工业机械臂及多轴联动控制系统研究

irazuoquy

【摘要】 在工业上，多轴机械臂联动控制系统有着广泛的应用，随着电子技术和软件技术的发展，多轴联动运动控制技术也发展迅速。如今，国外运动控制技术已经发展到了基于PC的运动控制器，而且该技术的产品已经成为市场主流。在我国，对于PC运动控制器的应用与研究还在起步阶段，有许多问题需要研究和解决。所以工业机械臂及多轴联动控制系统是一个值得研究的课题，这方面的研究将有助于我国在工业和联动控制系统方面缩短与国外的技术差距，从而推动我国的工业发展。
【关键词】 机械臂 多轴联动控制 控制器
一、引言
由于机器臂运动学和动力学的复杂性让机械臂的控制非常困难，普通的线性控制技术往往不能很有效的控制，所以，对于工业机械臂及其多轴联动控制系统的研究变得十分重要。PC上位机的功能强大，可以用来进行重復定位，轨迹规划等任务。本系统是以AMR芯片为控制器核心，运动控制器主要要解决是运动控制，机械臂有多个运动部件，而控制器要对运动部件的位置、速度、角度等运动状态进行实时控制，通过上位给定的要求位置，进行运动轨迹、速度和角度计算，并且达到给定的要求。
二、系统方案总体介绍
本设计是以六轴机械臂作为设计和研究对象，对多轴联动系统进行研究。多轴联动系统包括上位机部分，六轴机械臂，下位机控制电路以及机械臂驱动部分。本设计中六轴工业机械臂可通过上位机控制机械臂的速度、每个关节的角度、当前机械臂姿态的存储，以及按照设计的运动轨迹进行运动。
三、系统硬件设计
3.1 机械结构
机械臂的机械结构采用用传统的机械臂结构设计，在搭建机械臂的过程中，我们首先考虑了机械臂可以抓起物品的重量，及机械臂可达到的功率。其次我们考虑电机的型号选择，电机的选择必须满足如下几个方面的要求：
1、电机的扭矩必须大于最小的负载扭矩；2、惯量匹配必须合理；3、电机的扭矩必须要足够大，这样机械臂的速度和效率以及稳定性才能得到保障；4、静态负载扭矩、等效转动惯量等计算。
3.2 硬件电路设计
系统的硬件电路主要是对机械臂控制电路。控制电路中以STM32为核心芯片，核心芯片处理接受到的上位机信息，并对上位机信息作出响应。系统的硬件电路包括STM32最小体统、电机的驱动电路，电源供电电路，上位机信息传输接收电路。
四、系统软件设计
本系统的软件部分包涵两个部分：多轴联动控制部分软件设计和上位机部分软件设计，在上位机上主要是发送位置，和接收并实时显示当前机械臂位置。多轴联动控制部分接收到上位机传来的数据后并进行处理。多轴联动控制系统主要用到算法包括：PID算法、运动学正解、运动学逆解、空间描述和变换、操作臂运动学正解、操作臂运动学逆解、轨迹插补算法等。
五、控制方式
控制系统一般由控制器、受控对象和反馈测量装置组成，本系统的受控对象为组成机械臂的关节，控制器为上位机，在本系统中没有反馈测量装置，因此系统是采用开环控制的。
由于机械臂的电机没有用伺服电机，所以不存在反馈量，也就是说系统是采用开环控制系统的，上位机输出直接给控制器，控制器控制多轴联动系统产生作用。开环控制系统的缺点很明显，不能保证受控对象的精度，对干扰非常敏感。
六、系统创新
本设计中，机械臂的各种动作和姿态可以时刻在PC上位机中显示，通过PC上位机可以控制多轴联动系统的速度、关节的角度以及机械臂的姿态，并对机械臂实时控制。多轴联动控制系统上位机的开发平台是Windows操作系统，这就使得该PC上位机通用性非常强，而且可以通过网络分享数据和远程操控系统。
七、结束语
本设计通过设计一个六轴机械臂并对其的运动轨迹进行研究和分析，其中的多轴联动控制算法最为关键，实现简单，运算速度快，准确度高，对于工业中的高精度有很强的适用性。本设计中的机械臂可以实时在上位机上显示当前位置，并通过上位机控制所要到达的位置。工业机械臂及多轴联动系统的成功研制，将是我国在自动化道路上更进一步。
参 考 文 献
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