机械手臂控制研究

黄志成

【摘 要】以前工业生产在线都是仰赖大量的人力完成生产作业。但随着科技的迅速发展下，工业的制造走向细致化和复杂化，因此人力成本也相对地提高，所以开始有了“以机器取代人力”的声音出现。而目前最为广泛应用在工业产在线的机器人即为机械手臂，机械手臂的设计为一种以模仿人的“腕部以及手部”动作的手臂，可在平面或三维空间中完成设定好的任务。目前产业上常见的形式有直角座标型手臂、关节多轴机械手臂、SCARA手臂和Delta手臂。

【关键词】机械；手臂；控制；研究

1前言

目前应用在机械手臂上常见的控制器主要有PC-based和PLC-based，机械手臂为植基于PLC控制器的直角坐标型六轴机械手。在还未发展可程式逻辑控制器之前，要达到自动化的功能需要仰赖大量的继电器和计数器才能完成。PLC的出现大大的简化了自动控制所需要的硬件空间。虽然PLC最初只有电路逻辑控制的功能，但随着不断的发展，现在已经拥有逻辑控制、时序控制、模拟控制及多机通讯等功能，几乎可以媲美一台计算机了。而且PLC的模块化让使用者可以依照自己的需求选用模块。相较于PC，PLC有着体积小、重量轻和维修方便等优点，使得PLC成为现今主要的自动化控制器之一。

2系统架构

手臂全机使用三菱Q系列PLC作为主控制器。为了达到精准定位的目的，使用三菱的定位模块QD75D-4N。当网络摄影机辨识到目标对象时，会先将影像传给计算机端进行图像处理，接着再将处理过的数据传至定位模块，再由伺服马达控制模块驱动伺服马达动作。而编码器会读取伺服马达的运作数据回传数值给定位模块达到有效控制的目的，然后再由光遮断开关作为马达运动极限位置的判断。操作者除了可在人机接口端操作手臂，也可从计算机端透过VB6.0监控手臂的各轴运动状态。

3机械手臂硬件架构

本机械手臂的机构材质采用钢性系数高的铝合金建构而成。在运动结构上分为可进行大范围移动的X、Y、Z直角坐标轴和处理细微动作的A、B轴。由于直角坐标轴在动作时都需要承载手臂本身的重量移动，因此在直角坐标轴上选用具有高减速比的减速机构以提升转矩。模拟手腕精细动作的A、B两旋转轴以及执行抓取动作的气压夹爪。

在机械手臂各运动轴上，由于手臂机构设计上的因素，除了B轴外皆装设3颗光遮断传感器分别作为手臂运动距离的上下极限和复归原点，而装设在直角座标轴上的光遮断传感器可根据使用者的环境调整极限移动距离的长短。

3.1伺服马达和减速机构

机械手臂的动力来源来自于伺服马达的动作，在伺服马达和减速机的选用上必须考虑到输出扭力是否足够承受手臂本身的机构重量以及在定位上的精准度和移动速度上是否能应用于产业界等。本手臂的五轴马达接选用三菱AC伺服马达，但是XYZ三轴的负重远大于AB两轴，因此使用了两款不同规格的马达，分别为出力较小的HG-KR13和出力大的HG-KR43。

减速机的功用为将马达的转速透过减速机构内的齿轮转化為输出的扭力，功能类似于变速器。本论文使用的减速机构为利铭机械的SB系列，SB系列减速机为行星齿轮减速机，行星齿轮减速机于输出轴与输入轴在同一轴心上的减速机构，以中心的太阳齿轮驱动支撑于行星臂架上的行星齿轮，由于动力的传递系利用行星齿轮，所以可以得到均等的扭力传递，而达到减速的目的。

3.2滚珠螺杆和线性滑轨

机械手臂在进行移动时需搭配滚珠螺杆和线性滑轨，将马达原先的旋转能转变成X、Y、Z直角坐标轴的直线移动的动能。本论文使用PMI所生产的FSKW20系列滚珠螺杆及MSB20系列线性滑轨，并以铝挤型加强机构强度。

滚珠螺杆主要由螺杆、螺帽、钢珠等所构成的，由钢珠介于螺帽与螺杆之间进行运动，是将旋转运动转为直线运动的传动机械组，具有定位精度高、寿命长、低污染，较广为爱用。根据循环系统可分为外循环式、内循环式、端盖式循环滚珠螺杆，而本手臂使用的FSKW2020滚珠螺杆属端盖式循环，导程为20mm。

线性滑轨的设计构造与滚珠螺杆大致相同，由钢珠或滚珠介由滑台与滑轨之间进行运动，减少行进间的磨擦，本论文所使用MSB系列线性滑轨，采4列圆弧接触式及45度接触角的钢珠列设计，提供径向、反径向及横方向4方向相同额定负荷能力，X、Y、Z轴皆可使用。

操作者可藉由滚珠螺杆的导程及减速机的减速比和伺服驱动器内设定的参数，计算出各轴的单位移动量需要给予马达驱动器多少脉冲讯号，由于旋转轴未使用滚珠螺杆固导程可忽略不计，各轴移动数据。其计算式如下：最小单位移动量所需脉冲数=减速比×马达旋转一圈所需脉冲数÷导程。

4总结

机械手臂有着高精准度、低误差的特性，因此非常适合代替工业生产在线的人力执行单调且重复性质高的组装加工作业，亦可减少品管所花费的时间及人力，提升生产速度与质量。除此之外，机械手臂也可代替人类在相对于人体有害的环境下工作，改善劳动条件，保障人身安全，因此机械手臂的发展是必然的。目前不仅在工厂生产上、商业农业、军事保全、医疗救援、娱乐服务，甚至是太空探索方面都能见到机械手臂的相关应用。机械手臂带给了人们更加便利的生活，也造就了第四次工业革命。

参考文献：

[1]石伟.两节机械手臂控制系统的设计[J].工业控制计算机，2013（02）.

[2]大脑意识控制机械手臂[J].机械，2012（06）.

[3]汤勇.机械手臂在汽车玻璃企业的运用[J].上海建材，2012（04）.endprint