基于六自由度機械臂的雨水含沙量測量裝置的設計

張國英，沈丹峰，劉夏軒德，張旭祥

（西安工程大學機電工程學院，陜西 西安 710048）

本文依據雨水采集與含沙量的測量要求，采用串聯機械手代替人工完成抓取水杯、接涵道流出的雨水、稱重、傾倒杯中水、清洗水杯等5項任務。通過對上述動作的分解，采用六自由度串聯機器人，設計了六自由度工業機器人的結構尺寸；采用自然用戶界面互交方式，開發了一種基于CPAC GUC-X00-TPX平臺的六自由度機械臂控制系統。該控制系統以CPAC-Otostudio為編程環境，編制控制程序，對六自由度機器人操作能力和抓取動作做出了相關實驗。

1 機械臂的總體方案

在雨水采集過程中，考慮雨水含沙量測量的工作要求，采用機械臂在戶外進行取樣具有靈活性、可靠性及安全性，設計的機械臂具有移動，翻轉等多種空間位姿，因此選用六自由度串聯機械臂。六自由度機器人安裝在一個可移動的平臺之上，能夠在移動的工程中通過六自由度條件來抓取空間上的物體。在結構設計上，移動平臺采用了四輪式結構，通過獨立的電機提供動力，能通過事先規劃好路線或人為控制到達指定的工作位置，并且利用移動來配合機械臂抓取動作。六自由度串聯機器人構架主要由基座、腰部、支臂、小臂、腕部和氣動手爪組成，各部位銜接處的關節是轉動副，串聯機器人的總體結構如圖1所示。

圖1 六自由度機械臂

機械系統由連桿、旋轉關節等單元串聯連接而成，機械臂的六個關節形成串聯式開鏈結構。每個相鄰的關節都對應相應的姿態坐標位置，通過旋轉平移進行坐標轉化，各關節軸線相互平行或垂直。根據西安市水保局對雨水含沙量的檢測標準，雨水含沙量的取樣位置要求，設計的六自由度工業機器人的工作空間。主要部件尺寸如下：大臂的長度570mm、旋轉角（0-180°)，小臂的長度650mm、旋轉角（0～120° )，腰部的長度 150mm、旋轉角（0～160° )，手爪的長度105mm、旋轉角（0～180°)等。

2 機械臂控制系統硬件設計

本文采用CPAC-GUC-X00-TPX平臺作為機械臂運動控制卡系統。該系統編程環境為CPAC-Otostudio，利用PLC模式進行編程，它由CPAC-OtoBox控制器、步進電機驅動器、原點開關、正/負限位開關、IO擴展模塊等組成。運動控制器提供兩種不同的控制信號：正脈沖/負脈沖、脈沖+方向。在控制步進電機時，控制模式為閉環控制，用外接編碼器來監控實際位置。

2.1 GUC-X00-TXX-M01-L2型運動控制器

GUC-X00-TXX-M01-L2型運動控制器是一款4/8軸運動控制器，該控制器嵌入了PLC編程環境。它需要外接GT2-800-ACC2八軸端子板或GT2-400-ACC2四軸端子板才能與驅動器及外部輸入/輸出設備相連，六自由度機械臂采用該控制器GUC-X00-TXX-M01-L2型運動控制器的接口定義如下[HMI—HMI接口，VGA—標準VGA接口，KB/MS—鍵盤、鼠標接口，USB—雙層USB接口，LAN—以太網接口，RS232—通用串行口，EXT IO—高速IO擴展接口，AXIS（1-4）控制器與端子板接口1，AXIS（5-8）控制器與端子板接口2，POWER—電源接口]。

2.2 GT2-800-ACC2-V2.0-V型號的八軸端子控制板

六自由度機械臂采用端子控制板，用于接收運動控制系統發出的控制指令，并將控制指令信號傳遞給位置編碼器，從而帶動電機使機械臂產生相應的位置運動。端子控制板是一個從機，即它能接收命令，或者執行事先設置好的命令。需要使用控制器給端子控制板發送命令，通過端子控制板來控制電機，使其傳送相應的命令。控制器接線端子和驅動器的接線端子的接口定義如下 [ALM—驅動報警，ENABLE—驅動允許，A-、B-、C-、—編碼器輸入，DAC—模擬輸出，DIR+—步進方向輸出， PULSE—步進脈沖輸出， RESET—驅動報警復位，A+、B+、C+—編碼器輸入。

3 機械臂控制系統軟件設計

3.1 控制系統軟件設計概述

采用六自由度機械臂進行分別完成取杯、接水、稱重、倒水、放杯等五個動作。根據機械臂的實際動作要求，采用CPAC-Otostudio編寫相應的動作指令并傳遞給端子板控制器，并將動作指令發送給位置編碼器，端子板通過位置編碼器控制各個步進電機，進而完成機械臂的相應動作。

3.2 電機運動狀態檢測程序設置

六自由度機械臂進行作業過程，需要經過各軸的姿態變換到達目地位置。通過六個電機驅動作為輔助，位置編碼器傳遞相應的信號脈沖，每個電機對相應位置進行運動到位檢測，并且使用到位誤差帶規劃位置，編碼器位置的誤差在設定的誤差帶內保持設定時間。檢測電機到位標志可以保證系統的定位精度，根據機械臂系統的實際情況設置合適的到位誤差帶和誤差帶保持時間可以得到電機的運動狀態。軸(axis)的配置過程中規劃器(profile)和編碼器(encoder)的輸出值可以通過axis進行當量變換之后再輸出。axis相關的狀態讀取profile和encoder的輸出值經過當量變換之后的值。

4 實驗

雨水含沙量提取工具使用六自由度機械臂進行采樣，分別完成取杯、接水、稱重、倒水、放杯等五個過程。在實驗室搭建六自由度機械臂機械本體一臺，由于存在接水過程，對末端執行器的穩定性有較高要求，對速度的變化也有一定要求。加速度較大會產生的較大振動，造成灑水現象，過低的速度將不利于快速采樣。

根據采樣時間間隔要求是間隔5min進行一次雨水采集，選擇機械臂末端執行器運動速度為1m/s。啟停過程中產生的加速度的大小會出現杯中水由于振動而溢出現象。通過多次實驗發現，當末端執行器啟停加速度小于5m/s2時，機械臂能夠穩定運行且不會有灑水現象。因此，將其速度和加速度選取在不灑水的可控范圍內（速度保證在1～5m/s之間，加速度應保證在2～5m/s2之間）。

實驗中，設定速度為30mm/s，加速度2mm/s2，機械臂按照下述5個步驟移動工位，完成不同任務。實驗驗證了基于CPAC-Otostudio和CPAC GUC-X00-TPX平臺的可以滿足設計要求。

Step1：機械臂取杯；Step2：機械臂接水；Step3：機械臂稱重；Step4：機械臂倒水；Step5：機械臂放杯。

5 結語

本文采用CPAC-OtoBox控制器和GT2-800-ACC2-V2.0-V型號的端子控制板搭建六自由度工業機械臂控制系統對雨水含沙量的測量動作進行運動控制，利用D-H坐標系進行建模，實現了運動學的正解的計算，并規劃出末端執行器的軌跡；利用CPAC-OtoBox作為控制核心，完成機械臂的軟件，實現了手臂受控運動。實驗表明CPAC-OtoBox控制器和CPAC GUC-X00-TPX平臺設計制作六自由度機械臂，可以很好的滿足雨水含沙量測量工作。