[b]0引 言 [/b] 盡管對(duì)于機(jī)械操作臂的研究 已不是一個(gè)全新的課題 ， 但是 ， 如何在機(jī)械手臂高位置精度的條件下 ， 盡可能地降低制造成本和縮短制造周期 ， 這仍是值得不斷探索的問(wèn)題 。 　　傳統(tǒng)工業(yè)機(jī)械臂 ， 其設(shè)計(jì)方法多為串聯(lián)形式 ， 即通過(guò)將驅(qū)動(dòng)與傳動(dòng)元（ 如電機(jī) 、 減速器等） 直接安裝在轉(zhuǎn)動(dòng)副附近， 這樣的設(shè)計(jì)雖然簡(jiǎn)單直接， 但是由于驅(qū)動(dòng)件 自身成為 了機(jī)械臂負(fù)載 ， 能大大減少機(jī)械臂 的有效載荷 ， 同時(shí)也會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)等不 良影響降低機(jī)械臂定位精度。為此提出了利用鋼絲傳動(dòng)機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)件到末端負(fù)載的動(dòng)力傳遞 ， 這樣的設(shè)計(jì)可以最大程度減小驅(qū)動(dòng)件本身對(duì)于機(jī)械臂負(fù)載能力的影響 ， 同時(shí)由于鋼絲本身的彈性也使得機(jī)械臂具有一定柔性 ， 實(shí)現(xiàn)一定的 自適應(yīng)功能。由于傳動(dòng)件 的位置調(diào)整 ， 所以在控制系統(tǒng) 的設(shè)計(jì)中， 要求能夠?qū)τ跈C(jī)械臂最終的末端位置準(zhǔn)確地進(jìn)行反饋控制。 [b]1 自由度機(jī)械臂機(jī)械系統(tǒng) [/b]　　本文討論的四自由度機(jī)械臂面向中小型物流系統(tǒng)應(yīng)用。其基本 的設(shè)計(jì)要求為： 實(shí)用、 有相對(duì)大的作業(yè)空間、 抓取重 量不 小于 2 . 5 k g 、 具 有不 大 于的重復(fù)定位精度、 自重輕 、 外觀整潔。出于操作便捷實(shí)用的考慮， 設(shè)計(jì)腰部 轉(zhuǎn) 大臂俯仰、 小臂俯仰和腕部回轉(zhuǎn) 4個(gè) 自由度 ， 整體采用重力方 向折疊展開型構(gòu) ， 大臂俯仰與小臂俯仰為一組平面 自由度 ， 如 圖 1 所示 。機(jī)械手臂 主要通過(guò)鋼絲繩傳動(dòng)機(jī)構(gòu) ， 把小臂俯仰關(guān)節(jié)的電機(jī)和齒輪減速器等額外負(fù)載放置在機(jī)械臂基座部分 ， 從而減輕了對(duì)其它關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)元件的要求及機(jī)械臂整體的功耗 ， 降低 了機(jī)械臂 自身重量 ， 增 加了其對(duì)外做功 的能力和效 率n 。 　　該機(jī)械臂不僅實(shí)現(xiàn)重量輕、 對(duì)外做功能力 大等性能指標(biāo)要求 ， 而且具有制造簡(jiǎn)單 、 造價(jià)低等優(yōu)點(diǎn) ， 有利于工業(yè)推廣普及 。通過(guò)新型內(nèi)嵌式鋼絲繩張緊裝置 可以簡(jiǎn)便地對(duì)張緊力進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)節(jié)， 解決了鋼絲繩傳動(dòng)存在的各種問(wèn)題， 有效地提高了機(jī)械臂的重復(fù) 定位精度 ，自重與負(fù)載能力 比達(dá)到 4：1 。 　　控制 系統(tǒng)體 系結(jié)構(gòu)在控制結(jié)構(gòu) 的選擇上 ， 采用 了工業(yè)控制計(jì)算機(jī)與運(yùn)動(dòng)控制卡（ mo t i o n c o n t r o l c a r d ） 的上下位機(jī)模式， 這種方式更便 于進(jìn)行復(fù)雜的機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)的計(jì)算與控制軟件的設(shè)計(jì) ?？刂葡到y(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)如圖2示。 　　控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn). 硬件設(shè)計(jì)在綜合考慮 了項(xiàng) 目的機(jī)械結(jié)構(gòu)要求 、功能目標(biāo)和開發(fā)周期等因素后 ， 對(duì) 于控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)有如下的方案 ： 　　對(duì)于底盤（ 腰部） 、大臂俯仰和小臂俯仰這個(gè) 自由度， 利用伺服 電機(jī)驅(qū)動(dòng)和編碼器反饋來(lái)構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)， 由于本項(xiàng) 目對(duì)于定位精度的要求 ， 伺服 電機(jī)控制方式選為位置控制 （ 即脈沖控制） 。因此選用了支持 L a b VI E W 平臺(tái)的 P C I 一8 1 3 4作為伺服電機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制器 。 　　對(duì)于手腕旋轉(zhuǎn) 自由度以及抓取手爪吸合張開的控制 ， 考慮到這部分機(jī)構(gòu)主要處于靠近末端負(fù)載，要求體積尺寸小等原因 ， 選擇采用 了直流電機(jī)配齒輪減器， 并通過(guò)線性 電位計(jì)的電壓值來(lái)間接測(cè)量角度值的方案 。相應(yīng)也選擇了支持 a b VI EW 平臺(tái)的 P CI 一9 l 1 4 DG作為數(shù)字 I ／ O控制器。 　　L a b VI E W 本身 帶有 大量 的數(shù) 字信 號(hào)處理， 可以有效地解決控制系統(tǒng)中常會(huì)遇到的信號(hào)干擾及濾波等問(wèn)題。利用 L a b VI EW 可以縮短項(xiàng) 目的開發(fā)周期， 得 以迅速完成機(jī)械設(shè)計(jì) 、 材料加工和控制系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì) 等進(jìn)度 ， 這 些也是 優(yōu)先選擇作為系統(tǒng)開發(fā)平臺(tái)的重要原 因。 　　軟件設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)在考慮了整個(gè)機(jī)械臂的技術(shù)要求后 ， 主要功能大致可以分為以下幾類 ： 系統(tǒng)硬件信息反饋 、 運(yùn)動(dòng)參數(shù)設(shè)置、 手動(dòng)及 自動(dòng)運(yùn)動(dòng)控制、 機(jī)械臂空間位置的捕捉與再現(xiàn)和文件操作等 。需要說(shuō)明的是對(duì)于伺服電機(jī)位置的檢測(cè)主要是通過(guò)對(duì)相應(yīng)伺服電機(jī)編碼器的讀取來(lái)獲得實(shí)際位置的反饋， 在極限位置處借助霍爾傳感器 向 P C I一傳遞觸發(fā)信號(hào) ， 實(shí)現(xiàn)極 限位置的檢測(cè) ， 并通過(guò)定時(shí)讀取 I ／ o寄存器的值來(lái) 實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的反饋。而直流電機(jī)的位置檢測(cè)則是通過(guò)固結(jié)在齒輪減速器上的線性電位機(jī) 的電壓， 來(lái)間接測(cè)量 出直流電機(jī)的轉(zhuǎn)角。 　　直流電機(jī)電位器輸入電壓時(shí)遇到了交流干擾信號(hào)的影 響， 借助 L a b VI E w 自帶的信號(hào)處理函數(shù) 可以有效地抑制干擾信號(hào)對(duì)于程序判斷邏輯 的影 響在現(xiàn)場(chǎng)無(wú)法快速取得物理濾波器時(shí)， 可以考慮利用的軟件濾波 。 　　文件操作在程序的開發(fā)過(guò)程中， 時(shí)常會(huì)遇到需要對(duì)一些數(shù)據(jù)進(jìn)行添加、 存、 刪除和讀取等功能的場(chǎng)合 。如在 VC或者 VB等開發(fā)平臺(tái)中， 文檔 的操作 由于涉及 了文檔模版結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、 文件指針操作及消息影射等， 文件操作 的實(shí)現(xiàn)顯得 較 為復(fù)雜。而在中 借 助 wr i t e t O s p r e a d s h e e t ，等文件操作 v i 、 表格控件 、 數(shù)組操作. 點(diǎn)擊此處下載資料:基于LAB VIEW的四自由度機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 編輯:何世平