六自由度機(jī)械臂控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李煒郃

摘 要：隨著世界各地恐怖事件的不斷爆發(fā)，采用六自由度機(jī)械臂實(shí)現(xiàn)對(duì)爆炸物的排除已成為現(xiàn)如今防恐事業(yè)的一項(xiàng)重要手段，機(jī)械臂在進(jìn)行作業(yè)的過(guò)程中，排爆需要靈活的操作和細(xì)致的動(dòng)作。機(jī)械臂的自由度往往在四五個(gè)左右，為了滿足排爆工程的需求，就需要加強(qiáng)機(jī)械臂的操作自由度，因此設(shè)計(jì)六自由度機(jī)械臂就顯得尤為重要。

關(guān)鍵詞：六自由度；機(jī)械臂；控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

中圖分類(lèi)號(hào)：TP241.3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

1.六自由度機(jī)械臂控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求

六自由度機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)控制硬件分別是機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)控制、驅(qū)動(dòng)電路的底層控制、遠(yuǎn)程通信以及遠(yuǎn)程控制、視覺(jué)傳感和輔助傳感系統(tǒng)和上層控制的人機(jī)交互。

在整個(gè)自由度機(jī)械臂控制系統(tǒng)中，上位機(jī)控制系統(tǒng)的主要功能是給操作者提供良好的人機(jī)交互界面，而且機(jī)械臂的操作能夠通過(guò)配套的便攜手柄而實(shí)現(xiàn)，所以上位機(jī)要對(duì)手柄所發(fā)射的信號(hào)進(jìn)行有機(jī)的掌握和控制，對(duì)下位機(jī)系統(tǒng)的控制還需要上位機(jī)系統(tǒng)給出，同時(shí)還要將下位機(jī)及機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)狀態(tài)信息能夠及時(shí)反饋給操作者。操作手柄和下位機(jī)作為移動(dòng)設(shè)備而言，上位機(jī)控制系統(tǒng)除了能夠提供有線的控制，還要提供相應(yīng)的無(wú)線通信系統(tǒng)，其控制的有效距離在100米左右實(shí)現(xiàn)控制的指令和運(yùn)動(dòng)反饋的信號(hào)達(dá)成。在移動(dòng)載體的設(shè)計(jì)上，除了放置機(jī)械手實(shí)現(xiàn)對(duì)抓取的射線圖像檢測(cè)儀，機(jī)械臂和車(chē)身上還裝置了兩臺(tái)CCD攝像機(jī)和兩個(gè)自由度的云臺(tái)，并相應(yīng)地配備錄像機(jī)以對(duì)排爆過(guò)程進(jìn)行全程的記錄。這些信息的反饋就是通過(guò)無(wú)線圖像模塊實(shí)現(xiàn)的。

在機(jī)械臂手部的設(shè)計(jì)過(guò)程中，因?yàn)闄C(jī)器人的抓手在整個(gè)機(jī)械臂系統(tǒng)中作為最末端的執(zhí)行器，在抓取和實(shí)現(xiàn)操作工作的時(shí)候，其可以根據(jù)需要分為鉗式和吸附式。在這個(gè)層面上我們主要考慮的是機(jī)械臂在進(jìn)行工具抓取的時(shí)候，需要采用鉗式的爪手，在爪手上的電機(jī)，我們選擇的是MICRO-STd伺服電機(jī)，在電機(jī)的尺寸設(shè)計(jì)上，要保證電力能夠在最小的空間占比和最輕的質(zhì)量占比，從而滿足于機(jī)械臂的靈活性。在機(jī)器人的機(jī)械臂設(shè)計(jì)中，機(jī)械臂是由四到五個(gè)伺服的電機(jī)組成的，對(duì)伺服電機(jī)的控制能夠保障機(jī)械臂在不同使用需求上的不同位置和方向的自由變化。機(jī)械臂的手臂電機(jī)在設(shè)計(jì)過(guò)程中為了滿足其靈活性，選擇的是金屬齒輪的伺服電機(jī)。在六自由度機(jī)械臂的手腕處，我們采用與爪手處相同的伺服電機(jī)，為了能夠更好地保證對(duì)工具的夾持和手腕部的回轉(zhuǎn)設(shè)計(jì)，六自由度機(jī)械臂在其底座的設(shè)計(jì)上，我們選擇合金壓鑄技藝，從而使得底座能夠支撐起整個(gè)手臂的重量，保障其在運(yùn)行過(guò)程中的穩(wěn)定性。對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)的伺服機(jī)而言，其主要有三條引線，分別為電源線VCC、接地線以及控制信號(hào)的傳播線。

2.控制器的設(shè)計(jì)

在對(duì)六自由度機(jī)械臂的控制器的設(shè)計(jì)上，主要采用單片機(jī)作為主控制器，通過(guò)雙電源為控制機(jī)和伺服電機(jī)進(jìn)行供電，從而保障機(jī)械臂的正常使用。在串口與電腦以及其他單片機(jī)的通信上、在單片機(jī)的電源設(shè)計(jì)上、在電路板的正面部分設(shè)計(jì)了三個(gè)電源的輸入口，其中中間部分的輸入口作為單片機(jī)的電源輸入。在伺服電機(jī)的電源設(shè)計(jì)上，其輸入的電壓我們要控制在4.8V～6V之間，伺服電機(jī)上下兩側(cè)的電源分別為1～6路伺服電機(jī)供電和17～32路的電機(jī)供電。在六自由度機(jī)械臂的設(shè)計(jì)中，由于需要使用六路，從而在改設(shè)計(jì)中僅一側(cè)的電源就能夠保障滿足供電的需求。

3.VB控制軟件的設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)端口的連接和設(shè)置上，主要通過(guò)使用串口，使電腦與設(shè)置好的端口和控制器達(dá)成良好的通信。在設(shè)計(jì)界面上，我們可以對(duì)奇偶校驗(yàn)、停止位、數(shù)據(jù)位、比特率這幾個(gè)方面進(jìn)行選擇設(shè)置。

對(duì)于通道控制，通過(guò)對(duì)多路伺服電機(jī)控制器的有效設(shè)置，對(duì)機(jī)器手臂實(shí)現(xiàn)從上到下的伺服電機(jī)順序編號(hào)，將編號(hào)分別對(duì)應(yīng)到爪手到底盤(pán)處的六個(gè)伺服電機(jī)，通過(guò)拖動(dòng)任意的數(shù)值拖動(dòng)條，實(shí)現(xiàn)爪手控制。

在速度的調(diào)節(jié)問(wèn)題上，因?yàn)檎{(diào)節(jié)的速度能夠?qū)λ欧姍C(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度進(jìn)行控制，在系統(tǒng)設(shè)置中，過(guò)大的數(shù)值調(diào)度會(huì)影響到機(jī)械臂的使用，系統(tǒng)默認(rèn)的最佳值為300。

在六自由度機(jī)械手的控制設(shè)計(jì)過(guò)程中，為了能夠與保障機(jī)械手完成復(fù)雜和煩瑣的工作，因此在控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程中，要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行嚴(yán)格的設(shè)計(jì)，本文就對(duì)VB控制軟件下的六自由度機(jī)械臂進(jìn)行分析。

參考文獻(xiàn)：

[1]馬 江.六自由度機(jī)械臂控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真[D].北京：北京工業(yè)大學(xué)，2009.

[2]鄭劍飛.六自由度機(jī)械臂分布式控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2006.