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機械臂控制系統的設計 1 引言 近年來，隨著制造業(yè)在我國的高速發(fā)展，工業(yè)機器人技術也得到了迅速的發(fā)展。根據負載的大小可以將機械臂分為大型、中型、小型三類。大型機械臂主要用于搬運、碼垛、裝配等負載較重的場合；中小型機械臂主要用于焊接、噴漆、檢測等負載較小的場合。隨著國外工業(yè)機器人技術的不斷發(fā)展，尤其是一些中小型機器人，它們具有體積小、質量輕、精度高、控制可靠的特點，甚至研發(fā)出更為輕巧的控制箱，可以在工作區(qū)域隨時移動，這樣大大方便了工作人員的操作。在工業(yè)機器人的應用中最常見的是六自由度的機械臂。它是由6個獨立的旋轉關節(jié)串聯形成的一種工業(yè)機器人，每個關節(jié)都有各自獨立的控制系統。 2機械臂硬件系統設計 2.1 機械臂構型的選擇 要使機器臂的抓持器能夠以準確的位置和姿態(tài)移動到給定點，這就要求機器人具有一定數量的自由度。機器臂的自由度是設計的關鍵參數，其數目應該與所要完成的任務相匹配。為了使安裝在雙輪自平衡機器人上的機械臂能夠具有完善的功能，能夠完成復雜的任務，將其自由度數目定為6個，這樣抓持器就可以達到空間中的任意位姿，并且不會出現冗余問題。在確定自由度后，就可以合理的布置各關節(jié)來分配這些自由度了。 由于計算數值解遠比封閉解費時，數值解很難用于實時控制，這樣，后3個關節(jié)就確定了末端執(zhí)行器的姿態(tài)，而前3個關節(jié)確定腕關節(jié)原點的位置。采用這種方法設計的機械臂可以認為是由定位結構及其后面串聯的定向結構或手腕組成的。這樣設計出來的機器人都具有封閉解。另外，定位結構都采用簡單結構連桿轉角為0或90的形式，連桿長度可以不同，但是連桿偏距都為0，這樣的結構會使推倒逆解時計算簡單。 定位機構是涉及形式主要有以下幾種：SCARA型機械臂，直角坐標型機械臂，圓柱坐標型機械臂，極坐標型機械臂，關節(jié)坐標型機械臂等。 SCARA機械臂是平面關節(jié)型，不能滿足本文對機械臂周邊3維空間任意抓取的要求；直角坐標型機械臂投影面積較大，工作空間?。粯O坐標方式需要線性移動，機械臂如需較大的工作空間，則臂長較長；和其他類型相比關節(jié)型機械臂在其工作空間內干涉是最小的，是一種較為優(yōu)良的結構。所以初步確定本文機械臂構型為關節(jié)型。 2.2臂桿長度的確定 機械臂的臂桿設計如表2-1所示： 表2-1 機械臂臂桿長度 臂體名稱 大臂L1 小臂L2 機械手 長度（mm） 550 500 150 2.3 機械臂結構設計 2.3.1 關節(jié)結構方案 為了便于機械臂關節(jié)的模塊化涉及和簡化結構，本設計使用電機直接連接減速器，減速器連接臂體連接結構。圖2-1是關節(jié)結構動力傳遞方案。 圖2-1 關節(jié)結構動力傳遞方案 使用這種聯接方式因中間零件少，故形變量與回程間隙都較小，且能保持較高的結構剛度。 2.4 關鍵部件的選型 2.4.1 關節(jié)負載的估算 各關節(jié)的動態(tài)參數是驅動元件的選擇和關節(jié)傳動零件選擇的重要依據。由機器人動力學相關知識可知完整的機器人動力學方程為： 式中 一般使用靜力學方法和動力學方法計算機器人的動力參數，速度較低的機械，在運行過程中，慣性引起的動載荷較小，一般使用靜力學方法，忽略C和F的影響。而對于運行速度較高機械，其動載荷也較大，即C項的影響較大，甚至超過靜載荷；且粘滯摩擦也較大，同時考慮靜載荷和動載荷，需使用動力學計算。本文的設計要求是一款可以安裝在全向移動平臺上的輕型機械臂，對關節(jié)的旋轉速度要求不高，因此估算機械臂力矩時采用靜力學方法。 圖2-2 機械臂受力簡圖 估計關節(jié)力矩之前，首先假設每個關節(jié)的重力作用集中在中心，將連桿的重量均分于各關節(jié)，機械臂受力簡圖如圖 2-2 所示，使用靜力學方法計算關節(jié)所受力矩的最大值。六自由度機械臂三維靜態(tài)仿真圖如圖2-3所示： 圖2-3 三維靜態(tài)仿真圖 2.4.2 關節(jié)驅動系統電機的選型 機械臂的驅動系統，有三種基本類型，即電動驅動、液壓驅動和氣動驅動，也可以根據需要組合成為復合式的驅動系統。 (1) 電機驅動 目前機械臂上使用最多的一種驅動方式是電動驅動，它利用各種電機產生的力和力矩，直接或通過機械傳動裝置來驅動執(zhí)行機構。這類系統效率比液壓驅動和氣動驅動系統高，且電源方便，所以在機器人中得到了廣泛的應用。 (2) 液壓驅動 液壓驅動的主要優(yōu)點是功率密度大。液壓缸也可直接作為臂體的一部分，因而結構緊湊，剛性好。由于液壓油液的不可壓縮性，系統的固有頻率較高，快速響應好，可實現頻繁平穩(wěn)的變速和換向。液壓系統易于實現過載保護，動作平穩(wěn)、耐沖擊、耐振動、防爆性好。 (3) 氣動驅動 氣動驅動系統通常由氣缸、氣閥、氣罐和空壓機組成，其特點是氣源方便、結構簡單、造價較低、維修方便。與液壓驅動系統相比，同體積條件下功率較小，也難以進行速度控制，多用于中、小負荷且精度要求不高的機器人控制系統中。 綜上，本設計決定使用電動驅動方式為機械臂提供動力，步進電機為驅動電機。 2.4.3驅動系統減速器的選型 結合上文，本文將使用步進電機為驅動電機為機械臂提供動力，結合各關節(jié)受力和機械臂關節(jié)傳動機構組合方式，應在驅動電機和機械臂關節(jié)間安裝減速器做扭矩適配，降低輸出軸的速度，增大輸出扭矩。一般行星齒輪減速器、蝸輪蝸桿減速器、諧波減速器、齒輪減速器等可以和步進電機適配。 1、行星齒輪減速器 行星齒輪減速器通常由一個或者多個外部齒輪圍繞著一個中心齒輪旋轉，就像行星繞著太陽公轉一樣。在工作狀態(tài)中多個行星齒輪協同工作，因而承載能力大，屬純扭矩傳動，工作平穩(wěn)。單級行星齒輪減速器的減速比一般較小，需要增加減速比時只需增加行星輪系的級數即可，而整體體積變化較小。 2、蝸輪蝸桿減速器 蝸輪蝸桿減速器的傳動比大，一般為 10-80，也可以達到 80 以上。此外，蝸輪蝸桿減速器機械結構緊湊、熱交換性能好、工作平穩(wěn)、噪聲小、具備機械自鎖能力，安全性高。 3、諧波減速器 波發(fā)生器，柔輪，剛輪是諧波減速器的三大部分，諧波齒輪減速器傳動結構簡單，減速比高，同時嚙合的齒數多，運行平穩(wěn)、傳動承載力大，齒側間隙小，傳動精度高，傳動誤差只有普通圓柱齒輪傳動的 1/4 左右，傳動空程小，適用于反向轉動，在機器人領域有著廣泛應用。但對柔輪材料有較高的強度要求，工藝復雜。 4、齒輪減速器 圓柱齒輪減速機構為定傳動比齒輪機構，其傳動準確，平穩(wěn)高效，傳動功率范圍和速度范圍大，廣泛用于各種儀器儀表中，但其制造和安裝精度要求高，高減速比時結構較為復雜，體積一般較大。 綜上，初步去確定使用諧波齒輪減速器，減速比大，傳動精度高，體積小巧，輸入軸與輸出軸軸線重合，可很方便地與步進電機組合安裝成為機械臂關節(jié)的一 部分，同時便于機械臂的模塊化設計。本文將采用 Harmonic Drive CSF-mini 系列組合型諧波減速器，其中腰關節(jié)采用型號為 CSF-14-100-2XH-F；肘關節(jié)俯仰和肘關節(jié)旋轉采用 CSF-11-100-2XHF，腕俯仰采用 CSF-8-100-2XH-F。 2.4.4電機驅動器的選型 雖然步進電機廣泛地應用于各行各業(yè)，但步進電機并不能像普通的直流電機那樣通過控制輸入的等效電壓就可以驅動和調速。它必須利用電子電路，將直流電變成分時多相時序控制電流，用這種電流為步進電機供電，步進電機才能正常工作。常見的有單片機 I/O 直接控制，步進電機驅動芯片、運動控制卡。 1、單片機 I/O 直接控制方式 使用單片機內部的鎖存器、計數/定時器，和并行 I/O 接口，可以實現對步進電機的控制，脈沖環(huán)形分配器的功能由單片機系統實現完成，通過軟件中斷方式實現步進電機的變速控制，改變通電順序則可改變轉向。 2、步進電機專用驅動芯片 步進電機專用驅動芯片一般集成度較高，外圍電路簡單,一般有 ENABLE、STEP 和 DIR 三個輸入端，ENABLE 為使能端，使能有效時方可驅動步進電機；STEP 為脈沖輸入，輸入一個脈沖，即可驅動步進電機產生微動；DIR 為方向 ，改變 DIR 邏輯電平即可換向。 3、運動控制卡驅動控制 通過計算機可直接控制步進電機，運動控制卡是專用于步進電機控制的 PC 插卡，是應對復雜系統的控制而出現的，一般可同時控制十幾臺甚至幾十臺步進電機的運動，一般價格很高。 綜上，本設計將使用步進電機專用驅動芯片來驅動步進電機。其中肩關節(jié)和肘關節(jié)俯仰有自鎖需求，使用東芝 THB7128 3A 128 高細分步進電機專用驅動芯片驅動，其他軸選用 A4988 微步驅動器。 表 2-3 步進電機驅動芯片相關參數 型號 最高耐壓 電流 使用溫度 自鎖性能 細分模式 THB7128 40VDC 3.3A -40-85（℃） 半流鎖定 1-128（8 種） A4988 35VDC 2A -20-85（℃） 無 1-16（5 種） 2.4.5傳感器的選型 本文將使用步進電機和諧波齒輪減速器為機械臂提供動力，步進電機只需要通控制驅動脈沖的數量，即可簡單實現較高精度的定位，并使工作物在精確地停在目標位置。步進電機以細分后的步距角為基本單位進行定位。以兩相電機為例，其步距角為1.8，使用 1/16 細分方式進行驅動，那么每給驅動器一個脈沖步進電機轉子旋轉的角度為角度=1.8*1/16=0.1125，轉子旋轉一周需要脈沖數為 360/0.1125=3200，需要旋轉到其他任意角度的計算方式與上式相同。本文使用限位開關的型號為 Omron 微動開關 SS-5 擺桿型限位開關。 表 2-4 微動限位開關參數 型號 按鍵力度 接觸規(guī)格 觸發(fā)精度 耐熱溫度 SS-5 1.47N 1C（雙投型） 0.5mm 85 2.4.6下位機的選型 對于機器臂控制，需要對多臺電機進行聯動控制。為了實現多臺電機之間的通信和控制，必須建立一套數據通信系統來完成主計算機與各運動控制單元間的數據交換。基于現場總線的分布式控制技術能夠解決這些問題。但常見的分布式控制系統又有 USB 總線，SERCOS總線，RS-485 總線和 CAN 總線等這幾種。本設計將采用RS-485 總線來實現機械臂的分布式控制。 本設計選用了TI公司的2000系列 DSP TMS320LF2407 作為控制單元。其時鐘頻率可達 40MHz，具有高速的處理能力，片內資源豐富，特別是它特有兩個內置事件管理器模塊（EVA、EVB）。通過JTAG 接口可以方便的對 DSP 進行全速的在系統調試仿真。TMS320LF2407 的電源電壓為 3.3V，正常下作電流為 80m A 左右，抗干擾能力較強。 2.4.6.1 關節(jié)控制器硬件電路 關節(jié)控制器是以 DSP 芯片為核心，芯片本身及其外圍電路的性能直接決定 了系統的性能。故芯片的選擇及其外圍電路的設計，也就顯得十分的重要。下面 將通過單個模塊電路的方式分別介紹控制器硬件電路。 (1) 電源電路 通過開關電源，接入B0505LS模塊產生穩(wěn)定的的5V 電壓作為TPS7333芯 片的供電電壓，管腳8做為2407 的上電復位信號。管角 5,6 通過濾波電容輸出作為 2407 的供電電壓（3.3V）。如圖2-5。 圖2-4 電源電路 (2) 時鐘電路 TMS320LF2407 的時鐘源可以來自外部有源晶振也可以用晶體，利用內部振蕩器。一般經常使用外部時鐘輸入，因為使用外部時鐘時，時鐘的精度高、信號比較穩(wěn)定，外部時鐘電路和鎖相環(huán)電路如圖 2-6 所示。 圖2-5 時鐘電路 (3) JTAG 接口電路 仿真接口電路如圖2-7所示.目標層次的TI調試標準使用5個標準的IEEE1149.1(JTAG)信號（TRST、TCK、TMS、TDI、TDO）和兩個TI擴展口（EMU0、 EMU1）。JTAG 目標器件通過專用的仿真端口支持仿真，此端口由仿真器直接訪問并提供仿真功能。JTAG 接口電路為仿真器與微機的接口電路，便于系統進行在線調試。 圖2-6 JTAG電路 (4) 外接SRAM電路 TMS320LF2407最多可尋址64K的外部程序空間和64K的外部數據空間。 由于控制算法的需要，本系統需擴充外部 RAM。TMS320LF2407片內的 Flash 可用作程序存儲器，但在開發(fā)階段使用 Flash 作為程序存儲器極為不便，因為每一次程序的修改都需要對 Flash 進行清除、擦除和編程操作，而且進行CCS 調試時只能設置硬件斷點，故從調試的角度考慮，應擴充程序 RAM。這里用的是CY7C1021V33芯片，它是64K*16bit的SRAM，存取時間為15ns，故不需要插入等待周期，可保證系統全速運行。圖 2-8 為外接 SRAM 擴展電路圖。 圖2-7 SRAM擴展電路圖 (5) 編碼器處理電路 增量式編碼器信號處理電路如圖2-9所示。 圖 2-8 增量式編碼器信號處理電路 (6) 霍爾接近開關電路 本設計選用 A31443E 常開型霍爾接近開關。其接法如圖 2-10，提供電壓為5V，由于輸出采用了集電極開路門，必須通過 10K 的上拉電阻接到 5V 電源上。當磁源的某一極與霍爾傳感器的距離達到一定范圍以內時，輸出低電平，否則輸出高電平，不需要外接放大電路。一套關節(jié)控制器將采用 3 支霍爾接近開關。HALL1、HALL2 分別固定在關節(jié)控制器運動的極限位置，其信號通過 IOPE5、IOPE6 不斷查詢。HALL3 用于絕對零位檢測，采用中斷的方式。 圖2-9 霍爾接近開關的接法 2.5 機械臂的模塊化設計 機械臂的大小臂體和關節(jié)在整個機械臂中具有高度的相似性，同時機械臂是機電一體化的典型，其主體結構和聯接結構都有一定的復雜性，而采用模塊化設計思想，可以一定程度上簡化設計流程，只需對不同的應用對象進行少量修改便可完成組合適配。 2.5.1 旋轉關節(jié)的設計 機械臂的基本單元有旋轉關節(jié)和俯仰關節(jié)，其結構具有相似性，本文重點介紹旋轉關節(jié)的設計。旋轉關節(jié)包含有電機、減速器、編碼器、制動器以及其他附件，本文使用步進電機直連諧波減速器的驅動方式，使用限位微動開關確定機械臂初始定位零點，以計步進電機已發(fā)脈沖數為關節(jié)相對旋轉角度參考，是一個開環(huán)的運動控制系統，動力傳遞鏈路為：電機--波發(fā)生器--柔輪--剛輪—輸出軸。機械臂的旋轉關節(jié)模塊在運行過程中會受到來自機械臂末端的彎矩，因此需要對輸出軸做軸向和徑向卸荷，減少輸出軸的負載，保證系統的剛度，延長使用壽命。一般來說，一根軸需要兩個支點，每個支點由一個或一個以上的軸承組成，每組軸承間有以下三種常用的配置方法。 1、雙支點各單向固定 這種軸承配置常用兩個反向安裝的圓錐滾子軸承或角接觸球軸承，兩個軸承各限制軸向一個方向的軸向移動。這種配置方式軸向移動限制比較精確、也便于調整軸承的預緊程度。另外深溝球軸承也可用于雙支點各單向固定，通過調整外殼與軸承端蓋端面的厚度來補償軸的受熱伸長，因而這種配置方式不適合需要對軸做精確軸向定位的場合。 2、一支點雙向固定，另一端支點游動 對于熱伸長量較大的軸，這種軸一般跨距較大且工作溫度較高，應該采用一支點雙向固定，另一支點游動的支撐結構。其雙向固定端需要使用能承受雙向軸向載荷的軸承，內外圈都需要固定。 3、兩端游動支撐 對于人字齒輪軸，由于本身具有相互間的軸向限位作用，其中只需保證一根軸與機座有相對固定的軸向位置，另一根軸上的兩個軸承必須游動，防止人字齒輪卡死或兩側受力不均勻。本文將采用一支點雙向固定，另一端支點游動的方式組合成卸荷軸承組，其中雙向固定端使用深溝球軸承，游動端使用滾針軸承。其中腰關節(jié)使用型號為 HRB 61809-2Z、SKF HK5020，肘關節(jié)旋轉使用型號為 HRB 61806-2Z、SKF HK3512。 2.5.2 旋轉關節(jié)的設計 各運動軸基于模塊化設計，設計時已考慮各運動軸的聯接，使用簡單的金屬板件便能將各運動軸連接可靠，并具有一定的剛度。本文各運動軸均為法蘭端面輸出，與金屬板材間通過螺釘聯接固定，依靠金屬板與法蘭端面的摩擦力傳遞扭矩到金屬板材。圖 2-11 為肩關節(jié)聯接金屬板材機械加工工程圖： 圖2-10 肩關節(jié)聯接金屬板 2.5.3 抓手的設計 一款通用型的機械臂應該具有抓取多種物體的能力，也為某一目標物體專門設計一款抓手，因而在設計機械臂臂體與機械抓手時，需要設計一個合理的聯接結構，以便機械抓手能夠快速更換。機械抓手在抓取物體時需要保持一定的夾持力，本文將使用舵機為機械手爪提供動力，舵機在旋轉到位后能持續(xù)提供一定的扭矩以保持夾持狀態(tài)。使用舵機型號為 TowerPro MG945 全金屬齒舵機， 表2-5舵機型號及相關參數 型號 舵機類型 機械尺寸（mm） 扭力 工作電壓 工作死區(qū) MG945 模擬舵機 40.7*19.7*42.9 12kg/cm(6V) 4.8-6V 5us 圖2-12 為和機械抓手配合的臂體聯接結構。同理只要末端執(zhí)行器設計為可與該聯接結構配合，即可實現更換，以完成對不同物體的抓取任務。 圖2-11 機械臂執(zhí)行器聯接結構 3機械臂軟件系統設計 整個機械臂控制系統軟件包括主計算機監(jiān)控軟件和各關節(jié)控制器軟件。主計算機接收目標位姿數據,完成路徑規(guī)劃算法。另外，主計算機要實時讀取關節(jié)控制器的反饋數據，記錄機械臂的當前位姿,并顯示在屏幕上。不僅直線運動、點到點運動、復位動作的完成需要主計算機監(jiān)控軟件協調，而且像各關節(jié)絕對位置的確定過程、各關節(jié)運動范圍是否越界也必須由主計算機實時參與,及時做出決策。主計算機還要提供給用戶友好的人機交互界面，方便于用戶輸入各種命令，存儲設置好的參數，允許數據以表格或者曲線等形式導出。 3.1 關節(jié)控制器軟件設計 3.1.1 PID控制算法 關節(jié)控制器TMS320LF2407來實現，完成電機的位置環(huán)控制和速度環(huán)控制，如圖3-1所示。位置環(huán)的控制周期設為2ms，速度環(huán)的控制周期也設為2ms。由于采用了速度環(huán)，系統的動態(tài)性性能可以得到顯著提高。兩個閉環(huán)都采用積分分離PD控制，根據實際調試情況，可以對控制律進行適當的化簡。 零位霍爾接近開關在系統上電時用于較粗略的確定電機的絕對位置，再結合增量編碼器的Z通道的信號，就可以較精確的確定出電機的絕對位置。主計算機路徑規(guī)劃求得的目標位置，應該換算成增量碼盤的脈沖數后，再發(fā)給關節(jié)控制器。關節(jié)控制器利用它和從增量編碼器實際測得的脈沖數進行比較，利用積分分離PID算法求解位置環(huán)的控制量。 3.1.2 關節(jié)控制器程序流程 主程序的流程圖如3-2所示： 圖3-1 主程序流程圖 寄存器初始化操作主要包括：設置CPUCLK為外部晶振的2倍頻，即16MHZ；設置串口通訊波特率為：38.4kbPs；設置定時器/計數器相關寄存器；設置QEP電路單元相關寄存器；設置中斷控制寄存器等等。串口數據接收中斷服務程序流程圖如3-3所示。在中斷服務程序中，讀取數據接收寄存器中的數據，存入數據接收區(qū)，而并不作任何進一步分析和處理。數據接收區(qū)是內存中暫時存放數據的區(qū)域，當存滿一條完整指令信息后，由主程序分析和處理。 圖 3-2 串口數據接收中斷服務程序流程圖 控制周期2ms定時中斷服務程序的流程見圖3-4。定時器/計數器3為位置環(huán)和速度環(huán)控制周期定時2ms，每3ms進入定時中斷服務程序一次，讀取位置反饋值和速度反饋值，進行積分分離PID運算,最后輸出給DA轉換成模擬量。 每一個插補周期(50ms)，主計算機向關節(jié)控制器發(fā)送一次運動規(guī)劃后的目標位置。該目標位置是以增量編碼器信號四倍頻后的脈沖數為單位，以前一次的目標位置作為脈沖計數的零點，因此，關節(jié)控制器在讀取新的目標位置后，也應該以前一次的目標位置作為新的增量碼盤脈沖計數零點，測量實際的電機位置，與新的目標位置比較、運算。主計算機根據需要可以查詢當前電機運行的實際位置，關節(jié)控制器返回的位置則是關節(jié)角的絕對位置，單位是0.1度。 圖3-3 控制周期定時中斷服務服務程序流程圖 4 結束語 本文提出了一套機械臂結構方案。硬件上，對機械臂的構型、臂桿長度、電機、驅動器、減速器、傳感器和主控制器進行了選型。并且對機械臂進行了模塊化設計，其中包括旋轉關節(jié)的設計、連接件的設計和抓手的設計。軟件方面設計了DSP關節(jié)控制器，實現了電機位置和速度閉環(huán)控制。基于RS485總線和DSP的分布式控制體系結構，具有高速、穩(wěn)定、可靠、易于維護等優(yōu)點，適合于六自由度機械臂的實時控制。 5 參考文獻 [1] 王羅羅. 機械臂的結構設計及控制研究[D]. 哈爾濱工業(yè)大學, 2009. 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