大，因此需要的轉速也最大，設置為1623rmp，脈沖信號最高頻率為1623×512/60=13850Hz，TMS320F240允許的最大計數頻率為時鐘頻率的1/4，即5MHz，正常計數頻率是脈沖頻率的4倍，因此脈沖信號頻率為1280kHz。顯然可以正確計數。

1.2 RS-485總線數據通信系統設計

為了增加通信的傳輸距離，提高傳輸速率，增強抗干擾能力，制定了RS-485串行總線通信標準。RS-485有二線制和四線制兩種方式。二線制可實現多點雙向通信，但是只能在半雙工通信模式下；四線制具有全雙工通信模式，但只能實現一點對多點的通信，從設備間無法直接通信。而分布式控制系統只需配置一個主設備和多個從設備，因此RS-485總線選擇四線制。

機械臂關節設計中，主計算機為主節點，各關節控制器為從節點，從節點間無需數據交互，從節點只接收主節點的任務，任務為選擇運動速度和目標位置。

2 控制系統軟件設計

2.1 關節控制器軟件設計

機械臂關節控制器的核心處理單元選擇DSPTMS320F240，主要實現目標設備的位置環控制和速度環控制。

位置環和控制環從接受指令到做出動作的反應時間為2ms。機械臂關節控制器中還增加了速度環，以提高機械臂動作的靈敏度。位置環和控制環都采用PID控制，目的是為了消除控制量的靜差、提高控制精度。由動作調試要求，選擇PID調節全部作用還是部分作用。零位霍爾接近開關用于確定設備的絕對位置，增加增量編碼器通道，可以提高設備絕對位置的準確率。路徑規劃求得的目標位置轉換為增量碼盤的脈沖數后傳給關節控制器。關節控制器比較目標值和實測值，將二者誤差輸入PID算法中獲得位置調節量。PID控制算法可以減小超調量，改善運動性能。其積分數字控制形式為：

該式可以編制控制程序。主機每50ms將速度環的輸入值發送給各關節控制器，與速度反饋值進行比較，再次輸入PID算法中獲得速度環調節量，二者調節量限幅延時后進行模數轉換輸到驅動器，控制電機運行。值得注意的是，設備啟動、停止需要的指令值變化巨大，短時間內會造成PID過大的積分積累，使得調節量超過極限控制量，引起系統超調，甚至振蕩，因此限制調節量輸出幅值是有必要的。

2.2 上位機軟件設計

上位機要求人機界面友好，可操作性強。第一是響應界面指令，從數據庫中讀寫參數；第二是根據界面指令值，算出機械臂關節軌跡規劃在各個時間段內的目標位置；第三是讀取目標位置參數值，通過RS-485總線向六個關節發出指令，驅動電機運動。

3 實驗

先進行單關節調試，向主機寫入指令，2ms內機械臂無動作，則返回提示信息。響應則在主機界面上顯示收發信息，包括機械臂的絕對位置和轉動角度。通信正常，顯示器顯示綠色實際位置曲線，反之，為紅色。

其次進行六關節實驗，監控界面上定義20ms發生一次通信信號，內容包括增量位置和絕對位置。在所有關節控制器的響應通信時間均小于20ms時，符合通信響應速度要求。

為了檢測機械臂關節的點對點、直線和圓弧的靈活動作位姿，給出了機械臂某關節位置隨時間的變化軌跡，輸出限幅范圍為1000mm，關機控制器取12V對應50%占空比電機端電壓。六關節機械臂的任意軌跡運動精確、迅速。通過實驗驗證了上述硬件和軟件設計的正確性和執行效率。

4 結論

本文設計了上位機和六個關節控制器，實現了機械臂的位置環和速度環的控制，選擇了各控制節點間的RS-485總線四線制連接方式，由分布式控制器結構設計了對應的控制軟件。上位機通過RS-485總線協調六個關節控制器，實現機械臂點對點、直線和圓弧任意軌跡運動。

參考文獻：

[1]鄭劍飛.六自由度機械臂分布式控制系統的設計與研究[D].哈爾濱工業大學，2006.

[2]史先鵬，劉士榮，董德國等.一種離散的模塊化機械臂分布式自抗擾控制策略[J].科技通報，2010，26（02）：217-222.

[3]顧義坤，倪風雷，劉業超.機械臂分布式控制系統同步方法的研究[J].機械與電子，2010（11）：69-72.