机械手的控制方式及控制系统设计

机械手的控制方式及控制系统设计

机械手在工业科技中的应用时间较长，随着工业生产的不断发展进步，机械手的控制技术也得到了较为快速的发展。人们在很早以前就希望能够借助其他的工具替代人类自身的手去从事重复性的工作，或者具有一定危险性的工作，从而提高工业的生产效率，同时也能规避人们在生产实际生产中碰到的危险情况。此外，在一些特殊的场合中，必须要依靠机械手才能加以完成。未来机械手在工业生产中将发挥更大的作用，本文主要对机械手的控制方式及控制系统设计方法进行了较为详细的分析。

2 机械手原理概述

机械手具有很多的优点，比如机械手比人的手具有更大的力气，能够干很多人手所无法干的事情，这样也能提高工业生产中的效率，同时采用机械手进行工业生产时的成本相对而言也会得到一定程度上的降低。机械手通常由三部分组成，即机械部分，传感部分和控制部分。其中，手部安装在手臂的前端，用来抓持物件，这是执行机构的主体，可根据被抓持物件的形状、重量、材料以及作业要求不同而具有多种结构形式。控制部分包括控制系统和人机交互系统。对于机器人基本部件的控制系统，控制系统的任务是控制机械手的实际运动方式。

机械手的控制系统有开环和闭环两种控制方式，如果工业机械手没有信息反馈功能，那么它就是一个开环控制系统。如果有信息反馈功能，它是一个闭环控制系统。对于机器人基本组成的人机交互系统，人机交互系统是允许操作员参与机器人控制并与机器人通信的装置。总之，人机交互系统可以分为两类：指令给定装置和信息显示装置，机械手的控制主要是通过软件程序加以实现。随着科学技术的发展，机械手相关的技术也得到了快速的发展，先进的控制方式和先进的控制技术在机械手的控制领域中也具有一定的采用。现在机械手不仅广

泛应用于采矿、化工、船舶等领域，并且在航天、医药、生化等领域占有重要地位。

3 机械手的控制方式

工业机器人可根据控制方法分为以下几类，一类是点控制。点控制，也称为PTP控制，仅控制起点和终点的姿势，两点之间的轨迹没有规定。由点控制模式的工业机械手，运动是点到点之间的线性运动，并且仅在操作期间控制几个特定工作点的位置，点之间的运动过程不受控制。在具有点控制的工业机器人中，可控制的点数取决于控制系统的复杂性。该PTP点位置控制方法易于实现，但精度不高，并且通常用于装载、卸载和处理等，其仅需要精确的目标位置和控制方式等。第二种是连续轨迹控制，连续轨迹控制也称为CP控制。以连续轨迹模式控制的工业机械手可以具有任何连续的空间曲线，工业机械手在空间的整个运动的控制下，并且可以同时控制两个以上的运动轴。手的位置可以沿任何形状的空间曲線移动，并且手的姿势也可以通过腕关节的运动来控制，这对于焊接和喷涂操作非常有利。具有连续轨迹控制的工业机器人在当今的工业应用中更常见，例如，焊接机械手、喷涂机械手等。

在实际生产中，许多系统需要有多种控制方法。系统的常用工作方式可分为手动，单步，单循环（半自动）和连续（自动）四种工作模式，后三种工作模式为自动工作模式。对于生产设备，上述各种工作方法不能同时操作，所以需要采取其他的程序设计模式进行机械手的控制程序设计，只有这样才能将机械手的各种控制方式通过程序语句进行实现，同时也能够在一定的程度下简化程序语句实现的难度，并降低程序设计的复杂性。对于后续机械手控制程序的维护方面，也可以相对而言降低程序的维护量，对于机械手的控制程序设计应加以考虑。

4 机械手的控制系统设计

在对机械手的控制系统进行设计时，可以采用MATLAB/*****K软件进行辅助设计。*****K软件是在仿真技术领域中经常采用的仿真软

件，可用于仿真机械手的运动及控制方式。虚拟仿真的实现可以采用matlab中的工具箱进行实现，在这个工具箱中具有虚拟现实的仿真功能，能够通过一定的仿真接口实现对真实物体运动状态的仿真，在这个仿真过程中具有可视化的功能，并进行相关的控制操作，控制虚拟模型在给定信号模型下和串口通信模式下实现仿真运动。在matlab 环境下以中断方式进行通信，采用事件驱动方法实现，回调函数中做数据提取，以及simulink模型调用。机械手操纵器的运动包括臂的上下，左右，手腕的旋转等在各个方向上的运动，此外还可以对整个机械手进行旋转等不同的操作。机械手控制系统采用*****K软件进行仿真，采用这种技术成熟、仿真效果较好的软件进行编程，在程序语句的实现方面具有一定的优势，也相对比较简单，后续对控制程序的语句进行必要的修改时，也相关比较容易，此外还具有可靠性比较高的优点。

首先，对于机械手的选择，根据经典力学，物体在三维空间中的静止位置由三个坐标或围绕三个轴的旋转角度确定，因此可以在理论上确定物体的位置和取向（即，接头的角度）。相反若根据动作的实际需要，设计具有最小自由度的机器人以满足工作要求，因此通用机器人（不包括夹持动作）通常仅具有2至3个自由度。通用操纵器通常需要4到5个自由度，本设计中使用的机器人具有5个自由度，这五个自由度允许机器人弯曲手臂，上下摆动手臂，左右摆动手臂，摆动手腕，抓住手指。其次，对于功率单元的选择，工业机器人需要非常高的精度，因此该设计使用步进电机。当步进驱动器接收到脉冲信号时，它驱动步进电机沿设定方向旋转固定角度，称为“步进角”，其旋转以固定角度逐步运行。但是，步进电机需要在驱动器的作用下工作，因此选择作为驱动器，其中输出部分连接到步进电机，注意相序。对于传感器的使用，接近开关用作手旋转和底盘旋转眼位置检测，并且限位开关用作水平轴和垂直轴极限检测。接近开关有3条连接线（红色，蓝色，黑色），红色连接到电源的正极，黑色连接到电源的负极，蓝色是输出信号。接近停止时输出水平低，否则高。

对于机械手的控制系统设计，本设计是以空间中两点之间的对象处理运动为例进行分析。具体控制流程如下：打开PLC，在初始化完成之后，首先加载与圆柱坐标系中的对象的位置相对应的脉冲数，并且水平轴和垂直轴步进电机和基本伺服电机同时操作。水平轴向前延伸，垂直轴上升，基座向前旋转。当步进电机因脉冲输出而中断或停止时，伺服电机就位后，腕电机通电，驱动手腕向相反方向旋转。当传感器检测到限位头时，电机停止，PLC控制电磁阀，夹具夹紧。延迟一段时间后，在目标位置的圆柱坐标系中加载相应数量的脉冲，横轴和纵轴步进电机和基础伺服电机同时工作，返回到物体的位置;腕部电动机通电以驱动腕部向前旋转，电磁阀复位，爪子释放延迟一段时间。最后，判断主程序开关状态，如果仍然打开，则开始下一个传送操作循环。

在机器人控制系统外部接线图的设计中，应根据系统的控制要求和输入输出点的数量选择合理的机器人模型。为了确保在紧急情况下（包括PLC发生故障时）可以可靠地切断PLC的负载功率，交流接触器KM设置在PLC的外部电路中。在PLC运行时按下“加载电源”按钮以激励KM线圈，并通过在启动按钮SB2上并联连接的自保持触点自锁。同时，连接到AC电源的KM的两对主触头接通以向外部负载供电，使PLC所有的输出负载都断电。

整个控制程序分为四个部分：实用程序，自动程序，手动程序和归位程序。其中，实用程序无条件执行，并在各种工作模式下运行。选择手动模式时调用手动模式;选择归位模式时，将调用归位程序;当选择连续，单循环和单步三种工作模式中的一种时，调用自动程序。单步，单循环和连续操作模式包含在自动程序中，因为它们的操作在同一过程中执行。因此将它们组合在一起进行编程更加合理和简单，在设计机器人控制系统各部分的程序后，根据控制系统梯形图的整体结构，最终集成了应用程序，手动程序，自动程序和归位程序，可以使用完整的机器人控制系统梯形图程序。调试程序时，建议分别调试程序的各个部分，然后调整整个程序。

5 结语

机械手在工业生产领域中占有重要的地位，性能优越的机械手控制系统将可提高机械手的作业效率，为此本文主要对机械手的控制方式及控制系统进行了较为详细的分析。在对机械手的控制系统进行设计时，除了上述需要考虑的方面之外，还需要考虑到操作面板的布置、根据机械手控制系统的控制要求进行系统的I/O地址分配等。