基于PLC的仿人机械手臂肩关节的运动控制

摘要：仿人机械手臂具有和人类相似的肩、肘、腕等功能，要求手臂关节具有较高的精度和实时响应性。文章介绍了采用PLC的PID控制功能，通过A/D模块对关节转动角度进行实时采集，根据控制要求，输出PWM信号，最终实现了仿人机械手臂的位置闭环控制。

关键词：PLC；仿人手臂；运动控制

一、引言

随着计算机软件技术和芯片的快速发展，用于工业控制的PLC的功能越来越强大，不仅有基本的位操作、数学运算、数据转换、数据传送、PID控制等功能，还有专用的模块可以进行A/D和D/A装换，对系统的数据进行实时采集、分析和处理。对于闭环控制，在PLC内部可以按照需求编制所需的各种算法的控制程序，对于常见的PID控制算法，在市场上常见的PLC基本都专设有PID模块。同样，对于数模转换和模数转换，也有专用的A/D或者D/A模块，A/D模块就是将一定的模拟量（电压或电流）转换为对应的数字量，用于程序控制，D/A模块就是将一定的数字量转换为对应的模拟量，用于外部执行机构，这两种转换也随着PLC的发展，精度越来越高。仿人机械手随着仿生学和机器人学的不断发展，研究也在不断地深化发展，已被广泛应用于多个领域，如服务行业、娱乐行业及医疗服务等。本文介绍了仿人机械手臂原理、利用PLC功能模块，对仿人机械手臂控制系统进行设计。

二、仿人机械手臂原理

仿人机械手臂要和人有相似的肩关节、肘、腕等功能，从肩部到腕部具有6个自由度；同样也具有类似有肩部、大臂、小臂及手掌等部件，机械手臂的手掌有真空气动吸盘来完成近似动作。任何物体在空间中能沿着X、Y、Z三个直角坐标轴的移动和绕着上述个坐标轴的旋转，一般称该物体具有6个自由度。三坐标移动能确定物体的空间位置，三坐标旋转确定该物体的空间姿态，即物体在空间某位置上的方向。机械手臂的设计目的就是让其能到达某个空间位置及与所取/送的物体所在的方向即姿态相吻合。根据上述原理，仿人机械手臂具有6个自由度就可以达到设计要求。随着机器人学的发展，六自由度非冗余机器人运动学理论已趋于成熟，具有六自由度的机器人可以完成给定的任意空间位置和姿态。为了实现较好的仿人效果，能够完成在给定的空间内任意位置和姿态的运送物体的作业任务，同时考虑成本节约，所设计的仿人机械手臂也具有6个关节自由度。

仿人机械手臂的6个自由度按如下分配：肩关节为实现大臂的旋转、抬起前伸的运动，分配3个旋转自由度；肘关节为实现前臂的屈伸和旋转，分配2个旋转自由度；腕关节为实现本文设计的真空吸盘即类似手掌功能单方向旋转，分配1个旋转自由度。图1为其自由度分配。

三、仿人机械手臂控制原理

该系统工作的控制原理为：在PLC程序内根据运动范围等要求，设置好各种工作条件，通过PLC的专用脉冲口输出一定占空比的PWM信号，该信号经过功率放大板模块放大，驱动气动高速开关阀组；每个关节的角度通过控制每组2个气动高速开关阀的通断时间来确定。对于每个关节的回转位置信号，可以从安装的角位移传感器读出，通过PLC的A/D转换模块，将电压模拟量信号转换为数字信号，传送到PLC当中进行处理，根据PLC内部控制算法，调节PWM信号的占空比，反馈控制气动高速开关阀组，让每个关节的角度达到控制要求，最终实现位置闭环控制。

根据设计要求，系统需要12个输出开关量，一般的计算机数据采集卡输出端口有限，很难满足要求；另外，系统要实时控制，需要高速精确的PWM信号。综合以上考虑，选用定时精确、输出触点多的PLC作为本系统的核心控制器。经调查对比，从技术经济角度分析，现选用带A/D和D/A转换扩展模块的三菱FX2N-48MR型号的PLC作为所设计的仿人肩关节控制系统的控制器。用码盘式角度编码器和电位器都能测量角位移。码盘式角度编码器测量角位移的方法最便捷，但它体积大、价格高、安装要求高、而且需要专用的编码器输入电路。电位器测量角位移方法简捷，其输出值可以直接进入A/D模块进行转换，且其体积小，价格低，易于安装。虽然电位器需要进行标定，但可以通过PLC的模数模块进行快速标定。因此在本文的控制系统中，测量回转关节的转角大小就有3个精密导电电位器（WDS36）来完成，结合控制算法，设计了仿人肩关节气动与控制系统。

四、仿人机械手臂控制系统设计

由于肩关节具有3个自由度，腕关节可作屈伸，旋转及环转运动，属于人体比较灵活复杂的关节，具有2个自由度。仿人机械手臂设计中的最重要环节就是设计一个具有较高精度的灵活的肩关节及腕关节。采用分解自由度的方法来设计肩关节及腕关节，因为每个关节分别有1个自由度，并且对于每个关节来说比较好构造，且每个关节有较强的坚固性，因此将多自由度的关节分离成独立的旋转关节。仿人机械手臂的关节用高速气动开关阀来控制，关节转动的角度有关节位置传感器来获取，可采用角位移传感器测量转动关节的转角信号；另外，为构成位置闭环负反馈控制系统，提高仿人肩关节的运动控制精度，利用3个角位移传感器测量与反馈所在的3个转动关节的转角信号。图2为仿人肩关节控制系统的组成框图，该控制系统主要由核心控制器PLC、A/D模块、功率放大模块、气动高速开关阀组、手臂关节、关节位置传感器等组成。

五、总结

本文阐述了仿人机械手臂的工作原理，分析系统控制工作原理，详细介绍仿人肩关节气动与控制系统构成，并根据系统的控制要求，完成对气动高速开关阀、其他气动控制元器件，以及PLC和角位移传感器等的选型设计，能够对机械手臂进行准确快速的定位。

参考文献：

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（作者单位：浙江工业职业技术学院）