李煒郃

摘 要：隨著世界各地恐怖事件的不斷爆發(fā)，采用六自由度機(jī)械臂實現(xiàn)對爆炸物的排除已成為現(xiàn)如今防恐事業(yè)的一項重要手段，機(jī)械臂在進(jìn)行作業(yè)的過程中，排爆需要靈活的操作和細(xì)致的動作。機(jī)械臂的自由度往往在四五個左右，為了滿足排爆工程的需求，就需要加強(qiáng)機(jī)械臂的操作自由度，因此設(shè)計六自由度機(jī)械臂就顯得尤為重要。

關(guān)鍵詞：六自由度；機(jī)械臂；控制系統(tǒng)設(shè)計

中圖分類號：TP241.3 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

1.六自由度機(jī)械臂控制系統(tǒng)設(shè)計要求

六自由度機(jī)械臂的運動控制硬件分別是機(jī)械手的運動控制、驅(qū)動電路的底層控制、遠(yuǎn)程通信以及遠(yuǎn)程控制、視覺傳感和輔助傳感系統(tǒng)和上層控制的人機(jī)交互。

在整個自由度機(jī)械臂控制系統(tǒng)中，上位機(jī)控制系統(tǒng)的主要功能是給操作者提供良好的人機(jī)交互界面，而且機(jī)械臂的操作能夠通過配套的便攜手柄而實現(xiàn)，所以上位機(jī)要對手柄所發(fā)射的信號進(jìn)行有機(jī)的掌握和控制，對下位機(jī)系統(tǒng)的控制還需要上位機(jī)系統(tǒng)給出，同時還要將下位機(jī)及機(jī)械臂運動狀態(tài)信息能夠及時反饋給操作者。操作手柄和下位機(jī)作為移動設(shè)備而言，上位機(jī)控制系統(tǒng)除了能夠提供有線的控制，還要提供相應(yīng)的無線通信系統(tǒng)，其控制的有效距離在100米左右實現(xiàn)控制的指令和運動反饋的信號達(dá)成。在移動載體的設(shè)計上，除了放置機(jī)械手實現(xiàn)對抓取的射線圖像檢測儀，機(jī)械臂和車身上還裝置了兩臺CCD攝像機(jī)和兩個自由度的云臺，并相應(yīng)地配備錄像機(jī)以對排爆過程進(jìn)行全程的記錄。這些信息的反饋就是通過無線圖像模塊實現(xiàn)的。

在機(jī)械臂手部的設(shè)計過程中，因為機(jī)器人的抓手在整個機(jī)械臂系統(tǒng)中作為最末端的執(zhí)行器，在抓取和實現(xiàn)操作工作的時候，其可以根據(jù)需要分為鉗式和吸附式。在這個層面上我們主要考慮的是機(jī)械臂在進(jìn)行工具抓取的時候，需要采用鉗式的爪手，在爪手上的電機(jī)，我們選擇的是MICRO-STd伺服電機(jī)，在電機(jī)的尺寸設(shè)計上，要保證電力能夠在最小的空間占比和最輕的質(zhì)量占比，從而滿足于機(jī)械臂的靈活性。在機(jī)器人的機(jī)械臂設(shè)計中，機(jī)械臂是由四到五個伺服的電機(jī)組成的，對伺服電機(jī)的控制能夠保障機(jī)械臂在不同使用需求上的不同位置和方向的自由變化。機(jī)械臂的手臂電機(jī)在設(shè)計過程中為了滿足其靈活性，選擇的是金屬齒輪的伺服電機(jī)。在六自由度機(jī)械臂的手腕處，我們采用與爪手處相同的伺服電機(jī)，為了能夠更好地保證對工具的夾持和手腕部的回轉(zhuǎn)設(shè)計，六自由度機(jī)械臂在其底座的設(shè)計上，我們選擇合金壓鑄技藝，從而使得底座能夠支撐起整個手臂的重量，保障其在運行過程中的穩(wěn)定性。對于標(biāo)準(zhǔn)的伺服機(jī)而言，其主要有三條引線，分別為電源線VCC、接地線以及控制信號的傳播線。

2.控制器的設(shè)計

在對六自由度機(jī)械臂的控制器的設(shè)計上，主要采用單片機(jī)作為主控制器，通過雙電源為控制機(jī)和伺服電機(jī)進(jìn)行供電，從而保障機(jī)械臂的正常使用。在串口與電腦以及其他單片機(jī)的通信上、在單片機(jī)的電源設(shè)計上、在電路板的正面部分設(shè)計了三個電源的輸入口，其中中間部分的輸入口作為單片機(jī)的電源輸入。在伺服電機(jī)的電源設(shè)計上，其輸入的電壓我們要控制在4.8V～6V之間，伺服電機(jī)上下兩側(cè)的電源分別為1～6路伺服電機(jī)供電和17～32路的電機(jī)供電。在六自由度機(jī)械臂的設(shè)計中，由于需要使用六路，從而在改設(shè)計中僅一側(cè)的電源就能夠保障滿足供電的需求。

3.VB控制軟件的設(shè)計

在設(shè)計端口的連接和設(shè)置上，主要通過使用串口，使電腦與設(shè)置好的端口和控制器達(dá)成良好的通信。在設(shè)計界面上，我們可以對奇偶校驗、停止位、數(shù)據(jù)位、比特率這幾個方面進(jìn)行選擇設(shè)置。

對于通道控制，通過對多路伺服電機(jī)控制器的有效設(shè)置，對機(jī)器手臂實現(xiàn)從上到下的伺服電機(jī)順序編號，將編號分別對應(yīng)到爪手到底盤處的六個伺服電機(jī)，通過拖動任意的數(shù)值拖動條，實現(xiàn)爪手控制。

在速度的調(diào)節(jié)問題上，因為調(diào)節(jié)的速度能夠?qū)λ欧姍C(jī)的轉(zhuǎn)動速度進(jìn)行控制，在系統(tǒng)設(shè)置中，過大的數(shù)值調(diào)度會影響到機(jī)械臂的使用，系統(tǒng)默認(rèn)的最佳值為300。

在六自由度機(jī)械手的控制設(shè)計過程中，為了能夠與保障機(jī)械手完成復(fù)雜和煩瑣的工作，因此在控制系統(tǒng)的設(shè)計過程中，要對系統(tǒng)進(jìn)行嚴(yán)格的設(shè)計，本文就對VB控制軟件下的六自由度機(jī)械臂進(jìn)行分析。

參考文獻(xiàn)：

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