摘要：在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，機(jī)械臂通常也被叫做工業(yè)機(jī)器人，是能夠幫助很多工廠實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化道路的重要設(shè)備之一。為了工業(yè)的發(fā)展跟祖國(guó)的繁榮富強(qiáng)，對(duì)工業(yè)機(jī)器人的研究和投入使用具有很高的價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。

關(guān)鍵詞：機(jī)械臂;控制;設(shè)計(jì)

1、手臂系統(tǒng)簡(jiǎn)介

機(jī)械手臂是一種新興智能化機(jī)械設(shè)備，可以準(zhǔn)確接收指令并自動(dòng)完成，具有較強(qiáng)的智能性與高效性。機(jī)械手臂的工業(yè)生產(chǎn)中的廣泛使用可以有效規(guī)避安全風(fēng)險(xiǎn)，大大提升生產(chǎn)效率與產(chǎn)品質(zhì)量。有鑒于此，此次研究將針對(duì)機(jī)械手臂的動(dòng)態(tài)抓取機(jī)理進(jìn)行細(xì)致分析，將其應(yīng)用到機(jī)械手臂的設(shè)計(jì)中，旨在構(gòu)建出更加高效的機(jī)械手臂系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。

2、系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 硬件設(shè)計(jì)

根據(jù)以上機(jī)械手臂運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的功能，機(jī)械手臂的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)硬件可分為上位機(jī)、DSP 芯片及其外設(shè)電路、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、電源模塊、舵機(jī)模塊以及數(shù)據(jù)采集模塊，如圖1所示。主控模塊主要由DSP2812控制器及外圍電路組成。位置傳感器監(jiān)測(cè)機(jī)械手臂的位置以及運(yùn)轉(zhuǎn)角度，實(shí)時(shí)采集機(jī)械手臂的運(yùn)動(dòng)信號(hào)，反饋給DSP芯片。[1]DSP 芯片再通過(guò)與上位機(jī)的指令信號(hào)比對(duì)，通過(guò)積分分離 PID 控制策略進(jìn)行計(jì)算處理，精確調(diào)節(jié)占空比對(duì) PWM 進(jìn)行輸出控制，從而輸出給驅(qū)動(dòng)電路，驅(qū)動(dòng)舵機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)調(diào)節(jié)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械手臂的精準(zhǔn)運(yùn)動(dòng)控制。用戶不僅通過(guò)上位機(jī)將運(yùn)動(dòng)指令（控制信號(hào)）傳輸?shù)?DSP，同時(shí) DSP 也將監(jiān)測(cè)到的機(jī)械手臂實(shí)時(shí)位置信號(hào)送回到上位機(jī)進(jìn)行顯示。[2]

2.2 軟件設(shè)計(jì)

DSP 軟件設(shè)計(jì)是整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵部分之一，系統(tǒng)的功能以及控制算法最終要通過(guò) DSP 軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)。根據(jù)機(jī)械手臂運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的工作原理，系統(tǒng)軟件主要完成以下工作。

（1）采集上位機(jī)用戶的指令信號(hào)和機(jī)械手臂實(shí)時(shí)位置反饋信號(hào)。

（2）實(shí)現(xiàn)誤差計(jì)算和積分分離 PID 控制算法。

（3）計(jì)算 PWM 波的占空比。

程序采用模塊化設(shè)計(jì)，以 C 語(yǔ)言和匯編語(yǔ)言混合編程實(shí)現(xiàn)。主程序主要有系統(tǒng)的初始化、A/D 信號(hào)采集、PID 控制算法以及 PWM 波的占空比計(jì)算等4個(gè)模塊。系統(tǒng)的初始化是對(duì)各硬件單元的 I/O 口、寄存器以及初始角度等給定一個(gè)初始值，為系統(tǒng)運(yùn)行做好準(zhǔn)備。信號(hào)采集模塊主要是對(duì)舵機(jī)運(yùn)動(dòng)軌跡位置的反饋采集，這是閉環(huán)控制的重要環(huán)節(jié)，反饋信號(hào)的準(zhǔn)確性直接影響了機(jī)械手臂運(yùn)動(dòng)過(guò)程監(jiān)督的準(zhǔn)確性，并且對(duì)芯片有效計(jì)算出控制量起著至關(guān)重要的作用。在數(shù)據(jù)處理階段，本文采用積分分離 PID 算法作為機(jī)械手臂運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)軟件單元的控制策略，用于對(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡執(zhí)行的控制量進(jìn)行快速準(zhǔn)確處理。通過(guò)對(duì) PWM 波占空比的計(jì)算，輸出控制電流給驅(qū)動(dòng)電路，完成對(duì)舵機(jī)的控制。

3、算法設(shè)計(jì)

3.1建立運(yùn)動(dòng)學(xué)模型

具有三維開(kāi)環(huán)鏈結(jié)構(gòu)的機(jī)械手分別由基座、增幅臂和旋轉(zhuǎn)手臂組成，可通過(guò)肩部旋轉(zhuǎn)和俯仰、肘部和腕部俯仰、腕部偏轉(zhuǎn)和旋轉(zhuǎn)6個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)實(shí)現(xiàn) 6 個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而保證機(jī)械手在工作空間中的所有位置狀態(tài)。[3]

建立參考坐標(biāo)系和關(guān)節(jié)坐標(biāo)系，再用齊次方程描述機(jī)械臂各連桿的空間幾何關(guān)系，用4×4齊次矩陣來(lái)表示相鄰連桿之間的幾何關(guān)系，再算出機(jī)械臂相對(duì)于參考坐標(biāo)系的后端地址。鑒于該坐標(biāo)系中存在偏移量α1和 α2，故x1、x2 和 x3 的空間關(guān)系并不重合。

3.2運(yùn)動(dòng)控制算法

運(yùn)動(dòng)軌跡和速度是機(jī)械臂兩大控制變量，軌跡控制算法是機(jī)械臂控制系統(tǒng)的最關(guān)鍵部分。相對(duì)于二維軌跡控制算法，六自由度軌跡控制算不是二維插補(bǔ)算法的簡(jiǎn)單組合，綜合曲線特征，采用分段曲線逼近擬合軌跡曲線。為了提高擬合度，須精確計(jì)算出各段曲線交點(diǎn)值，以保證運(yùn)動(dòng)狀態(tài)參數(shù)的連續(xù)性。考慮到既要使機(jī)械臂能沿著既定的軌跡運(yùn)動(dòng)，又要確保運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的實(shí)時(shí)可控性，本文采用Trial Mode運(yùn)動(dòng)模式的控制算法，即通過(guò)階梯形分割其速度曲線，在每個(gè)采樣周期內(nèi)分段進(jìn)行提取設(shè)計(jì)，確保對(duì)插補(bǔ)算法指定軌跡進(jìn)行約束。

4、總結(jié)

計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展蒸蒸日上，其應(yīng)用范圍也愈來(lái)愈廣，工廠中的機(jī)械設(shè)備與計(jì)算機(jī)技術(shù)進(jìn)行有機(jī)的結(jié)合，大量智能化的機(jī)械設(shè)備不斷涌現(xiàn)，其中機(jī)械手臂是應(yīng)用最為廣泛的工業(yè)設(shè)備之一。為了對(duì)機(jī)械手臂的動(dòng)態(tài)抓取功能進(jìn)行優(yōu)化，提升工業(yè)生產(chǎn)的效率，對(duì)機(jī)械手臂的運(yùn)作機(jī)理及其伺服電機(jī)等方面進(jìn)行深入的探析與實(shí)驗(yàn)，顯著提升其工作性能。此次研究盡管有幸取得一定的成果，但受到實(shí)驗(yàn)條件的限制，得出的結(jié)果不夠全面，希望在未來(lái)的研究中能夠進(jìn)行更加深入且全面的實(shí)驗(yàn)分析。

參考文獻(xiàn)：

[1] 孫龍飛，房立金.機(jī)械手臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與性能分析[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)， 2017.

[2] 錢(qián)東海，王新峰，趙偉等.基于旋量理論和Paden-Kahan子問(wèn)題的6自由度機(jī)器人逆解算法[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2009.

[3] 喻學(xué)濤.機(jī)械手臂轉(zhuǎn)角自動(dòng)控制器設(shè)計(jì)與改進(jìn)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2017.

作者簡(jiǎn)介：夏明（1996.05-），山東交通學(xué)院本科學(xué)生，指導(dǎo)老師：李光。