一种六自由度机器臂的控制系统设计

一种六自由度机器臂的控制系统设计

作者：苏卓宇 何立刚

来源：《中国科技博览》2018年第10期

[摘 要]随着我国工业4.0时代的到来，机械制造自动化技术已经应用到大部分的生产线中，在此基础之上，智能技术不断发展，特种微型机器人应用到特殊的工作环境中，从而减轻了工人的劳动强度，保证了工人的生命安全。而工业机器人在生产线中最为常见的是一种六自由度机器臂，这种机器在运行过程中主要是由PLC进行控制。文章就此对其控制系统设计进行了分析。

[关键词]六自由度；机器臂；控制系统；设计

中图分类号：S844 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2018）10-0043-01 前言

机器臂是机器人最重要的执行机构，其具有时变、强耦合、非线性等特点。因此，对六自由度机器人机器臂控制系统设计问题进行研究，并采用PLC进行控制系统的设计，这对机器臂高效、稳定运行具有十分重要的作用。 1 六自由度机器臂研究发展简析

六自由度机器臂就是多自由度机器臂，具有高速、灵活等特点，在工业生产等已知环境中扮演着非常重要的角色。它属于典型的强耦合多输入/输出的非线性系统。从目前情况看，对机器臂轨迹快速跟踪控制的研究比较多，但许多重点还未被突破，面临诸多问题。具体来说，有关人员对机器人的研究过程中，对于六自由度机器臂的控制系统设计研究是十分关键的。 2 六自由度机器臂结构与PLC控制系统 2.1 六自由度机器臂结构

六自由度机器臂主要是由六个关节进行串联形成的结构，其关节之间的传动是由编码器、电机和精密谐波减速器而实现的。其中，在小臂位置一般会装设相应的摄像头和气动工具，这是机器臂非常关键的外部设备接口，且提供相应的电气接口，同时方便了用户进行相应功能的扩展。机器臂控制多是集成PC技术及图像技术和逻辑控制等，其间还采用专业运动控制技术VME运动控制器，其性能可靠稳定、速度快、精度高。如图1是六自由度机器臂简视图。 2.2 PLC控制系统

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PLC控制系统具有适应性强、抗干扰能力强、应用便捷、简单等特点，因此被广泛应用于各大领域。并且该控制系统应用于机械中意义更加重大。比如用于中央空调的PLC系统，它可实现数据显示、控制和连锁，同时，可以保护整个空调系统的运行安全，数据显示功能可以有效显示空调冷水出入口和冷却水出入口的温度，还能显示其蒸汽阀门开度和溶液泵等数据。此外，应用PLC控制系统，可以帮助人们及时发现设备中存在的问题，且其长时间储存的数据为空调发展与研究提供了必不可少的数据支撑。其控制功能运行方式主要是软手动、就地手动和自动3种，而采用这三种控制功能运行方式所构建的空调设备可以实现合理调节和快速启动，从而更好地控制空调开关及其运行速度，充分降低能源消耗，以此提升空调的环保性，强化其经济性和安全性。因此，PLC控制系统功能强大且安全、可靠，具有很好的灵活性，应用于机械中的效果和作用很好。PLC控制系统整体框架如图2所示。 3 基于PLC的六自由度机器臂控制系统设计实现 3.1 系统硬件设计

六自由度机器臂控制系统的设计主要是由工控机及PLC与触摸屏、伺服驱动器及同步交流电机、编码器构成。其中，工控机及触摸屏属于监控层，其对机器臂运行情况具有监控的作用；PLC属于控制层，主要用于工控机中编写程序，同时将其下载至PLC中，从而对PLC伺服驱动进行更好的控制，保证各个伺服电机能够合理协调，实现同步运行。 3.2 系统软件设计 3.2.1 PLC软件设计

控制系统在进行编程的时候，采用的是模块化的编程思想，对驱动参数快速初始化，从而使机器臂快速回到原点。然后采用运动学正解及反解和路径规划实现程序功能块，而这些都是非常重要的子程序，其能够保证程序结构清晰且快速修改。 3.2.2 运动学正反解算法设计

在控制系统的实际工作中，其主要采用伺服电机改变转角来驱动机器臂工作，这就需要其合理定位平动盘位置，同时并联机器臂系统。这里强调的是将其与电机转角准确转换，而其间互相转换主要是运动学正解算法和运动学反解算法这两方面。正解算法是用各台伺服电机转角推算出平动盘于平面中的位置；反解算法则强调的是用平面中平动盘合理推算出电机中轴的旋转角度。

3.2.3 人机界面设计

通常情况下，对人机界面的设计需要设计人员选择合理的监控程序设计软件，并从机器臂控制系统的角度对监控功能提出相应的要求。具体来说，监控系统主要有以下几个方面构成：

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第一，自动控制界面。此界面中有机器臂的自动运行按键，比如自动启动和STOP等类按钮，也可以设置自动运行中的许多位置和屏障高度。另外，此界面还应设置适宜的铁片，其厚度应适宜六自由度机器臂控制，还有其循环次数和运动速度等类参数。

第二，主界面。主界面可显示六自由度并联机器臂的实际结构，还有其电机左右抱闸控制和伺服锁定控制，采用指示灯来指示状态，以便及时观测机器臂的实时位置。

第三，报警界面。此界面主要是用指示灯指示相应的方向，警示其越限和轴错误。同时，要设置相应的按钮，如果出现越限警报，可及时按下清除按钮将机器臂恢复到原始位置。 第四，手动控制界面。该界面可实现机器臂的手动操作，比如其相应的点动，严格指定相关位置绝对移动。 结束语

综上所述，机器臂作为工业生产过程中最重要的一种自动化装置，其具有高效、可靠的特点。而机器臂的控制系统主要是由工控机PLC构成，改控制系统的应用大大提高了其自动化程度，保证了系统运行的可靠性。同时，PLC控制系统的使用能够快速更改生产流程，增强其控制功能。而要想满足机器臂控制系统对不同工作状况的需求，就需要机器臂控制系统具有较强的灵活性和可操作性。而PLC控制系统能够快速提升机器臂功能水平，促进六自由度机器臂的发展，进而推动我国工业生产和机械制造业的快速发展，促进我国经济水平的快速提升。 参考文献

[1] 肖海.一种六自由度机器臂的控制系统设计[J].科技与创新，2016，（23）：123-124. [2] 卜梓令，杨如涵，彭悦.基于Arduino的六自由度机械臂无线控制系统设计[J].信息与电脑（理论版），2017，（07）：90-93+97.

[3] 李松林，徐大杰，张文.基于LeapMotion的六自由度机械臂控制系统[J].电子世界，2017，（15）：158.

[4] 屈晓莉，李炎粉.基于PLC的六自由度机械臂控制系统研究[J].自动化与仪器仪表，2016，（08）：63-64+67.