可編程控制器在機器人手中的應用

蔡基鋒

摘要：機器人手主要包含了機械原理、液壓氣動技術、自動化控制技術、計算機、傳感器等多項先進的技術集成于一體的自動化裝置。機器人手是提高生產自動化、改善勞動條件、確保生產安全、提高生產效率與質量的有效手段之一。本文主要介紹的是可編程控制器（PLC）的概念與控制模型的設計;同時也闡述了PLC在機器人手中的應用及機器人的原理與設計流程。文中介紹了機器人手的動作構成和工作狀態，并給出模式選擇方法，文中著重闡述了機器人手的控制系統，從而說明了可編程控制器在機器人中的廣泛應用。在當今的時代，機器人已經廣泛地應用于機械制造中，可以代替人類高質量地完成大量工作，機器人與其他的智能化設備在空間、海洋等探索中會獲得非常廣泛的發展前景。

關鍵詞：PLC;機械手;機器人

中圖分類號： TP18? ? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2021）03-0192-03

Abstract： The robot hand mainly includes a number of advanced technologies such as mechanical principle， hydraulic and pneumatic technology， automation control technology， computer， sensor， etc.， integrated into one automation device. Robot hand is one of the effective means to improve production automation， improve working conditions， ensure production safety， and improve production efficiency and quality. This article mainly introduces the concept of programmable logic controller （PLC） and the design of the control model; it also explains the application of PLC in the hands of a robot and the principle and design process of the robot. The article introduces the action composition and working status of the robot hand， and gives the mode selection method. The article focuses on the control system of the robot hand， which explains the wide application of programmable controllers in robots. In today's era， robots have been widely used in machine manufacturing and can replace humans to complete a large amount of work with high quality. Robots and other intelligent equipment will have a very broad development prospect in the exploration of space and ocean.

Key words： PLC;manipulator;robot

1 可編程控制器

1.1 可編程控制器的概念

可編程控制器（Programmable Logic Controller）我們通常稱它為PLC。PLC是通用的自動控制裝置，它是以微型處理器為核心并且通過繼電順序控制的。PLC是通過數字、模擬的信號輸入輸出來控制各種機械運動和生產流程，并且通過類似于計算機一樣的邏輯運算、順序控制、定時、數學運算等指令來控制各種設備的。PLC具有易擴展、高可靠、抗干擾等特點。它在自動化控制系統中具有很重要的地位。

1.2 PLC控制模型的硬件設計

在PLC中硬件設計是具有很重要的地位的。PLC控制系統的各種性能是與它的存在有著很密切的關系，例如安全性、穩定性和可靠性。其主要由輸入和輸出兩部分電路組成。

1）PLC控制系統的輸入電路設計：PLC的供電電源通常是交流220V電壓，輸入電路電源，一般采用DC 24V，要做好預防短路的措施，不然會影響到系統運行。

2）PLC控制系統的輸出電路設計：根據生產的需求，PLC應用于高頻率的動作，并且響應的速度要快時，采用晶體管輸出。如果要達到每分鐘六次以下的輸出頻率，并保證輸出的電路簡單、抗干擾能力強并且負載能力強的話，應該首先考慮繼電器輸出。

2 機械手

2.1 機械手概念

機器人一般是由機器體、控制器、驅動器、傳感器組成，它能夠做一些類似人的操作，能夠完成各種自動化的作業操作的設備。它對于提高工作效率、保證工作質量和改善勞動條件起到了非常關鍵性的作用。現在衡量一個國家的自動化水平，機器人的生產應用的發展情況是很關鍵的部分。在生產中應用機械手能夠有效地提高生產的水平，節約勞動成本，保證生產安全，尤其是在惡劣的環境中，人為操作危險的時候，機械手能夠起到很好的代替作用。所以在焊接、鍛造、機械加工等重要的工業生產中已經具有更廣泛的應用。

現在的技術水平越來越發達，機械手的構造越來越簡單化，也同時能夠獨立的根據程序的設置控制來重復的完成一項工作，機械手能夠很快地改變工作的流程，具有較強的適應能力，因此在科技發展迅速的時代，應用越來越廣泛。

機械手也分為各種類型，如液壓機械手、氣壓機械手等。

液壓機械手是通過液壓油提供動力執行各種動作。液壓機械手動作較慢、運轉平穩、力量很大。氣壓機械手由氣壓傳動，氣源方便、動作迅速、結構簡單、造價較低、維修方便。但難以進行速度控制。

液壓技術通常有以下優點：

（1）液壓設備產生的慣性大，這樣當突然停止停車或過量載重的時候，不會有較大的沖擊力，更安全﹔

（2）可以實現各種速度的調節，能夠在給定范圍內自動的調節速度﹔

（3）可以很好地改變方向，在不改變電機旋轉方向的條件下，可以實現有效的重復的旋轉與直線運動的轉換;

（4）在空間布局上液壓器和馬達之間用油管相連接不受彼此的限制;

（5）采用液態介質，配件之間能夠起到很好的潤滑作用，使配件之間的摩擦力小，增加的使用的壽命;

（6）自動化的程度很高，操作控制簡單;

（7）過載時能夠有效地起到保護作用。

2.2 機械手工作原理

機械手在工作的過程中，是通過PLC發送指令給電磁閥，電磁閥在動作的時候將信號發送給液壓機，液壓機接收到信號后，將動力傳送給機械閥，機械手獲得動力后進行一系列的操作動作。PLC在根據實際的操作情況，將指令傳遞到下一步操作中。

2.2.1 執行機構

執行機構是類似于人體手、手腕、手臂的構造，并且還有立柱與其他的零件組成的，有的甚至還包括腿部部件，能夠行走。

1）手部

機械手手部是類似于人手的重要部位，機械手的手部是用來抓取物品的。機械手的手部根據它在執行工作的過程中根據不同的拿起方式我們通常把它分為吸附式和夾持式兩種手部。然而我們也可以通過手指在運動時候的方式將它歸類為回轉型的手指和平移型的手指。在兩種不同類型的手指中回轉型的手指構造簡單生產容易，所以當前在機械手中應用比較廣泛。平移型的手實際應用的比較少，其構造復雜，但是平移型的手指在拿圓形物體時不會因物體的大小而影響到機械手軸心的位置，所以平移型的手指一般應用于直徑變化較大的物體上。一般機械手的手指結構會根據其應用到的環境決定的。傳力機構是通過手指握力操縱想要拿取的物體的。

現在工業生產中比較常見的傳力結構通常有滑槽杠桿式的和連桿或斜面的杠桿式傳力機構，齒輪齒條式的和絲杠螺母彈簧式的傳力機構通常也是應用比較廣泛的。

2）手腕

手腕是用來連接手與手臂之間的部件，通過手腕可以調整拿物體的方位。

3）手臂

手臂是用來支撐手拿物體的重要部分。手臂可以帶動手指去拿物體，同時可以按照指令將物體放到需要的位置。驅動手臂的運動部件與動力源互相配合著會使手臂做出各種動作。

4）立柱

在機械手工作的時候，手臂的旋轉與方向動作都是與立柱有著很大的關系的，手臂的支撐就是通過立柱完成的。機械手的立柱有時也可以橫向進行移動，我們稱這樣的立柱為可移動式立柱。

5）機座

在機械手中機座是一個非常重要的部件，它將支撐連接機械手各個部件，同時機械手中的部件是都安裝在它的身上。

2.2.2 驅動系統

機械手的各種動作的執行是由驅動系統來完成的。它是由動力、調節、輔助裝置組成的。生產中通過給機械手提供動力的不同方式我們可以歸類為機械式驅動系統、液壓式驅動系統和氣壓式驅動系統。這3種不同的動力方式都有著自己獨特的優缺點。

2.2.3 控制系統

機械手根據相應指令對應做相關的操作時都是通過控制系統來完成的。程序控制和電氣定位兩個系統共同構成了當前最普遍的工業應用的機械手。本文介紹的機械手控制程序是由PLC構成，用PLC來支配整個機械手的運動程序，同時存儲相應的指令去按照系統發出的指令信息執行對應的動作，PLC還可以監視機械手的動作，如果當機械手的動作出現錯誤時或存在故障的時候PLC可以對機械手的動作進行監視并發出警告。

2.2.4 位置檢測裝置

位置檢測裝置是用來檢測機械手在做相應操作時，達到指定位置后發出信號反饋給控制系統，而控制系統會將檢測裝置發送過來的信息與設置的位置信息做對比，然后通過控制系統進行更改調整，最后能夠準確地使機械手達到對應的位置。

3 機械手軟件設計

3.1 軟件設計流程

機械手的工作流程一般依照以下順序執行：拿、運、放與恢復原始狀態。機械手的手臂在伸出到指定位置時，傳感器在檢測到相應位置，手指松開，然后手臂下沉到最低位置，收緊手指手抓，這個整個過程大約耗時1秒鐘，到這個過程結束后，整個抓取工作完成。

機械手抓緊物體后，手臂在最低位，有限位傳感器進行發出信號，然后去使手臂上移，手臂上移到指定位置收回手臂，當手臂收縮到最后位置后旋轉到指定位置，并下沉到具體位置，在要求指定區間，打開手抓，完成物體放置，整個過程限制到1秒鐘完成。當整個過程完成后，機械手臂會恢復初始狀態。

3.2 抗干擾設計

在整個工業電磁環境中，為了確保機械手的正常運轉，應該避免或者少受電磁造成的干擾，為了避免干擾就需要對設計做出有效的抑制操作，抑制干擾源或者隔斷傳播的渠道來增強設備的運行抗干擾能力是當前大多數設備的抗干擾途徑的有效方式。

為了抗干擾我們這里可以使用高性能的電源來控制電網中存在的干擾信號，同時也可以在信號傳入計算機之前，在信號線與地之間增加電容，來減少造成的干擾，并且在電容兩極增加濾波器，減少干擾。

4 結束語

本文主要介紹了PLC的概念、PLC的硬件設計、PLC在機器人手中的應用以及工作原理。 本文結論如下：

1）機械手使用液壓技術可適用于各種復雜的環境，如高溫、粉塵等惡劣環境。

2）用PLC作為控制器，優化了機械手群的控制系統。

3）本文設計的機器人手，結構清晰易于實現，具有廣泛的應用性。

4）用PLC來控制每個機械手能完成類似于人的各項動作。

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【通聯編輯：唐一東】