六自由度机械臂控制系统设计

李炜郃

摘 要：随着世界各地恐怖事件的不断爆发，采用六自由度机械臂实现对爆炸物的排除已成为现如今防恐事业的一项重要手段，机械臂在进行作业的过程中，排爆需要灵活的操作和细致的动作。机械臂的自由度往往在四五个左右，为了满足排爆工程的需求，就需要加强机械臂的操作自由度，因此设计六自由度机械臂就显得尤为重要。

关键词：六自由度；机械臂；控制系统设计

中图分类号：TP241.3 文献标识码：A

1.六自由度机械臂控制系统设计要求

六自由度机械臂的运动控制硬件分别是机械手的运动控制、驱动电路的底层控制、远程通信以及远程控制、视觉传感和辅助传感系统和上层控制的人机交互。

在整个自由度机械臂控制系统中，上位机控制系统的主要功能是给操作者提供良好的人机交互界面，而且机械臂的操作能够通过配套的便携手柄而实现，所以上位机要对手柄所发射的信号进行有机的掌握和控制，对下位机系统的控制还需要上位机系统给出，同时还要将下位机及机械臂运动状态信息能够及时反馈给操作者。操作手柄和下位机作为移动设备而言，上位机控制系统除了能够提供有线的控制，还要提供相应的无线通信系统，其控制的有效距离在100米左右实现控制的指令和运动反馈的信号达成。在移动载体的设计上，除了放置机械手实现对抓取的射线图像检测仪，机械臂和车身上还装置了两台CCD摄像机和两个自由度的云台，并相应地配备录像机以对排爆过程进行全程的记录。这些信息的反馈就是通过无线图像模块实现的。

在机械臂手部的设计过程中，因为机器人的抓手在整个机械臂系统中作为最末端的执行器，在抓取和实现操作工作的时候，其可以根据需要分为钳式和吸附式。在这个层面上我们主要考虑的是机械臂在进行工具抓取的时候，需要采用钳式的爪手，在爪手上的电机，我们选择的是MICRO-STd伺服电机，在电机的尺寸设计上，要保证电力能够在最小的空间占比和最轻的质量占比，从而满足于机械臂的灵活性。在机器人的机械臂设计中，机械臂是由四到五个伺服的电机组成的，对伺服电机的控制能够保障机械臂在不同使用需求上的不同位置和方向的自由变化。机械臂的手臂电机在设计过程中为了满足其灵活性，选择的是金属齿轮的伺服电机。在六自由度机械臂的手腕处，我们采用与爪手处相同的伺服电机，为了能够更好地保证对工具的夹持和手腕部的回转设计，六自由度机械臂在其底座的设计上，我们选择合金压铸技艺，从而使得底座能够支撑起整个手臂的重量，保障其在运行过程中的稳定性。对于标准的伺服机而言，其主要有三条引线，分别为电源线VCC、接地线以及控制信号的传播线。

2.控制器的设计

在对六自由度机械臂的控制器的设计上，主要采用单片机作为主控制器，通过双电源为控制机和伺服电机进行供电，从而保障机械臂的正常使用。在串口与电脑以及其他单片机的通信上、在单片机的电源设计上、在电路板的正面部分设计了三个电源的输入口，其中中间部分的输入口作为单片机的电源输入。在伺服电机的电源设计上，其输入的电压我们要控制在4.8V～6V之间，伺服电机上下两侧的电源分别为1～6路伺服电机供电和17～32路的电机供电。在六自由度机械臂的设计中，由于需要使用六路，从而在改设计中仅一侧的电源就能够保障满足供电的需求。

3.VB控制软件的设计

在设计端口的连接和设置上，主要通过使用串口，使电脑与设置好的端口和控制器达成良好的通信。在设计界面上，我们可以对奇偶校验、停止位、数据位、比特率这几个方面进行选择设置。

对于通道控制，通过对多路伺服电机控制器的有效设置，对机器手臂实现从上到下的伺服电机顺序编号，将编号分别对应到爪手到底盘处的六个伺服电机，通过拖动任意的数值拖动条，实现爪手控制。

在速度的调节问题上，因为调节的速度能够对伺服电机的转动速度进行控制，在系统设置中，过大的数值调度会影响到机械臂的使用，系统默认的最佳值为300。

在六自由度机械手的控制設计过程中，为了能够与保障机械手完成复杂和烦琐的工作，因此在控制系统的设计过程中，要对系统进行严格的设计，本文就对VB控制软件下的六自由度机械臂进行分析。

参考文献：

[1]马 江.六自由度机械臂控制系统设计与运动学仿真[D].北京：北京工业大学，2009.

[2]郑剑飞.六自由度机械臂分布式控制系统的设计与研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2006.