機械手的控制方式及控制系統(tǒng)設計

王建亮 劉瑞芬 李聰

摘 要：隨著機械控制技術的不斷發(fā)展進步，機械手在工業(yè)生產領域中的應用逐漸廣泛，對于推動工業(yè)生產發(fā)揮了重要的作用。機械手具有不同的控制方式，本文對機械手不同的控制方式進行了分析，之后對機械手的控制系統(tǒng)的設計方法及需要注意的關鍵環(huán)節(jié)進行了分析。

關鍵詞：機械手;控制方式;控制系統(tǒng)

1 引言

機械手在工業(yè)科技中的應用時間較長，隨著工業(yè)生產的不斷發(fā)展進步，機械手的控制技術也得到了較為快速的發(fā)展。人們在很早以前就希望能夠借助其他的工具替代人類自身的手去從事重復性的工作，或者具有一定危險性的工作，從而提高工業(yè)的生產效率，同時也能規(guī)避人們在生產實際生產中碰到的危險情況。此外，在一些特殊的場合中，必須要依靠機械手才能加以完成[1]。未來機械手在工業(yè)生產中將發(fā)揮更大的作用，本文主要對機械手的控制方式及控制系統(tǒng)設計方法進行了較為詳細的分析。

2 機械手原理概述

機械手具有很多的優(yōu)點，比如機械手比人的手具有更大的力氣，能夠干很多人手所無法干的事情，這樣也能提高工業(yè)生產中的效率，同時采用機械手進行工業(yè)生產時的成本相對而言也會得到一定程度上的降低。機械手通常由三部分組成，即機械部分，傳感部分和控制部分。其中，手部安裝在手臂的前端，用來抓持物件，這是執(zhí)行機構的主體，可根據被抓持物件的形狀、重量、材料以及作業(yè)要求不同而具有多種結構形式?？刂撇糠职刂葡到y(tǒng)和人機交互系統(tǒng)[2]。對于機器人基本部件的控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)的任務是控制機械手的實際運動方式。

機械手的控制系統(tǒng)有開環(huán)和閉環(huán)兩種控制方式，如果工業(yè)機械手沒有信息反饋功能，那么它就是一個開環(huán)控制系統(tǒng)。如果有信息反饋功能，它是一個閉環(huán)控制系統(tǒng)。對于機器人基本組成的人機交互系統(tǒng)，人機交互系統(tǒng)是允許操作員參與機器人控制并與機器人通信的裝置?？傊?，人機交互系統(tǒng)可以分為兩類：指令給定裝置和信息顯示裝置，機械手的控制主要是通過軟件程序加以實現(xiàn)。隨著科學技術的發(fā)展，機械手相關的技術也得到了快速的發(fā)展，先進的控制方式和先進的控制技術在機械手的控制領域中也具有一定的采用?，F(xiàn)在機械手不僅廣泛應用于采礦、化工、船舶等領域，并且在航天、醫(yī)藥、生化等領域占有重要地位。

3 機械手的控制方式

工業(yè)機器人可根據控制方法分為以下幾類，一類是點控制。點控制，也稱為PTP控制，僅控制起點和終點的姿勢，兩點之間的軌跡沒有規(guī)定。由點控制模式的工業(yè)機械手，運動是點到點之間的線性運動，并且僅在操作期間控制幾個特定工作點的位置，點之間的運動過程不受控制。在具有點控制的工業(yè)機器人中，可控制的點數(shù)取決于控制系統(tǒng)的復雜性[3]。該PTP點位置控制方法易于實現(xiàn)，但精度不高，并且通常用于裝載、卸載和處理等，其僅需要精確的目標位置和控制方式等。第二種是連續(xù)軌跡控制，連續(xù)軌跡控制也稱為CP控制。以連續(xù)軌跡模式控制的工業(yè)機械手可以具有任何連續(xù)的空間曲線，工業(yè)機械手在空間的整個運動的控制下，并且可以同時控制兩個以上的運動軸。手的位置可以沿任何形狀的空間曲線移動，并且手的姿勢也可以通過腕關節(jié)的運動來控制，這對于焊接和噴涂操作非常有利。具有連續(xù)軌跡控制的工業(yè)機器人在當今的工業(yè)應用中更常見，例如，焊接機械手、噴涂機械手等。

在實際生產中，許多系統(tǒng)需要有多種控制方法。系統(tǒng)的常用工作方式可分為手動，單步，單循環(huán)（半自動）和連續(xù)（自動）四種工作模式，后三種工作模式為自動工作模式。對于生產設備，上述各種工作方法不能同時操作，所以需要采取其他的程序設計模式進行機械手的控制程序設計，只有這樣才能將機械手的各種控制方式通過程序語句進行實現(xiàn)，同時也能夠在一定的程度下簡化程序語句實現(xiàn)的難度，并降低程序設計的復雜性。對于后續(xù)機械手控制程序的維護方面，也可以相對而言降低程序的維護量，對于機械手的控制程序設計應加以考慮。

4 機械手的控制系統(tǒng)設計

在對機械手的控制系統(tǒng)進行設計時，可以采用MATLAB/SIMULINK軟件進行輔助設計。SIMULINK軟件是在仿真技術領域中經常采用的仿真軟件，可用于仿真機械手的運動及控制方式。虛擬仿真的實現(xiàn)可以采用matlab中的工具箱進行實現(xiàn)，在這個工具箱中具有虛擬現(xiàn)實的仿真功能，能夠通過一定的仿真接口實現(xiàn)對真實物體運動狀態(tài)的仿真，在這個仿真過程中具有可視化的功能，并進行相關的控制操作，控制虛擬模型在給定信號模型下和串口通信模式下實現(xiàn)仿真運動。在matlab環(huán)境下以中斷方式進行通信，采用事件驅動方法實現(xiàn)，回調函數(shù)中做數(shù)據提取，以及simulink模型調用。機械手操縱器的運動包括臂的上下，左右，手腕的旋轉等在各個方向上的運動，此外還可以對整個機械手進行旋轉等不同的操作。機械手控制系統(tǒng)采用SIMULINK軟件進行仿真，采用這種技術成熟、仿真效果較好的軟件進行編程，在程序語句的實現(xiàn)方面具有一定的優(yōu)勢，也相對比較簡單，后續(xù)對控制程序的語句進行必要的修改時，也相關比較容易，此外還具有可靠性比較高的優(yōu)點。

首先，對于機械手的選擇，根據經典力學，物體在三維空間中的靜止位置由三個坐標或圍繞三個軸的旋轉角度確定，因此可以在理論上確定物體的位置和取向（即，接頭的角度）。相反若根據動作的實際需要，設計具有最小自由度的機器人以滿足工作要求，因此通用機器人（不包括夾持動作）通常僅具有2至3個自由度。通用操縱器通常需要4到5個自由度，本設計中使用的機器人具有5個自由度，這五個自由度允許機器人彎曲手臂，上下擺動手臂，左右擺動手臂，擺動手腕，抓住手指。其次，對于功率單元的選擇，工業(yè)機器人需要非常高的精度，因此該設計使用步進電機。當步進驅動器接收到脈沖信號時，它驅動步進電機沿設定方向旋轉固定角度，稱為“步進角”，其旋轉以固定角度逐步運行。但是，步進電機需要在驅動器的作用下工作，因此選擇作為驅動器，其中輸出部分連接到步進電機，注意相序。對于傳感器的使用，接近開關用作手旋轉和底盤旋轉眼位置檢測，并且限位開關用作水平軸和垂直軸極限檢測。接近開關有3條連接線（紅色，藍色，黑色），紅色連接到電源的正極，黑色連接到電源的負極，藍色是輸出信號。接近停止時輸出水平低，否則高。

對于機械手的控制系統(tǒng)設計，本設計是以空間中兩點之間的對象處理運動為例進行分析。具體控制流程如下：打開PLC，在初始化完成之后，首先加載與圓柱坐標系中的對象的位置相對應的脈沖數(shù)，并且水平軸和垂直軸步進電機和基本伺服電機同時操作。水平軸向前延伸，垂直軸上升，基座向前旋轉。當步進電機因脈沖輸出而中斷或停止時，伺服電機就位后，腕電機通電，驅動手腕向相反方向旋轉。當傳感器檢測到限位頭時，電機停止，PLC控制電磁閥，夾具夾緊。延遲一段時間后，在目標位置的圓柱坐標系中加載相應數(shù)量的脈沖，橫軸和縱軸步進電機和基礎伺服電機同時工作，返回到物體的位置;腕部電動機通電以驅動腕部向前旋轉，電磁閥復位，爪子釋放延遲一段時間。最后，判斷主程序開關狀態(tài)，如果仍然打開，則開始下一個傳送操作循環(huán)。

在機器人控制系統(tǒng)外部接線圖的設計中，應根據系統(tǒng)的控制要求和輸入輸出點的數(shù)量選擇合理的機器人模型。為了確保在緊急情況下（包括PLC發(fā)生故障時）可以可靠地切斷PLC的負載功率，交流接觸器KM設置在PLC的外部電路中。在PLC運行時按下“加載電源”按鈕以激勵KM線圈，并通過在啟動按鈕SB2上并聯(lián)連接的自保持觸點自鎖。同時，連接到AC電源的KM的兩對主觸頭接通以向外部負載供電，使PLC所有的輸出負載都斷電。

整個控制程序分為四個部分：實用程序，自動程序，手動程序和歸位程序。其中，實用程序無條件執(zhí)行，并在各種工作模式下運行。選擇手動模式時調用手動模式;選擇歸位模式時，將調用歸位程序;當選擇連續(xù)，單循環(huán)和單步三種工作模式中的一種時，調用自動程序。單步，單循環(huán)和連續(xù)操作模式包含在自動程序中，因為它們的操作在同一過程中執(zhí)行。因此將它們組合在一起進行編程更加合理和簡單，在設計機器人控制系統(tǒng)各部分的程序后，根據控制系統(tǒng)梯形圖的整體結構，最終集成了應用程序，手動程序，自動程序和歸位程序，可以使用完整的機器人控制系統(tǒng)梯形圖程序。調試程序時，建議分別調試程序的各個部分，然后調整整個程序。

5 結語

機械手在工業(yè)生產領域中占有重要的地位，性能優(yōu)越的機械手控制系統(tǒng)將可提高機械手的作業(yè)效率，為此本文主要對機械手的控制方式及控制系統(tǒng)進行了較為詳細的分析。在對機械手的控制系統(tǒng)進行設計時，除了上述需要考慮的方面之外，還需要考慮到操作面板的布置、根據機械手控制系統(tǒng)的控制要求進行系統(tǒng)的I/O地址分配等。

參考文獻：

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