基于PC＋數(shù)據(jù)采集卡的沖壓送料機(jī)器人的控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)＊

郭立芝

（西安石油大學(xué) 電子工程學(xué)院，陜西 西安 710065）

0 引言

目前，基于PC的機(jī)器人控制系統(tǒng)是在PC機(jī)硬件平臺(tái)和操作系統(tǒng)的基礎(chǔ)上使用市售的應(yīng)用軟件和硬件板卡，構(gòu)造出機(jī)器人控制系統(tǒng)。開放式機(jī)器人控制器的主要思想是：使用基于非專用計(jì)算機(jī)平臺(tái)的開發(fā)系統(tǒng)；使用標(biāo)準(zhǔn)操作系統(tǒng)和標(biāo)準(zhǔn)控制語言；使用基于標(biāo)準(zhǔn)總線結(jié)構(gòu)的硬件，以便與各種外圍設(shè)備和傳感器接口；使用網(wǎng)絡(luò)策略，使工作單元控制器可以共享數(shù)據(jù)庫，并支持遠(yuǎn)程操作［1］?；谠撍枷氡疚牟捎肞C＋數(shù)據(jù)采集卡的控制模式，由于采集卡的控制方式靈活，成本低廉，有利于循環(huán)利用［2］，在程序和算法上可以自主編制各類算法，適合本課題研究的需要。

本文的沖壓送料機(jī)器人采用的是關(guān)節(jié)型機(jī)器人，關(guān)節(jié)型機(jī)器人是模擬人的上臂而構(gòu)成的，設(shè)計(jì)為四個(gè)關(guān)節(jié)，它由底座、肩關(guān)節(jié)、大臂、小臂、腕關(guān)節(jié)和機(jī)械手組成，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。其中肩關(guān)節(jié)是負(fù)責(zé)機(jī)器人整體旋轉(zhuǎn)的部件，它主要由驅(qū)動(dòng)電機(jī)、齒輪減速箱、皮帶減速裝置組成，電機(jī)驅(qū)動(dòng)力矩通過減速裝置轉(zhuǎn)換成驅(qū)動(dòng)腰部及腰部以上負(fù)載所需力矩后，驅(qū)動(dòng)腰部做回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；大臂是介于肩關(guān)節(jié)和小臂之間的重要部件，是力矩的主要承擔(dān)者。大臂的驅(qū)動(dòng)電機(jī)及其減速裝置裝在大臂端部盡量減少轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，驅(qū)動(dòng)電機(jī)產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)力矩通過減速裝置轉(zhuǎn)換的力矩驅(qū)動(dòng)大臂擺動(dòng)；小臂是連接大臂和腕關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)，小臂的電機(jī)及減速裝置產(chǎn)生的力矩驅(qū)動(dòng)小臂擺動(dòng)；腕關(guān)節(jié)是連接手抓和手臂的關(guān)鍵部位，關(guān)節(jié)產(chǎn)生垂直方向上的轉(zhuǎn)動(dòng)，提供機(jī)器人良好的定位性能，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)；機(jī)械手是整個(gè)機(jī)器人的末端機(jī)構(gòu)，負(fù)責(zé)工件的夾持和定位，機(jī)械手的設(shè)計(jì)既要滿足使用性能，又要盡量減少自身的重量。

圖1 機(jī)械機(jī)構(gòu)簡圖

1 基于PC＋數(shù)據(jù)采集卡控制系統(tǒng)的硬件組成

該控制系統(tǒng)的核心部分主要包括工業(yè)PC機(jī)、數(shù)據(jù)采集卡、控制電路、伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、伺服電機(jī)和位置反饋電路。控制系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)采集卡負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)控制信號(hào)的處理，采集卡輸出信號(hào)進(jìn)入伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)機(jī)器人的各個(gè)關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)到指定位置。其結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 控制系統(tǒng)總體示意圖

1.1 工業(yè)PC機(jī)

整個(gè)控制系統(tǒng)采用工業(yè)PC機(jī)作為控制器，主要實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂正、逆運(yùn)動(dòng)學(xué)計(jì)算及控制算法的實(shí)現(xiàn)；實(shí)現(xiàn)與控制機(jī)械臂的伺服驅(qū)動(dòng)器的通訊；各關(guān)節(jié)反饋信息和狀態(tài)監(jiān)控信號(hào)的顯示和傳感器信息的處理等功能。

1.2 伺服電機(jī)控制器

本文中利用報(bào)廢機(jī)器人上的maxon電機(jī)驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)，因此同樣選用maxon伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器（maxon motor control4-Q-DC Servo Control LSC 30／2）進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，這是專門針對(duì)maxon電機(jī)設(shè)計(jì)的伺服電機(jī)放大控制器，具有很強(qiáng)的控制功能和穩(wěn)定性，電源電壓12～30v之間。

1.3 位置反饋電路的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1）位置反饋電路

沖壓送料機(jī)器人的位置反饋是靠旋轉(zhuǎn)電位器來實(shí)現(xiàn)的，旋轉(zhuǎn)電位器上的反饋電壓信號(hào)與手臂的轉(zhuǎn)角信號(hào)是相互對(duì)應(yīng)的?？梢酝ㄟ^相應(yīng)的換算關(guān)系換算成機(jī)器人的角度。圖3是位置反饋電路的示意圖，關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)角和反饋電壓信號(hào)成比例。

2）位置控制環(huán)

圖4表示的是一個(gè)單環(huán)路位置實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)，由旋轉(zhuǎn)電位器以電壓的形式反饋回位置信號(hào)。插補(bǔ)器采用直接函數(shù)計(jì)算法來產(chǎn)生位置坐標(biāo)值，直線軌跡的初始參數(shù)存放在存儲(chǔ)器中，直線插補(bǔ)器通過運(yùn)算來產(chǎn)生插補(bǔ)點(diǎn)坐標(biāo)值，逆運(yùn)動(dòng)學(xué)運(yùn)算器根據(jù)這些值求出相應(yīng)的各個(gè)關(guān)節(jié)的位置值；微分運(yùn)算器求得速度參照值。各關(guān)節(jié)位置采用多軸聯(lián)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)方式解決各關(guān)節(jié)位置控制的協(xié)調(diào)問題。

圖3 位置反饋電路

圖4 機(jī)器人單關(guān)節(jié)位置控制系統(tǒng)框圖

3）位置傳感器的標(biāo)定

在機(jī)器人位置控制過程中，旋轉(zhuǎn)電位器反饋的電壓信號(hào)與關(guān)節(jié)主軸轉(zhuǎn)角是對(duì)應(yīng)的關(guān)系，因此傳感器的標(biāo)定就顯得尤為重要了，本文在控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，對(duì)各個(gè)電位器進(jìn)行了標(biāo)定，位置傳感器與反饋電壓的關(guān)系如圖5所示。

關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角與反饋電壓關(guān)系 ：

肩關(guān)節(jié) V＝（tan（39）du）／45＋3.92（-45°～180°）

大臂 V＝（tan（40）du）／45＋2.08（-90°～90°）

小臂 V＝ （tan（33）du）／45＋0.64 （0°～150°）

腕關(guān)節(jié) V＝ -（tan（42）du）／45＋2.58（-45°～90°）

手抓 V＝ -（tan（39）du）／45＋3.05（-90°～90°）

輸入電源電壓：5伏

V：反饋電壓 單位（伏）du：關(guān)節(jié)主軸轉(zhuǎn)角 單位（度）

2 結(jié)語

本文通過PC＋數(shù)據(jù)采集卡的控制方案完成了對(duì)于生產(chǎn)送料機(jī)器人電路控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)，該系統(tǒng)利用了PC機(jī)強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理功能及數(shù)據(jù)采集卡的數(shù)據(jù)輸入輸出功能，成功地實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制的實(shí)時(shí)、多任務(wù)的控制功能要求，且運(yùn)行穩(wěn)定。

［1］李占坤，趙德安，姬偉，等.基于工業(yè)PC機(jī)的果樹采摘機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2010，（6）.

［2］侯憲倫，李向東，徐方，等.基于CAN總線的移動(dòng)機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.山東科學(xué)，2008，（11）.

［3］殷際英，何廣平.關(guān)節(jié)型機(jī)器人［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2003.