一種多關(guān)節(jié)智能機(jī)械手臂控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

朱小川

摘要：在制造業(yè)飛速發(fā)展的今天，工廠和企業(yè)為了提高自己生產(chǎn)上的績效，而且也可以在一定程度上提高產(chǎn)品質(zhì)量，還可以提高企業(yè)整體機(jī)械自動(dòng)化的程度。工業(yè)機(jī)器人和工業(yè)自動(dòng)化的水平關(guān)系到一個(gè)國家整體制造業(yè)發(fā)展的水準(zhǔn)，所以國家的制造業(yè)要想得以快速發(fā)展，就必須要意識(shí)到工業(yè)機(jī)器人和工業(yè)自動(dòng)化建設(shè)的重要性。因此，本文首先概述了機(jī)械手臂的組成和工作模式；其次，根據(jù)機(jī)械手臂以上的基本理論和原理的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)一種多關(guān)節(jié)智能機(jī)械手臂控制系統(tǒng)，進(jìn)而使得機(jī)械手臂的工作效率大大提高，智能性也逐步增強(qiáng)。

關(guān)鍵詞：機(jī)械手臂；智能；控制系統(tǒng)；設(shè)計(jì)

前言

由于機(jī)械手臂是近現(xiàn)代制造業(yè)發(fā)展中出現(xiàn)的新型的技術(shù)形式，它的逐步發(fā)展使得企業(yè)整體的生產(chǎn)水平得以進(jìn)一步提高，因此在這種條件下開發(fā)研制一種多關(guān)節(jié)智能機(jī)械手臂，但是這種機(jī)械手臂所要涉獵學(xué)科廣泛，包括機(jī)械學(xué)、力學(xué)和計(jì)算機(jī)信息技術(shù)等，這就使得機(jī)械手臂在控制上常常出現(xiàn)一些不足，因此本文主要基于機(jī)械手臂的工作原理和構(gòu)成，采用CAN總線對(duì)于機(jī)械手臂進(jìn)行智能控制，可以使得機(jī)械手臂的控制能力大大提高。

1.概述機(jī)械手臂的組成和工作模式

1.1機(jī)械手臂的組成

機(jī)械手臂主要是由控制系統(tǒng)和驅(qū)動(dòng)裝置、執(zhí)行裝置組成。首先，執(zhí)行裝置主要由手掌和腕部、手臂等組成，主要的用來抓取一些部件和工具，而且它可以根據(jù)不同抓取物的大小和形狀變換不同的方式抓??；驅(qū)動(dòng)裝置主要是使得手臂變換不同的形態(tài)對(duì)于抓取物進(jìn)行靈活抓??；控制系統(tǒng)主要是利用網(wǎng)絡(luò)和多媒體信息技術(shù)對(duì)于整個(gè)機(jī)械手臂的自由度進(jìn)行控制，進(jìn)而使得機(jī)械手臂的自由度進(jìn)一步提升，相對(duì)于以前的點(diǎn)動(dòng)和連續(xù)性控制效率大大提高。由于現(xiàn)在大多的工廠采用伺服電動(dòng)和計(jì)算機(jī)信息技術(shù)進(jìn)行機(jī)械手臂控制的[1]。

1.2機(jī)械手臂的工作模式

機(jī)械手臂的伺服驅(qū)動(dòng)裝置，主要是通過關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)對(duì)于機(jī)械手的基本動(dòng)作進(jìn)行控制，目前機(jī)械手臂主要是采用閉環(huán)控制的原理進(jìn)行控制。伺服電機(jī)的基本原理是計(jì)算主機(jī)給出的關(guān)節(jié)應(yīng)該操作的位置和計(jì)算機(jī)探測到的關(guān)節(jié)應(yīng)該操作之間出現(xiàn)的誤差，該誤差通過數(shù)據(jù)模型的轉(zhuǎn)換和功放之后，這樣可以使得機(jī)械手臂和關(guān)節(jié)操作更加精準(zhǔn)。各種伺服電機(jī)是現(xiàn)在經(jīng)常使用的驅(qū)動(dòng)裝置，由于一般伺服電機(jī)輸出的速率較高，輸出轉(zhuǎn)矩小，但是關(guān)節(jié)帶動(dòng)的力度和轉(zhuǎn)速不足，但是力矩卻較大。因此，在電機(jī)與負(fù)載間需要一種優(yōu)質(zhì)的驅(qū)動(dòng)裝置，使得轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速在一定意義上達(dá)成一致。

另一種驅(qū)動(dòng)裝置是計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，各關(guān)節(jié)伺服驅(qū)動(dòng)性信號(hào)和指示都是通過主機(jī)進(jìn)行計(jì)算后采樣發(fā)出的。計(jì)算機(jī)根據(jù)整體的軌跡運(yùn)行狀態(tài)，進(jìn)而得到在不同階段和時(shí)間下軌跡運(yùn)行數(shù)據(jù)，依據(jù)反向運(yùn)動(dòng)的原理把這些軌跡數(shù)據(jù)的變化，進(jìn)一步轉(zhuǎn)化成對(duì)于各個(gè)關(guān)節(jié)的指令數(shù)據(jù)。通常采用主機(jī)與關(guān)節(jié)計(jì)算機(jī)對(duì)于機(jī)械手臂進(jìn)行控制。而且有時(shí)候需要進(jìn)行智能化的操控，還需對(duì)包括視覺在內(nèi)的各種傳感信號(hào)進(jìn)行搜集和處置并進(jìn)行智能的形態(tài)下的辨析、解決問題、工作的規(guī)劃、進(jìn)行決策，這些才需要三級(jí)計(jì)算機(jī)形式進(jìn)行控制[2]。

2.多關(guān)節(jié)智能機(jī)械手臂控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.1多關(guān)節(jié)模式的設(shè)計(jì)

多關(guān)節(jié)的機(jī)械手臂主要是四個(gè)手指和六個(gè)手指構(gòu)成，可以在垂直和水平這兩個(gè)方向進(jìn)行平面運(yùn)動(dòng)，而且通過四個(gè)或六個(gè)不同的電機(jī)對(duì)四個(gè)或六個(gè)手指進(jìn)行控制，進(jìn)而使得整個(gè)的手臂進(jìn)行抓取的運(yùn)動(dòng)。當(dāng)電腦的主機(jī)發(fā)出控制信號(hào)的時(shí)候，帶有傳感功能的裝置就會(huì)對(duì)于要抓取的物體的位置進(jìn)行探測，從而將控制器接收到信號(hào)，進(jìn)而操作電機(jī)帶動(dòng)手臂和關(guān)節(jié)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，等要抓取物體的時(shí)候就會(huì)對(duì)手臂發(fā)出指令，進(jìn)而完成整個(gè)抓取動(dòng)作，抓取結(jié)束后智能手臂控制系統(tǒng)還會(huì)將指令發(fā)送到電機(jī)裝置，進(jìn)而使得整個(gè)多關(guān)節(jié)模塊完整的得以呈現(xiàn)，還可以使得機(jī)械手臂的自由度進(jìn)一步提升，而且控制效率大大提高[3]。

2.2控制和驅(qū)動(dòng)裝置的整體過程的設(shè)置

現(xiàn)在國際和國內(nèi)在控制多關(guān)節(jié)智能機(jī)械手臂主要是采用CAN總線進(jìn)行調(diào)控，機(jī)械手臂的每個(gè)關(guān)節(jié)可以通過CAN總線進(jìn)行規(guī)范化的控制和操作，而且每個(gè)關(guān)節(jié)都是這個(gè)網(wǎng)絡(luò)控制下的一個(gè)環(huán)節(jié)，他們之間的關(guān)系是缺一不可和相輔相成的。每個(gè)關(guān)節(jié)都要與CAN總線進(jìn)行連接，而且在傳輸數(shù)據(jù)的時(shí)候用數(shù)據(jù)包的形式，這就使得CAN總線通過控制器對(duì)于機(jī)械手臂的每個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行監(jiān)測；另一方面，每個(gè)關(guān)節(jié)點(diǎn)和環(huán)節(jié)也可以通過自己的傳感器將自己對(duì)于機(jī)械手臂監(jiān)測信息傳到CAN總線的控制網(wǎng)絡(luò)上，進(jìn)而形成一個(gè)封閉的控制系統(tǒng)，這樣可以使得控制終端及時(shí)調(diào)整手臂的位置，進(jìn)而更加精準(zhǔn)的完成工作和任務(wù)，進(jìn)一步提高生產(chǎn)的效率，而且還可以節(jié)省資源和控制上的人力投入。另外，整個(gè)設(shè)計(jì)過程不光需要硬件設(shè)備的投入，還需要注重設(shè)計(jì)過程中的計(jì)算機(jī)軟件應(yīng)用程序的建設(shè)，這對(duì)于完善整個(gè)智能手臂的控制設(shè)計(jì)模式有一定的促進(jìn)作用，因?yàn)檐浖P(guān)系到整個(gè)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的好壞，因此在設(shè)計(jì)的過程中很重視這方面的開發(fā)和研究。

3.結(jié)語

隨著現(xiàn)代在制造業(yè)的不斷發(fā)展，以及工業(yè)自動(dòng)和機(jī)械化的不斷推進(jìn)，因此這就促使企業(yè)研制和探索開發(fā)智能機(jī)械手臂，從而使得自己的企業(yè)的工作和生產(chǎn)的效率進(jìn)一步得以提升，而且也節(jié)約了工作的時(shí)間和人力和物力的投入。因此本文首先概述了機(jī)械手臂的組成和工作模式；其次，根據(jù)機(jī)械手臂以上的基本理論和原理的基礎(chǔ)上，利用目前國際和國內(nèi)先進(jìn)的CAN總線的控制技術(shù)和模式，設(shè)計(jì)一種創(chuàng)新性的智能機(jī)械手臂控制裝置，進(jìn)而使得機(jī)械手臂的工作效率大大提高，智能性也逐步增強(qiáng)，而且也使得機(jī)械手臂的便捷性和靈活性大大提升，這對(duì)于整體工作效率的提高也也有一定促進(jìn)作用。

參考文獻(xiàn)：

[1]陳玄.基于模糊控制下多自由度機(jī)械手臂控制技術(shù)的研究[D].中北大學(xué)，2014.

[2]杜剛.關(guān)于機(jī)械手臂控制方案的研究[J].科技資訊，2013，29：83.

[3]范正妍，楊飛.智能機(jī)械手臂造型設(shè)計(jì)研究[J].機(jī)械設(shè)計(jì)，2013，12：100-103.