基于六自由度機(jī)械臂的雨水含沙量測量裝置的設(shè)計

張國英，沈丹峰，劉夏軒德，張旭祥

（西安工程大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，陜西 西安 710048）

本文依據(jù)雨水采集與含沙量的測量要求，采用串聯(lián)機(jī)械手代替人工完成抓取水杯、接涵道流出的雨水、稱重、傾倒杯中水、清洗水杯等5項任務(wù)。通過對上述動作的分解，采用六自由度串聯(lián)機(jī)器人，設(shè)計了六自由度工業(yè)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)尺寸；采用自然用戶界面互交方式，開發(fā)了一種基于CPAC GUC-X00-TPX平臺的六自由度機(jī)械臂控制系統(tǒng)。該控制系統(tǒng)以CPAC-Otostudio為編程環(huán)境，編制控制程序，對六自由度機(jī)器人操作能力和抓取動作做出了相關(guān)實驗。

1 機(jī)械臂的總體方案

在雨水采集過程中，考慮雨水含沙量測量的工作要求，采用機(jī)械臂在戶外進(jìn)行取樣具有靈活性、可靠性及安全性，設(shè)計的機(jī)械臂具有移動，翻轉(zhuǎn)等多種空間位姿，因此選用六自由度串聯(lián)機(jī)械臂。六自由度機(jī)器人安裝在一個可移動的平臺之上，能夠在移動的工程中通過六自由度條件來抓取空間上的物體。在結(jié)構(gòu)設(shè)計上，移動平臺采用了四輪式結(jié)構(gòu)，通過獨立的電機(jī)提供動力，能通過事先規(guī)劃好路線或人為控制到達(dá)指定的工作位置，并且利用移動來配合機(jī)械臂抓取動作。六自由度串聯(lián)機(jī)器人構(gòu)架主要由基座、腰部、支臂、小臂、腕部和氣動手爪組成，各部位銜接處的關(guān)節(jié)是轉(zhuǎn)動副，串聯(lián)機(jī)器人的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 六自由度機(jī)械臂

機(jī)械系統(tǒng)由連桿、旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)等單元串聯(lián)連接而成，機(jī)械臂的六個關(guān)節(jié)形成串聯(lián)式開鏈結(jié)構(gòu)。每個相鄰的關(guān)節(jié)都對應(yīng)相應(yīng)的姿態(tài)坐標(biāo)位置，通過旋轉(zhuǎn)平移進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)化，各關(guān)節(jié)軸線相互平行或垂直。根據(jù)西安市水保局對雨水含沙量的檢測標(biāo)準(zhǔn)，雨水含沙量的取樣位置要求，設(shè)計的六自由度工業(yè)機(jī)器人的工作空間。主要部件尺寸如下：大臂的長度570mm、旋轉(zhuǎn)角（0-180°)，小臂的長度650mm、旋轉(zhuǎn)角（0～120° )，腰部的長度 150mm、旋轉(zhuǎn)角（0～160° )，手爪的長度105mm、旋轉(zhuǎn)角（0～180°)等。

2 機(jī)械臂控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

本文采用CPAC-GUC-X00-TPX平臺作為機(jī)械臂運動控制卡系統(tǒng)。該系統(tǒng)編程環(huán)境為CPAC-Otostudio，利用PLC模式進(jìn)行編程，它由CPAC-OtoBox控制器、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器、原點開關(guān)、正/負(fù)限位開關(guān)、IO擴(kuò)展模塊等組成。運動控制器提供兩種不同的控制信號：正脈沖/負(fù)脈沖、脈沖+方向。在控制步進(jìn)電機(jī)時，控制模式為閉環(huán)控制，用外接編碼器來監(jiān)控實際位置。

2.1 GUC-X00-TXX-M01-L2型運動控制器

GUC-X00-TXX-M01-L2型運動控制器是一款4/8軸運動控制器，該控制器嵌入了PLC編程環(huán)境。它需要外接GT2-800-ACC2八軸端子板或GT2-400-ACC2四軸端子板才能與驅(qū)動器及外部輸入/輸出設(shè)備相連，六自由度機(jī)械臂采用該控制器GUC-X00-TXX-M01-L2型運動控制器的接口定義如下[HMI—HMI接口，VGA—標(biāo)準(zhǔn)VGA接口，KB/MS—鍵盤、鼠標(biāo)接口，USB—雙層USB接口，LAN—以太網(wǎng)接口，RS232—通用串行口，EXT IO—高速IO擴(kuò)展接口，AXIS（1-4）控制器與端子板接口1，AXIS（5-8）控制器與端子板接口2，POWER—電源接口]。

2.2 GT2-800-ACC2-V2.0-V型號的八軸端子控制板

六自由度機(jī)械臂采用端子控制板，用于接收運動控制系統(tǒng)發(fā)出的控制指令，并將控制指令信號傳遞給位置編碼器，從而帶動電機(jī)使機(jī)械臂產(chǎn)生相應(yīng)的位置運動。端子控制板是一個從機(jī)，即它能接收命令，或者執(zhí)行事先設(shè)置好的命令。需要使用控制器給端子控制板發(fā)送命令，通過端子控制板來控制電機(jī)，使其傳送相應(yīng)的命令?？刂破鹘泳€端子和驅(qū)動器的接線端子的接口定義如下 [ALM—驅(qū)動報警，ENABLE—驅(qū)動允許，A-、B-、C-、—編碼器輸入，DAC—模擬輸出，DIR+—步進(jìn)方向輸出， PULSE—步進(jìn)脈沖輸出， RESET—驅(qū)動報警復(fù)位，A+、B+、C+—編碼器輸入。

3 機(jī)械臂控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計概述

采用六自由度機(jī)械臂進(jìn)行分別完成取杯、接水、稱重、倒水、放杯等五個動作。根據(jù)機(jī)械臂的實際動作要求，采用CPAC-Otostudio編寫相應(yīng)的動作指令并傳遞給端子板控制器，并將動作指令發(fā)送給位置編碼器，端子板通過位置編碼器控制各個步進(jìn)電機(jī)，進(jìn)而完成機(jī)械臂的相應(yīng)動作。

3.2 電機(jī)運動狀態(tài)檢測程序設(shè)置

六自由度機(jī)械臂進(jìn)行作業(yè)過程，需要經(jīng)過各軸的姿態(tài)變換到達(dá)目地位置。通過六個電機(jī)驅(qū)動作為輔助，位置編碼器傳遞相應(yīng)的信號脈沖，每個電機(jī)對相應(yīng)位置進(jìn)行運動到位檢測，并且使用到位誤差帶規(guī)劃位置，編碼器位置的誤差在設(shè)定的誤差帶內(nèi)保持設(shè)定時間。檢測電機(jī)到位標(biāo)志可以保證系統(tǒng)的定位精度，根據(jù)機(jī)械臂系統(tǒng)的實際情況設(shè)置合適的到位誤差帶和誤差帶保持時間可以得到電機(jī)的運動狀態(tài)。軸(axis)的配置過程中規(guī)劃器(profile)和編碼器(encoder)的輸出值可以通過axis進(jìn)行當(dāng)量變換之后再輸出。axis相關(guān)的狀態(tài)讀取profile和encoder的輸出值經(jīng)過當(dāng)量變換之后的值。

4 實驗

雨水含沙量提取工具使用六自由度機(jī)械臂進(jìn)行采樣，分別完成取杯、接水、稱重、倒水、放杯等五個過程。在實驗室搭建六自由度機(jī)械臂機(jī)械本體一臺，由于存在接水過程，對末端執(zhí)行器的穩(wěn)定性有較高要求，對速度的變化也有一定要求。加速度較大會產(chǎn)生的較大振動，造成灑水現(xiàn)象，過低的速度將不利于快速采樣。

根據(jù)采樣時間間隔要求是間隔5min進(jìn)行一次雨水采集，選擇機(jī)械臂末端執(zhí)行器運動速度為1m/s。啟停過程中產(chǎn)生的加速度的大小會出現(xiàn)杯中水由于振動而溢出現(xiàn)象。通過多次實驗發(fā)現(xiàn)，當(dāng)末端執(zhí)行器啟停加速度小于5m/s2時，機(jī)械臂能夠穩(wěn)定運行且不會有灑水現(xiàn)象。因此，將其速度和加速度選取在不灑水的可控范圍內(nèi)（速度保證在1～5m/s之間，加速度應(yīng)保證在2～5m/s2之間）。

實驗中，設(shè)定速度為30mm/s，加速度2mm/s2，機(jī)械臂按照下述5個步驟移動工位，完成不同任務(wù)。實驗驗證了基于CPAC-Otostudio和CPAC GUC-X00-TPX平臺的可以滿足設(shè)計要求。

Step1：機(jī)械臂取杯；Step2：機(jī)械臂接水；Step3：機(jī)械臂稱重；Step4：機(jī)械臂倒水；Step5：機(jī)械臂放杯。

5 結(jié)語

本文采用CPAC-OtoBox控制器和GT2-800-ACC2-V2.0-V型號的端子控制板搭建六自由度工業(yè)機(jī)械臂控制系統(tǒng)對雨水含沙量的測量動作進(jìn)行運動控制，利用D-H坐標(biāo)系進(jìn)行建模，實現(xiàn)了運動學(xué)的正解的計算，并規(guī)劃出末端執(zhí)行器的軌跡；利用CPAC-OtoBox作為控制核心，完成機(jī)械臂的軟件，實現(xiàn)了手臂受控運動。實驗表明CPAC-OtoBox控制器和CPAC GUC-X00-TPX平臺設(shè)計制作六自由度機(jī)械臂，可以很好的滿足雨水含沙量測量工作。