一种工业机器人实验教学装置的设计

刘国浩

（聊城大学东昌学院，聊城 252000）

电机是自动化运动控制中的关键要素，是实现智能制造工业的核心部件，也是工业机器人中的核心零件，而工业机器人的应用程度体现了一个国家的工业自动化水平。智能制造作为“中国制造2025”的主攻方向[1]，全国265 所高校成功申办智能制造工程专业。该专业将机械工程、控制工程、计算机技术、嵌入式技术和人工智能技术等学科专业知识有机结合，主要课程包含工业机器人技术、机电传动与PLC 控制、单片机与嵌入式系统等。工业机器人实验教学大都采用示教器控制现有工业机器人完成规定动作为主，学生缺乏对工业机器人运动控制理论的理解[2-3]，对其中各关节电机控制知之甚少。可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller，PLC）和单片机实验教学多采用模块化实验台练习逻辑控制，如抢答器、流水灯、交通灯控制，对电动机的控制方法教学很少。因此，需要一款适合于工业机器人运动学正逆解、多种电机控制方法的综合性实验教学装置。鉴于这个背景，本文研究了一种能满足专业需求，帮助学生快速掌握6 自由度工业机器人控制原理、步进电机控制方法、伺服电机控制方法、舵机控制方法、PLC 应用以及控制器间通信模式的实验教学装置。

1 实验教学装置的组成

实验教学装置参照现有6 自由度关节机器人结构。机械系统包括底座、腰部、大臂、小臂、腕部和手部[4-5]。驱动系统包括6 个不同类型的电机及所需精密减速器，具体分配如图1 所示。关节1 旋转运动，采用交流伺服电动机；关节2 俯仰运动，采用直流伺服电动机；关节3 俯仰运动，采用三相步进电动机；关节4 旋转运动，采用两相步进电动机；关节5 俯仰运动，采用大转矩双轴数字舵机；关节6 旋转运动，采用大转矩单轴总线舵机。控制系统主要包括触摸屏、树莓派、交换机、PLC、STM32、Arduino、伺服控制器和步进控制器。

2 驱动系统

依照工业机器人常用参数如最大功率、最大允许力矩和最大允许转动惯量的需求，有如下要求：关节1 和关节2 需要承载整个机身的工作载荷，因此需要选用较大力矩的电机；关节3、关节4 和关节5 既要提供运转所需的力矩，又要减轻自身质量，因此可以选用中等力矩的电机；关节6 主要实现手爪的旋转运动，可以选用较小力矩的电机。

常用的控制类电动机主要包括步进电动机、伺服电动机、力矩电动机、直线电动机以及舵机等。步进电动机可以将接收的脉冲信号转换为电动机的角位移，进而实现规定的运动。脉冲个数决定了电动机转动的角度。脉冲频率的大小决定了电动机转动的速度。电动机定子绕组的通电方式决定了电动机的旋转方向。步进电动机接收一个脉冲信号所旋转的角度称为步距角。步距角通过控制器还可以进行细分，细分后的微步距决定了步进电动机的运行精度。步进电动机多数采用开环控制方式。伺服电动机可以将电压信号转换为转矩和转速来驱动执行机构动作。电压信号的大小决定了电动机的转速。电压信号的方向决定了电动机的旋转方向。伺服电动机多数采用闭环控制方式。伺服电动机可以精确控制运动的速度和位置。伺服电动机的精度取决于编码器的精度。伺服电动机可以是直流无刷电动机，也可以是交流电动机。伺服电动机具有起动转矩大、调速范围广以及调节特性线性度好的特点。舵机是一种低端小型的伺服电动机，最早应用于航模设计。舵机根据控制方式不同分为数字舵机和总线舵机。根据轴数，它还可以分为单轴舵机和双轴舵机。

根据上述控制电动机的特点，在满足实验教学内容丰富和操作安全的前提下，所设计的6 自由度机械臂应该能抓起0.5 kg 的负载，且操作空间应尽量小。关节1 选用60 交流伺服电动机，关节2 选用86 全闭环直流伺服电动机，关节3 选用57 三相步进电动机配行星减速器，关节4 选用42 两相步进电动机配行星减速器，关节5 选用双轴数字舵机LX-225，关节6 选用单轴总线舵机LD-27MG。

3 控制系统

现在高校常用的控制器主要有树莓派、Arduino、STM32 以及PLC 等。树莓派是一款功能齐全的微型电脑，运行Linux 操作系统，属于开源系统，能够处理视频流和音频流，功能强大，采用C/Python 编程语言，硬件资源包含千兆以太网、USB 2.0/3.0、2.4 GHz/5 GHz 双 频Wi-Fi、蓝 牙5.0、HDMI、GPIO、SPI、I2C 及PWM 等。Arduino 是一款开源的开发平台，包括硬件和软件Arduino IDE，版本分为入门级、网络版、物联网版、教育版及可穿戴版，硬件包含A/D、PWM、I2C、SPI、UART/USART、USB 及Ethernet等。STM32 面向工控领域，稳定速度快，外设丰富多样，硬件包含A/D、D/A、PWM、UART/USART、USB、I2C、CAN 及Ethernet 等。PLC 应用于工业领域，主要实现单机控制、自动控制、过程控制，且集成度和可靠性高，可以通过PTO、PWM、总线驱动电动机运行。实验教学装置通过触摸屏发出操作机械臂运动的指令，采用树莓派为主控制器。树莓派通过工业以太网连接交换机与触摸屏、直流伺服驱动器和PLC相连。树莓派通过USB 转RS485 与STM32 控制器相连。树莓派通过USB 转GPIO 与Arduino 制器相连。直流伺服驱动器通过相应接线驱动直流伺服电动机。PLC 通过相应接线分别驱动两相步进驱动器和三相步进驱动器，再由驱动器通过接线直接驱动相应步进电动机。PLC 连接交流伺服驱动器通过相应接线驱动交流伺服电动机。STM32 通过接线直接驱动数字舵机。Arduino 通过接线直接驱动总线舵机。实验教学装置控制系统模型，如图2 所示。

伺服电机驱动器连接时应注意电机动力线、电机编码器线直接插接到相应端口，根据所选的主控制器，选择相应的通信口或I/O 口连接控制线路，并进行相应的参数设定，选择所需的控制模式（位置、速度、力矩）。根据所需的电源连接相应端口，进行正确的接地处理。步进电机驱动器接线时应注意细分设定与电流设定值。脉冲控制信号、方向控制信号、使能信号连接主控制器，V+和V-连接电源，A/B 相连接两相电动机，U/V/W 相连接三相电动机。数字舵机由PWM 控制，脉宽调节角度，频率50 Hz，脉冲宽度为500 ～2 500 μs，对应舵机的角度范围为0°～270°。舵机的控制精度是3 μs，在2 000 个脉宽范围内控制精度能达到0.3°。总线舵机使用波特率为115 200 Baud 的串口指令进行控制，根据相应的通信协议即可控制舵机转动或者读取舵机信息。

通过该实验教学装置，学生可以掌握多种控制器驱动不同电动机的方法，也可以掌握多种控制器间不同的通信方式，如工业以太网、USB 串口、UART 串口及COM 串口等。

4 结语

采用数字舵机、总线舵机、两相步进电动机、三相步进电动机、直流伺服电动机和交流伺服电动机6种不同类型的电动机，参照工业机器人结构，选取高校常用的控制器树莓派、PLC、STM32 及Arduino，搭建了一个模块化实验教学装置。学生通过该装置可以熟悉工业机器人各关节机械结构、运动学正逆解的原理，掌握不同电动机的控制方法，实现工业以太网组网和多种控制器间的通信模式。此外，以树莓派为主控制器还可以扩展机器视觉在工业中图像检测、物体测量、视觉定位及字符识别等典型应用。