基于工控機(jī)的關(guān)節(jié)型機(jī)器人控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)王玉松，孫毅剛中國民用航空學(xué)院交通工程學(xué)院，天津300300）如何用工業(yè)控制計(jì)算機(jī)來實(shí)現(xiàn)該機(jī)器人的控制。測(cè)試結(jié)果表明該系統(tǒng)具有設(shè)計(jì)簡單、成本低廉、調(diào)試方便等特點(diǎn)，可用于教學(xué)。

基金項(xiàng)目：中國民用航空學(xué)院自動(dòng)化專業(yè)重點(diǎn)，機(jī)器人本體特點(diǎn)為：機(jī)器人末端執(zhí)行器在工作范圍內(nèi)可以達(dá)到空間任意一點(diǎn)。各關(guān)節(jié)動(dòng)作：腰關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)1，帶動(dòng)大臂和小臂旋轉(zhuǎn)；大臂旋轉(zhuǎn)2，帶動(dòng)小臂擺動(dòng)；小臂旋轉(zhuǎn)3，帶動(dòng)末端執(zhí)行器運(yùn)動(dòng)。

為減輕機(jī)器人本體重量，大臂和小臂均采用鋁合金材料，且長度相等，造型美觀。

采用步進(jìn)電機(jī)加減速器的驅(qū)動(dòng)方式。步進(jìn)電機(jī)用四通公司的混合式步進(jìn)電機(jī)，特點(diǎn)是運(yùn)行頻率高，輸出扭矩大，適合在高速下運(yùn)行。后面連接減速器，步進(jìn)電機(jī)與減速器做成一體，結(jié)構(gòu)緊湊。為了設(shè)計(jì)、安裝簡便，腰關(guān)節(jié)和上臂都直接聯(lián)在減速器軸上，步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)減速器，然后驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)?？紤]平衡和配重問題，將小臂驅(qū)動(dòng)電機(jī)安裝在大臂上，用同步齒型帶連接，帶動(dòng)小臂轉(zhuǎn)動(dòng)。

每個(gè)關(guān)節(jié)還設(shè)計(jì)了機(jī)械擋板'（，一方面起保護(hù)作用，另一方面作為增量編碼器的零位位置。

2硬件設(shè)計(jì)該機(jī)器人有3個(gè)關(guān)節(jié)，控制系統(tǒng)如所示，其中虛線框?yàn)橐粋€(gè)關(guān)節(jié)的控制系統(tǒng)組成。該系統(tǒng)的特點(diǎn)如下：控制器是機(jī)器人控制系統(tǒng)的核心，采用研華610工控機(jī)，負(fù)責(zé)處理機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)計(jì)算、軌跡插補(bǔ)計(jì)算和三軸位置數(shù)字伺服控制。微處理器定時(shí)讀取編碼器信息，然后和指令位置進(jìn)行比較，其差值經(jīng)運(yùn)算后變成速度指令值，選擇合適的控制算法，給出相應(yīng)的控制。

730，為32輸入32輸出光電隔離的i/o接口。機(jī)械手各關(guān)節(jié)都有一定的轉(zhuǎn)動(dòng)范圍，在各關(guān)節(jié)上都裝有限位開關(guān)。一旦機(jī)械手轉(zhuǎn)動(dòng)超過此范圍，限位開關(guān)立即動(dòng)作，通知cpu報(bào)警并作相應(yīng)的停機(jī)操作。

角位移檢測(cè)元件用增量式旋轉(zhuǎn)編碼器2.編碼器輸出脈沖時(shí)序如所示，型號(hào)為lb-002，每轉(zhuǎn)輸出2048個(gè)脈沖，a，b兩路方波信號(hào)相位差90.，還有零位輸出z.通過方向判斷電路3，可以判別電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向，當(dāng)a相超前b相90°時(shí)，旋轉(zhuǎn)方向?yàn)轫槙r(shí)針。當(dāng)a相落后b相90.時(shí)，旋轉(zhuǎn)方向?yàn)槟鏁r(shí)針。編碼器輸出信號(hào)通過可逆的16位計(jì)數(shù)器，反饋至控制器，當(dāng)正轉(zhuǎn)時(shí)進(jìn)行加計(jì)數(shù)，反轉(zhuǎn)時(shí)進(jìn)行減計(jì)數(shù)。采用中斷定時(shí)的方式讀入數(shù)據(jù)，時(shí)間間隔4ms.4ms定時(shí)到，向中斷觸發(fā)器發(fā)出中斷請(qǐng)求信號(hào)，cpu中斷，讀取當(dāng)前計(jì)數(shù)器的數(shù)值。

4）判向電路的設(shè)計(jì)3（。判向電路如所示。

用一個(gè)上升沿觸發(fā)的d觸發(fā)器，編碼器的a相接clk時(shí)鐘，b相接輸入端d，則當(dāng)a相超前b相90.時(shí)，為低電平；b相超前a相90°時(shí)，為高電平。輸出！接cpu. 3機(jī)器人位置控制算法采用pid控制算法。實(shí)際輸出位移為0，位移為0"，偏差量ee=0-0"，控制規(guī)律為其中：k（為比例增益；t，為積分時(shí)間常數(shù)；t+為微分時(shí)間常數(shù)；u%）為控制量；e0%）為位移偏差量。為便于計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)，將式1）變換成差分方程，并作如下近似其中：t為采樣周期；"為采樣序號(hào)。得到pid位置型控制算式4u其中：kp=1/5為比例增益；kk/t，為積分系數(shù)；k+=kptvt為微分系數(shù)。簡化為其中采樣周期的選擇，根據(jù)香農(nóng)定理，取t=4ms.參數(shù)整定254最初采用試湊法，比例增益k從小到大，逐步增加，使系統(tǒng)的超調(diào)量、調(diào)節(jié)時(shí)間、穩(wěn)定性等都比較合適，然后再調(diào)整微分系數(shù)和積分系數(shù)，使系統(tǒng)性能指標(biāo)符合要求。

4軟件結(jié)構(gòu)采用多重中斷結(jié)構(gòu)：級(jí)為最高級(jí)中斷，然后是1級(jí)、2級(jí)，共3級(jí)中斷。0級(jí)中斷采用4mi定時(shí)中斷，1~2級(jí)中斷采用8ms定時(shí)中斷。

4.1控制程序的組成1）初始化程序，完成對(duì)整個(gè)系統(tǒng)正常工作的準(zhǔn)備。開機(jī)或復(fù)位“鍵后，執(zhí)行初始化程序；2）0級(jí)中斷服務(wù)程序，主要完成位置控制、伺服系統(tǒng)狀態(tài)檢查和處理、4ms定時(shí)等工作，定時(shí)獲取實(shí)際位置值，然后將其和指令位置進(jìn)行比較，得到差值，變成控制指令送給步進(jìn)電機(jī)處理；）1級(jí)中斷服務(wù)程序的功能主要是完成插補(bǔ)運(yùn)算；4）2級(jí)中斷服務(wù)程序?qū)﹂_關(guān)信號(hào)進(jìn)行監(jiān)控處理。

4.2程序流程圖程序采用模塊化設(shè)計(jì)，在主程序流程中調(diào)用相應(yīng)的子程序即可。設(shè)計(jì)簡單明了，便于調(diào)試、維護(hù)。程序流程圖如所示。

控制，結(jié)束個(gè)輸入圓心坐標(biāo)、半徑調(diào)用電機(jī)或其他重要點(diǎn)坐標(biāo)控制程序個(gè)輸入兩點(diǎn)坐標(biāo)曲線插補(bǔ)調(diào)用插補(bǔ)程序個(gè)程序流程結(jié)語該控制系統(tǒng)控制器采用工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，編碼器反饋輸出，步進(jìn)電機(jī)用于閉環(huán)控制，軟件采用模塊化設(shè)計(jì)，對(duì)所設(shè)計(jì)軟件和硬件系統(tǒng)進(jìn)行了部分調(diào)試，結(jié)果證明本方法用于教學(xué)實(shí)驗(yàn)是可行的。