[b]0引 言 [/b] 盡管對于機械操作臂的研究 已不是一個全新的課題 ， 但是 ， 如何在機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題 。 　　傳統(tǒng)工業(yè)機械臂 ， 其設計方法多為串聯(lián)形式 ， 即通過將驅(qū)動與傳動元（ 如電機 、 減速器等） 直接安裝在轉(zhuǎn)動副附近， 這樣的設計雖然簡單直接， 但是由于驅(qū)動件 自身成為 了機械臂負載 ， 能大大減少機械臂 的有效載荷 ， 同時也會產(chǎn)生振動等不 良影響降低機械臂定位精度。為此提出了利用鋼絲傳動機構(gòu)來實現(xiàn)驅(qū)動件到末端負載的動力傳遞 ， 這樣的設計可以最大程度減小驅(qū)動件本身對于機械臂負載能力的影響 ， 同時由于鋼絲本身的彈性也使得機械臂具有一定柔性 ， 實現(xiàn)一定的 自適應功能。由于傳動件 的位置調(diào)整 ， 所以在控制系統(tǒng) 的設計中， 要求能夠?qū)τ跈C械臂最終的末端位置準確地進行反饋控制。 [b]1 自由度機械臂機械系統(tǒng) [/b]　　本文討論的四自由度機械臂面向中小型物流系統(tǒng)應用。其基本 的設計要求為： 實用、 有相對大的作業(yè)空間、 抓取重 量不 小于 2 . 5 k g 、 具 有不 大 于的重復定位精度、 自重輕 、 外觀整潔。出于操作便捷實用的考慮， 設計腰部 轉(zhuǎn) 大臂俯仰、 小臂俯仰和腕部回轉(zhuǎn) 4個 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 。機械手臂 主要通過鋼絲繩傳動機構(gòu) ， 把小臂俯仰關(guān)節(jié)的電機和齒輪減速器等額外負載放置在機械臂基座部分 ， 從而減輕了對其它關(guān)節(jié)驅(qū)動元件的要求及機械臂整體的功耗 ， 降低 了機械臂 自身重量 ， 增 加了其對外做功 的能力和效 率n 。 　　該機械臂不僅實現(xiàn)重量輕、 對外做功能力 大等性能指標要求 ， 而且具有制造簡單 、 造價低等優(yōu)點 ， 有利于工業(yè)推廣普及 。通過新型內(nèi)嵌式鋼絲繩張緊裝置 可以簡便地對張緊力進行現(xiàn)場調(diào)節(jié)， 解決了鋼絲繩傳動存在的各種問題， 有效地提高了機械臂的重復 定位精度 ，自重與負載能力 比達到 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)控制計算機與運動控制卡（ mo t i o n c o n t r o l c a r d ） 的上下位機模式， 這種方式更便 于進行復雜的機械臂運動的計算與控制軟件的設計 。控制系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)如圖2示。 　　控制系統(tǒng)設計實現(xiàn). 硬件設計在綜合考慮 了項 目的機械結(jié)構(gòu)要求 、功能目標和開發(fā)周期等因素后 ， 對 于控制系統(tǒng)的設計有如下的方案 ： 　　對于底盤（ 腰部） 、大臂俯仰和小臂俯仰這個 自由度， 利用伺服 電機驅(qū)動和編碼器反饋來構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)， 由于本項 目對于定位精度的要求 ， 伺服 電機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 平臺的 P C I 一8 1 3 4作為伺服電機的運動控制器 。 　　對于手腕旋轉(zhuǎn) 自由度以及抓取手爪吸合張開的控制 ， 考慮到這部分機構(gòu)主要處于靠近末端負載，要求體積尺寸小等原因 ， 選擇采用 了直流電機配齒輪減器， 并通過線性 電位計的電壓值來間接測量角度值的方案 。相應也選擇了支持 a b VI EW 平臺的 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 號處理， 可以有效地解決控制系統(tǒng)中常會遇到的信號干擾及濾波等問題。利用 L a b VI EW 可以縮短項 目的開發(fā)周期， 得 以迅速完成機械設計 、 材料加工和控制系統(tǒng)軟硬件設計 等進度 ， 這 些也是 優(yōu)先選擇作為系統(tǒng)開發(fā)平臺的重要原 因。 　　軟件設計控制系統(tǒng)軟件設計在考慮了整個機械臂的技術(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 、 運動參數(shù)設置、 手動及 自動運動控制、 機械臂空間位置的捕捉與再現(xiàn)和文件操作等 。需要說明的是對于伺服電機位置的檢測主要是通過對相應伺服電機編碼器的讀取來獲得實際位置的反饋， 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 ， 實現(xiàn)極 限位置的檢測 ， 并通過定時讀取 I ／ o寄存器的值來 實現(xiàn)機械臂運動狀態(tài)的反饋。而直流電機的位置檢測則是通過固結(jié)在齒輪減速器上的線性電位機 的電壓， 來間接測量 出直流電機的轉(zhuǎn)角。 　　直流電機電位器輸入電壓時遇到了交流干擾信號的影 響， 借助 L a b VI E w 自帶的信號處理函數(shù) 可以有效地抑制干擾信號對于程序判斷邏輯 的影 響在現(xiàn)場無法快速取得物理濾波器時， 可以考慮利用的軟件濾波 。 　　文件操作在程序的開發(fā)過程中， 時常會遇到需要對一些數(shù)據(jù)進行添加、 存、 刪除和讀取等功能的場合 。如在 VC或者 VB等開發(fā)平臺中， 文檔 的操作 由于涉及 了文檔模版結(jié)構(gòu)的設計、 文件指針操作及消息影射等， 文件操作 的實現(xiàn)顯得 較 為復雜。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. 點擊此處下載資料:基于LAB VIEW的四自由度機械臂運動控制系統(tǒng)設計 編輯:何世平