郭立芝

（西安石油大學 電子工程學院，陜西 西安 710065）

0 引言

目前，基于PC的機器人控制系統(tǒng)是在PC機硬件平臺和操作系統(tǒng)的基礎上使用市售的應用軟件和硬件板卡，構造出機器人控制系統(tǒng)。開放式機器人控制器的主要思想是：使用基于非專用計算機平臺的開發(fā)系統(tǒng)；使用標準操作系統(tǒng)和標準控制語言；使用基于標準總線結構的硬件，以便與各種外圍設備和傳感器接口；使用網絡策略，使工作單元控制器可以共享數據庫，并支持遠程操作［1］。基于該思想本文采用PC＋數據采集卡的控制模式，由于采集卡的控制方式靈活，成本低廉，有利于循環(huán)利用［2］，在程序和算法上可以自主編制各類算法，適合本課題研究的需要。

本文的沖壓送料機器人采用的是關節(jié)型機器人，關節(jié)型機器人是模擬人的上臂而構成的，設計為四個關節(jié)，它由底座、肩關節(jié)、大臂、小臂、腕關節(jié)和機械手組成，其結構示意圖如圖1所示。其中肩關節(jié)是負責機器人整體旋轉的部件，它主要由驅動電機、齒輪減速箱、皮帶減速裝置組成，電機驅動力矩通過減速裝置轉換成驅動腰部及腰部以上負載所需力矩后，驅動腰部做回轉運動；大臂是介于肩關節(jié)和小臂之間的重要部件，是力矩的主要承擔者。大臂的驅動電機及其減速裝置裝在大臂端部盡量減少轉動慣量，驅動電機產生的驅動力矩通過減速裝置轉換的力矩驅動大臂擺動；小臂是連接大臂和腕關節(jié)的結構，小臂的電機及減速裝置產生的力矩驅動小臂擺動；腕關節(jié)是連接手抓和手臂的關鍵部位，關節(jié)產生垂直方向上的轉動，提供機器人良好的定位性能，驅動系統(tǒng)驅動關節(jié)轉動；機械手是整個機器人的末端機構，負責工件的夾持和定位，機械手的設計既要滿足使用性能，又要盡量減少自身的重量。

圖1 機械機構簡圖

1 基于PC＋數據采集卡控制系統(tǒng)的硬件組成

該控制系統(tǒng)的核心部分主要包括工業(yè)PC機、數據采集卡、控制電路、伺服電機驅動器、伺服電機和位置反饋電路?？刂葡到y(tǒng)中的數據采集卡負責實時控制信號的處理，采集卡輸出信號進入伺服電機驅動器，進而驅動機器人的各個關節(jié)運動到指定位置。其結構框圖如圖2所示。

圖2 控制系統(tǒng)總體示意圖

1.1 工業(yè)PC機

整個控制系統(tǒng)采用工業(yè)PC機作為控制器，主要實現機械臂正、逆運動學計算及控制算法的實現；實現與控制機械臂的伺服驅動器的通訊；各關節(jié)反饋信息和狀態(tài)監(jiān)控信號的顯示和傳感器信息的處理等功能。

1.2 伺服電機控制器

本文中利用報廢機器人上的maxon電機驅動關節(jié)，因此同樣選用maxon伺服電機驅動器（maxon motor control4-Q-DC Servo Control LSC 30／2）進行驅動，這是專門針對maxon電機設計的伺服電機放大控制器，具有很強的控制功能和穩(wěn)定性，電源電壓12～30v之間。

1.3 位置反饋電路的設計與實現

1）位置反饋電路

沖壓送料機器人的位置反饋是靠旋轉電位器來實現的，旋轉電位器上的反饋電壓信號與手臂的轉角信號是相互對應的?？梢酝ㄟ^相應的換算關系換算成機器人的角度。圖3是位置反饋電路的示意圖，關節(jié)的轉角和反饋電壓信號成比例。

2）位置控制環(huán)

圖4表示的是一個單環(huán)路位置實時控制系統(tǒng)，由旋轉電位器以電壓的形式反饋回位置信號。插補器采用直接函數計算法來產生位置坐標值，直線軌跡的初始參數存放在存儲器中，直線插補器通過運算來產生插補點坐標值，逆運動學運算器根據這些值求出相應的各個關節(jié)的位置值；微分運算器求得速度參照值。各關節(jié)位置采用多軸聯動的運動方式解決各關節(jié)位置控制的協(xié)調問題。

圖3 位置反饋電路

圖4 機器人單關節(jié)位置控制系統(tǒng)框圖

3）位置傳感器的標定

在機器人位置控制過程中，旋轉電位器反饋的電壓信號與關節(jié)主軸轉角是對應的關系，因此傳感器的標定就顯得尤為重要了，本文在控制系統(tǒng)設計中，對各個電位器進行了標定，位置傳感器與反饋電壓的關系如圖5所示。

關節(jié)轉角與反饋電壓關系 ：

肩關節(jié) V＝（tan（39）du）／45＋3.92（-45°～180°）

大臂 V＝（tan（40）du）／45＋2.08（-90°～90°）

小臂 V＝ （tan（33）du）／45＋0.64 （0°～150°）

腕關節(jié) V＝ -（tan（42）du）／45＋2.58（-45°～90°）

手抓 V＝ -（tan（39）du）／45＋3.05（-90°～90°）

輸入電源電壓：5伏

V：反饋電壓 單位（伏）du：關節(jié)主軸轉角 單位（度）

2 結語

本文通過PC＋數據采集卡的控制方案完成了對于生產送料機器人電路控制系統(tǒng)的硬件設計，該系統(tǒng)利用了PC機強大的數據處理功能及數據采集卡的數據輸入輸出功能，成功地實現了機器人運動控制的實時、多任務的控制功能要求，且運行穩(wěn)定。

［1］李占坤，趙德安，姬偉，等.基于工業(yè)PC機的果樹采摘機器人控制系統(tǒng)設計［J］.機械設計與制造，2010，（6）.

［2］侯憲倫，李向東，徐方，等.基于CAN總線的移動機器人控制系統(tǒng)設計［J］.山東科學，2008，（11）.

［3］殷際英，何廣平.關節(jié)型機器人［M］.北京：化學工業(yè)出版社，2003.