多功能六轴机器人机械手臂控制系统研究

摘要：在工业生产过程中，机械臂通常也被叫做工业机器人，是能够帮助很多工厂实现现代化道路的重要设备之一。为了工业的发展跟祖国的繁荣富强，对工业机器人的研究和投入使用具有很高的价值和现实意义。

关键词：机械臂;控制;设计

1、手臂系统简介

机械手臂是一种新兴智能化机械设备，可以准确接收指令并自动完成，具有较强的智能性与高效性。机械手臂的工业生产中的广泛使用可以有效规避安全风险，大大提升生产效率与产品质量。有鉴于此，此次研究将针对机械手臂的动态抓取机理进行细致分析，将其应用到机械手臂的设计中，旨在构建出更加高效的机械手臂系统设计方案。

2、系统设计

2.1 硬件设计

根据以上机械手臂运动控制系统的功能，机械手臂的运动控制系统硬件可分为上位机、DSP 芯片及其外设电路、电机驱动电路、电源模块、舵机模块以及数据采集模块，如图1所示。主控模块主要由DSP2812控制器及外围电路组成。位置传感器监测机械手臂的位置以及运转角度，实时采集机械手臂的运动信号，反馈给DSP芯片。[1]DSP 芯片再通过与上位机的指令信号比对，通过积分分离 PID 控制策略进行计算处理，精确调节占空比对 PWM 进行输出控制，从而输出给驱动电路，驱动舵机进行转动调节，进而实现对机械手臂的精准运动控制。用户不仅通过上位机将运动指令（控制信号）传输到 DSP，同时 DSP 也将监测到的机械手臂实时位置信号送回到上位机进行显示。[2]

2.2 软件设计

DSP 软件设计是整个系统设计的关键部分之一，系统的功能以及控制算法最终要通过 DSP 软件来实现。根据机械手臂运动系统的工作原理，系统软件主要完成以下工作。

（1）采集上位机用户的指令信号和机械手臂实时位置反馈信号。

（2）实现误差计算和积分分离 PID 控制算法。

（3）计算 PWM 波的占空比。

程序采用模块化设计，以 C 语言和汇编语言混合编程实现。主程序主要有系统的初始化、A/D 信号采集、PID 控制算法以及 PWM 波的占空比计算等4个模块。系统的初始化是对各硬件单元的 I/O 口、寄存器以及初始角度等给定一个初始值，为系统运行做好准备。信号采集模块主要是对舵机运动轨迹位置的反馈采集，这是闭环控制的重要环节，反馈信号的准确性直接影响了机械手臂运动过程监督的准确性，并且对芯片有效计算出控制量起着至关重要的作用。在数据处理阶段，本文采用积分分离 PID 算法作为机械手臂运动控制系统软件单元的控制策略，用于对运动轨迹执行的控制量进行快速准确处理。通过对 PWM 波占空比的计算，输出控制电流给驱动電路，完成对舵机的控制。

3、算法设计

3.1建立运动学模型

具有三维开环链结构的机械手分别由基座、增幅臂和旋转手臂组成，可通过肩部旋转和俯仰、肘部和腕部俯仰、腕部偏转和旋转6个旋转关节实现 6 个自由度的运动，进而保证机械手在工作空间中的所有位置状态。[3]

建立参考坐标系和关节坐标系，再用齐次方程描述机械臂各连杆的空间几何关系，用4×4齐次矩阵来表示相邻连杆之间的几何关系，再算出机械臂相对于参考坐标系的后端地址。鉴于该坐标系中存在偏移量α1和 α2，故x1、x2 和 x3 的空间关系并不重合。

3.2运动控制算法

运动轨迹和速度是机械臂两大控制变量，轨迹控制算法是机械臂控制系统的最关键部分。相对于二维轨迹控制算法，六自由度轨迹控制算不是二维插补算法的简单组合，综合曲线特征，采用分段曲线逼近拟合轨迹曲线。为了提高拟合度，须精确计算出各段曲线交点值，以保证运动状态参数的连续性。考虑到既要使机械臂能沿着既定的轨迹运动，又要确保运动过程中的实时可控性，本文采用Trial Mode运动模式的控制算法，即通过阶梯形分割其速度曲线，在每个采样周期内分段进行提取设计，确保对插补算法指定轨迹进行约束。

4、总结

计算机技术的发展蒸蒸日上，其应用范围也愈来愈广，工厂中的机械设备与计算机技术进行有机的结合，大量智能化的机械设备不断涌现，其中机械手臂是应用最为广泛的工业设备之一。为了对机械手臂的动态抓取功能进行优化，提升工业生产的效率，对机械手臂的运作机理及其伺服电机等方面进行深入的探析与实验，显著提升其工作性能。此次研究尽管有幸取得一定的成果，但受到实验条件的限制，得出的结果不够全面，希望在未来的研究中能够进行更加深入且全面的实验分析。

参考文献：

[1] 孙龙飞，房立金.机械手臂结构设计与性能分析[J].农业机械学报， 2017.

[2] 钱东海，王新峰，赵伟等.基于旋量理论和Paden-Kahan子问题的6自由度机器人逆解算法[J].机械工程学报，2009.

[3] 喻学涛.机械手臂转角自动控制器设计与改进[J].现代电子技术，2017.

作者简介：夏明（1996.05-），山东交通学院本科学生，指导老师：李光。