小型机械臂关节的分布式自动控制系统设计

关艳翠

摘 要：建立了小型机械臂的分布式运动控制系统硬件平台，由上位机和六个关节控制器组成，选择了各控制节点间的通讯协议， 由分布式控制器结构设计了对应的控制软件。上位机通过RS-485总线协调六个关节控制器，实现设备的位置控制，进而达到机械臂直线、圆弧、点到点的任意轨迹运动。

关键词：小型机械臂；分布式运动控制；设计；关节控制器

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.15.041

0 引言

小型机械臂关节的控制问题一直是控制领域研究热点[1]。随着工业控制的复杂性增加，需要控制的节点也随之增加，若信息处理和控制信号产生都由一个处理器来完成，难免会因为一个故障导致整个生产系统故障[2]。因此需要从系统的硬件系统和软件系统角度，本文将采用RS-485总线四线制来设计机械臂关节的分布式自动控制。

1 控制系统硬件设计

1.1 关节控制器设计

关节控制器由石墨电刷直流电机供电。选择尺寸小、运算速度高的DSP TMS320F240作为关节控制器的核心处理单元。时钟频率达20MHz，供电电源5V。通过JTAG接口可对DSP进行在线调试。在程序设计以及调试阶段，DSP需要外扩数据存储器作为运行内存。利用内部的正交编码器和计数器进行判向和计数，就可以向DSP反馈电机的位置，通过测量编码器或通道的脉冲频率可以获取电机的转速。

机械臂的肘关节和腕关节回转范围最大，因此需要的转速也最大，设置为1623rmp，脉冲信号最高频率为1623×512/60=13850Hz，TMS320F240允许的最大计数频率为时钟频率的1/4，即5MHz，正常计数频率是脉冲频率的4倍，因此脉冲信号频率为1280kHz。显然可以正确计数。

1.2 RS-485总线数据通信系统设计

为了增加通信的传输距离，提高传输速率，增强抗干扰能力，制定了RS-485串行总线通信标准。RS-485有二线制和四线制两种方式。二线制可实现多点双向通信，但是只能在半双工通信模式下；四线制具有全双工通信模式，但只能实现一点对多点的通信，从设备间无法直接通信。而分布式控制系统只需配置一个主设备和多个从设备，因此RS-485总线选择四线制。

机械臂关节设计中，主计算机为主节点，各关节控制器为从节点，从节点间无需数据交互，从节点只接收主节点的任务，任务为选择运动速度和目标位置。

2 控制系统软件设计

2.1 关节控制器软件设计

机械臂关节控制器的核心处理单元选择DSPTMS320F240，主要实现目标设备的位置环控制和速度环控制。

位置环和控制环从接受指令到做出动作的反应时间为2ms。机械臂关节控制器中还增加了速度环，以提高机械臂动作的灵敏度。位置环和控制环都采用PID控制，目的是为了消除控制量的静差、提高控制精度。由动作调试要求，选择PID调节全部作用还是部分作用。零位霍尔接近开关用于确定设备的绝对位置，增加增量编码器通道，可以提高设备绝对位置的准确率。路径规划求得的目标位置转换为增量码盘的脉冲数后传给关节控制器。关节控制器比较目标值和實测值，将二者误差输入PID算法中获得位置调节量。PID控制算法可以减小超调量，改善运动性能。其积分数字控制形式为：

该式可以编制控制程序。主机每50ms将速度环的输入值发送给各关节控制器，与速度反馈值进行比较，再次输入PID算法中获得速度环调节量，二者调节量限幅延时后进行模数转换输到驱动器，控制电机运行。值得注意的是，设备启动、停止需要的指令值变化巨大，短时间内会造成PID过大的积分积累，使得调节量超过极限控制量，引起系统超调，甚至振荡，因此限制调节量输出幅值是有必要的。

2.2 上位机软件设计

上位机要求人机界面友好，可操作性强。第一是响应界面指令，从数据库中读写参数；第二是根据界面指令值，算出机械臂关节轨迹规划在各个时间段内的目标位置；第三是读取目标位置参数值，通过RS-485总线向六个关节发出指令，驱动电机运动。

3 实验

先进行单关节调试，向主机写入指令，2ms内机械臂无动作，则返回提示信息。响应则在主机界面上显示收发信息，包括机械臂的绝对位置和转动角度。通信正常，显示器显示绿色实际位置曲线，反之，为红色。

其次进行六关节实验，监控界面上定义20ms发生一次通信信号，内容包括增量位置和绝对位置。在所有关节控制器的响应通信时间均小于20ms时，符合通信响应速度要求。

为了检测机械臂关节的点对点、直线和圆弧的灵活动作位姿，给出了机械臂某关节位置随时间的变化轨迹，输出限幅范围为1000mm，关机控制器取12V对应50%占空比电机端电压。六关节机械臂的任意轨迹运动精确、迅速。通过实验验证了上述硬件和软件设计的正确性和执行效率。

4 结论

本文设计了上位机和六个关节控制器，实现了机械臂的位置环和速度环的控制，选择了各控制节点间的RS-485总线四线制连接方式，由分布式控制器结构设计了对应的控制软件。上位机通过RS-485总线协调六个关节控制器，实现机械臂点对点、直线和圆弧任意轨迹运动。

参考文献：

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

[2]史先鹏，刘士荣，董德国等.一种离散的模块化机械臂分布式自抗扰控制策略[J].科技通报，2010，26（02）：217-222.

[3]顾义坤，倪风雷，刘业超.机械臂分布式控制系统同步方法的研究[J].机械与电子，2010（11）：69-72.