机械臂控制系统设计

机械臂控制系统设计工业机械臂是近代自动控制领域中一项新的技术，发展由于积极的作用被人们重视，机械臂是机器人的重要组成部分，机械臂主标签：机械臂；控制；系统；设计一、设计选型分析关节结构的设计分析机械臂按照运动形式可以分为直角坐标型、圆柱坐标型、关节型、极坐标型，直角坐标型的臂部由三个相互正交的移动副组成，带动腕部分别沿着X、Y、Z三个坐标轴的方向作直线移动，而且结构十分的简单，运动位置精确度很高，但是占得空间很大，工作范围很小，圆柱坐标型的臂部由一个转动副和两个移动副组成，占的空间很小，工作范围大，可以在狭窄空间内绕过各种障碍物，二极坐标型的臂部是由两个转动副和一个移动副组成，产生沿手臂轴X的直线移动，绕基座轴Y的转动和绕关节轴Z的摆动，手臂可作绕Z轴的俯仰运动，并且抓住地面的物体，采用关节型的基础上，局部结合三种进行设计。对于臂部的设计应该满足承载能力足、刚度高、导向性能好、定位精度高、重量轻、转动惯量小、与腕部和机身的连接部位设计合理。由于手臂是支承手腕的部件，设计时应该考虑抓取物体的重量或者是携带工具的重量，还有就是考虑运动时的动载荷及转动惯性，为了可以有效的防止臂部在运动的时候产生变形，手臂的截面形状应进行合理的选择，对于工字型截面的弯曲刚度会比圆截面大，空心管的弯曲刚度和扭转刚度比实心轴大，为了可以有效的防止手臂直线运动的时候，沿着运动轴线发生相对转动，应该设置导向装置，还可以采用一些缓冲措施，为了提高其运动的速度，可以减少臂部运动部分的重量，减少手臂对回转轴的转动惯量，还有就是臂部安装的形式和位置关系到其强度、刚度和承载能力，直接影响其外观。驱动控制系统的设计分析对于驱动控制系统可以分为开环控制和闭环控制，为了可以实现实时控制和精确定位等要求，使用带有反馈的闭环控制系统，也叫做伺服系统，伺服系统可以分为液压伺服系统和电动伺服系统，所以应该考虑到机械臂的重量、体积、使用方便，应该使用精度高、信号处理灵活、结构紧凑、质量小的电动伺服系统，实现同步型交流伺服电机。控制系统设计分析对于控制系统的单元要素有电动机、减速器、驱动电路、运动特性检测传感器、控制系统硬件、控制系统软件，对于机械臂的控制方式分为点位式、轨迹式、力矩控制式的智能控制式，机械臂的点位式控制可以实现其具有高精度，对于轨迹式是采用跟踪系统的原理，力矩控制式的输入量和反馈量都是力矩信号，系统中应该有力矩传感器，利用接近、滑动传感器进行控制。对于硬件系统上应该采用二级计算机控制，第一级担负系统监控、作业管理和实时查补的任务，结果作为伺服位置信号，控制第二级，而第二级是各关节的伺服系统。二、 机械臂运动控制方案运动控制系统是机械臂控制系统中的核心部分，硬件包括工业控制计算机、从手伺服控制单元、机械臂控制单元、码盘数据采集卡、外围电路板等部分。基于CAN总线的伺服运动控制单元CAN总线驱动能力很强，在短距离的时候具有高速数据传输能力，网络节点一共有127个，所有参加CAN总线的分系统通过控制单元上的总线接口进行数据的发送和接收，当一个单元出现问题是不影响其他单元的工作，CAN的驱动能力很强，选择合理支持CAN总线的驱动器，通过CAN总线与USB转接口与工控机通信，便于整体控制与协调运动。基于运动控制卡的伺服运动控制单元运动控制卡：对于运动控制卡的选择固高公司生产的GE系列运动控制器，这种控制器的核心由DSP和FPGA组成，有效的控制8个轴协调运动，编程梯形曲线规划和S曲线规划，控制器支持模拟量与脉冲量输出方式，具有16路通用数字I/O端口，而且每个轴都有信号捕获、编码器Index信号捕捉、电机正负限位功能。电机与驱动器：机械臂的移动关节实现其整体的升降，而且承载力很大，需要提供约200W的输出功率，决定采用交流电机实现，选择安川交流伺服雷机，根据电机的功率，选择ACJ-055-18型直流伺服驱动器和ACK-055-06型直流伺服驱动器。三、 控制系统软件设计软件总体结构对于机械臂控制系统根据完成功能的不同划分为控制部分、规划部分、辅助部分，采用面向对象设计方法在控制软件中把几部分封装到相应类中，有电机类、控制类、规划类、辅助类。电机类主要是控制单个电机运动，封装运动控制器对电机操作的所以接口函数，更换不同型号的运动控制器，重新编写成员函数的具体实现代码，有效的提高软件的通用性和扩展性。控制类主要是负责总体管理电机使其协调运动，通过控制各关节对应的电机类，由电机类直接控制电机实现协调电机运动。规划类是实现轨迹规划，由于机器人的不同动作规划方式也是不同的，所以每个动作都对应规划类，其中包括运动学、逆运动学、主从手运动学转换关系式等函数。辅助类用在管理及辅助性操作，包括通过串口语数据采集卡分别获取外置光电编码器反馈的脉冲数、控制电磁离合器吸合。控制软件的容错性设计对于操作者的使用软件无法避免误操作，在运行中如果控制软件不能检测出这种错误，对机械臂造成损坏，所以需要容错性设计。跟踪误差极限：在实际位置误差之后超出预设值，控制器中断出错电机，发送运动出错指令，这种情况位置反馈消失、系统响应速度很慢或者是电机发生故障。速度限制：在进行主从控制中，操作主手动作太快，关节速度很大，影响运动精度的时候，使手术带来很大的风险，在运动时检测运动速度，速度接近电机极限速度时，进行警告，连续两次运动速度太大的时候，机械臂就会停止运动。位置限制：软件对增加机械臂极限位置的限制，运行到接近机械臂极限位置时，操作者感到阻力增加，当超出极限位置时，从手自动停止运动。四、运动规划对于机械臂末端从初始位置运动到无标位置时，是关节空间中机械牛轨迹规划，把关节变量映射成时间的函数，并且规划其时间导数，指定末端器械的起始位资、终止位资以及中间位资后首先通过运动学吧路径点转换成关节角度值对关节拟合光滑函数，通过路径点，到达目标点。带抛物线过渡的之间插补对于各关节在相邻路径点之间采用线性插值，有效的避免角速度突变，插值采用抛物线过渡，运动控制卡提供带抛物线过渡的直线插补函数，可以进行直接的调用。多项式插补对于多项式插补，对于每次运动关节有三段运动轨迹，首先是由初始点到提升点的轨迹用四次多项式表示，其次就是由提升点到下方点的轨迹用三次多项式表示，最后由下放点到终止点的轨迹由四次多项式表示。为了满足一定的条件，对于各关节的位移、速度、加速度在实践间隔内连续性要求，极值应在各关节变量的允许范围内。结语：随着科学技术的快速发展，自动化程度也是越来越高，市场竞争十分的激烈、人工成本增加，过去人工操作的搬运和固定式输送带为主的传统物件搬运方式，占用空间不容易变更生产线结构，需要很多人力监督操作，使得生产成本增加，过去的生产装料装置无法满足现在高度自动化的需要，减轻劳动强度、保证生产的可靠性、安全性、降低生产成本、减少环境污染、提高产品的质量及环境效益是企业需要考虑的问题，所以应该充分的利用先进的计算机技术设计机械臂控制设计工作，增加企业的竞争能力。参考文献：［1］ 崔帆；基于CAN总线的机械臂网络化控制系统设计［D］；国防科学技术大学；2011年［2］ 韩致信；严镭；任燕宏“七自由度仿人机械手的逆运动学分析［J］；科学技术与工程；2011年08期［3］ 房娟；；机