多轴机械手控制系统的研究
机械手臂控制技术研究
机械手臂控制技术研究一、引言机械手臂是由多个驱动器和关节构成的复杂系统，旨在执行制造、装配、加工等任务。
随着工业自动化的发展，机械手臂控制技术变得越来越重要。
控制技术的进步能够提高机械手臂的精度、速度和稳定性，从而提高运行效率和质量。
本文将介绍机械手臂控制技术研究的现状和发展方向。
二、传统机械手臂控制技术传统机械手臂控制技术主要基于PID控制器，该控制器使用反馈信号调整系统输出。
PID控制器具有良好的稳定性和鲁棒性，但不适用于高精度、高速的应用。
传统技术的另一个问题是机械手臂系统的复杂性。
机械手臂包含多个关节和驱动器，考虑每个部分的动力学和运动学会变得十分困难。
传统的控制方法往往需要经验积累和反复试验来优化系统性能。
三、现代机械手臂控制技术现代机械手臂控制技术采用先进的智能控制算法和高精度传感器，使机械手臂具有更高的生成力、速度和精度。
下面将介绍几种主要的现代控制技术：1、模型预测控制模型预测控制是一种基于数学模型的先进控制技术。
该技术使用物理模型预测未来输出，并通过调整状态变量来实现系统控制。
模型预测控制能够优化机械手臂速度和精度，并考虑多个独立运动的协调。
2、神经网络控制神经网络控制使用适应性控制算法和训练神经网络的方法来实现系统控制。
利用神经网络控制，机械手臂不需要输入模型，而是通过学习来优化过程控制，这使得神经网络控制的应用更加广泛。
3、模糊逻辑控制模糊逻辑控制是一种基于人类经验和模糊推理的控制技术。
该技术不需要精确的模型，而是根据输入输出之间的经验规则进行控制。
模糊逻辑控制具有较好的鲁棒性和鲁棒性，适用于非线性、时变的机械手臂控制问题。
四、机械手臂控制技术未来发展方向未来机械手臂控制技术的发展方向主要集中在以下几个方面：1、高精度控制技术高精度控制技术将进一步提高机械手臂的控制精度和速度。
这需要使用更精确的传感器和控制算法来处理机械手臂系统的非线性、时变性质，并考虑关节之间的协调问题。
机械手控制器的研究现状和发展趋势
机械手控制器的研究现状和发展趋势
一、机械手控制器研究现状
机械手控制器（Robot Controller）是一种非常重要的机器人控制系统，它能够控制机器人的运动，它可以实现机器人的服从，从而实现一些
特定功能，例如重复任务、裁剪等，控制器可以将控制信号转换成机器人
的运动，控制器具有较高的精确度，可以实现自动化控制，它的功能灵活，能够实现手臂夹具的运动控制，控制器在机器人的自动化控制中起着重要
作用。
近年来，机械手控制器已经发展得很快，在机械手及操作系统、机器
人应用程序、伺服控制算法、机器人运动规划及定位技术、机器人实时安
全控制算法等方面取得了许多突破性进展，使得机械手控制器可以更好地
适应现代工业应用，在许多方面发挥着越来越重要的作用。
二、机械手控制器发展趋势
（1）智能控制技术的发展。
智能控制技术能够帮助机械手控制器进
行更灵活的操作，可以更好地适应变化，能够实现更多复杂的控制任务，
有助于提高生产效率和质量。
（2）模块化控制技术的发展。
模块化控制技术可以使机械手控制器
更具灵活性，有助于缩短机器人系统的设计周期，更有效地实现现代化机
器人系统。
机械手控制系统实验总结
机械手控制系统实验总结一、实验目的机械手控制系统是现代工业中不可或缺的一部分，本次实验旨在通过实践，掌握机械手控制系统的基本原理和操作方法，提高学生的实践能力和实际应用能力。
二、实验原理机械手控制系统是由机械手、控制器和传感器组成的。
机械手是机械臂，可以模拟人的手臂进行各种动作，控制器是控制机械手运动的设备，传感器用于检测机械手的位置和状态。
本次实验采用的机械手控制系统是基于PLC控制器和伺服电机的，PLC控制器是一种可编程逻辑控制器，可以根据需要编程控制机械手的运动。
三、实验步骤1. 搭建机械手控制系统，连接PLC控制器和伺服电机。
2. 编写PLC程序，控制机械手的运动，包括机械手的起始位置、终止位置和运动轨迹等。
3. 调试机械手控制系统，检测机械手的运动是否符合要求，如有问题及时调整。
4. 测试机械手控制系统的稳定性和可靠性，检测机械手在长时间运行过程中是否会出现故障。
四、实验结果经过实验，机械手控制系统运行稳定，机械手的运动符合要求，能够顺利完成预定的任务。
在长时间运行过程中，机械手控制系统没有出现故障，表现出良好的可靠性和稳定性。
五、实验总结通过本次实验，我深刻理解了机械手控制系统的基本原理和操作方法，掌握了PLC编程技能和机械手调试技巧。
同时，我也认识到了机械手控制系统在现代工业中的重要性，更加深入了解了现代工业的发展趋势和未来发展方向。
六、实验心得本次实验让我深刻认识到了实践的重要性，只有通过实践才能真正掌握知识和技能。
在实验过程中，我遇到了许多问题，但是通过不断尝试和调试，最终成功解决了问题。
这让我更加坚信，只要有决心和毅力，就能够克服任何困难，实现自己的目标。
机械手臂的控制系统
机械手臂的控制系统机械手臂是一种能够代替人类完成一系列工作的机器人。
在现代工业中，机械手臂被广泛应用于生产线上的物料处理、组装、焊接等工作。
它们可以精确地执行任务，而且速度比人类快得多。
然而，机械手臂的高效运作还依赖于其控制系统的精度和稳定性。
在这篇文章中，我将介绍机械手臂的控制系统以及它们的基本原理。
1. 机械手臂的结构机械手臂由几个基本组件组成。
最常见的机械手臂本体是由若干的关节组成的，每个关节由电动机、减速器和连接杆组成，可以沿着不同的轴线运动。
因此，机械手臂可以绕其本身的轴线旋转、向上、向下、向左、向右和向前、向后移动。
此外，机械手臂还有各种末端执行器，如夹具、钳子、气动爪子等。
2. 自动控制系统是机械手臂的关键组成部分。
自动控制系统通常由四个部分构成：传感器、微处理器、执行器和控制算法。
传感器用于感知机械手位置、速度和姿态等参数。
这些感知器可以是位置传感器、速度传感器或加速度计等。
这些传感器收集的信息通过微处理器处理，以确定下一个位置和动作。
执行器是控制系统中另一个重要的组成部分，它们用来控制机械手臂的运动。
执行器可以是电动机、气动元件、液压元件和电磁阀等。
控制算法是用于计算执行器行动的向量和平衡动作的方案。
控制算法包括了许多的模式识别的技术，例如 PID 算法和局部响应神经网络等。
3. 机械手臂的控制模式机械手臂的控制模式分为两种：开环控制和闭环控制。
开环控制是指远程指令控制的机动模式。
在这种模式下，执行器接收来自远程控制器的指令，并执行相应的动作。
这种模式下机械手臂的运动是较为单一的，只能进行预编排的基本操作。
闭环控制是指机械手臂较为复杂的控制模式。
在这种模式下，机械手臂会使用感测器来不断的检查其位置、速度和姿态等参数，并将这些信息输入到微处理器中，微处理器再运用不同的控制方法计算下一个动作。
这种模式下机械手臂能够完成较为复杂的任务和变化的操作等。
4. 机械手臂的控制方法机械手臂的控制方法有很多种，每种控制方法都有其优势和劣势。
机械手控制系统设计分析与研究
科技创新11产 城机械手控制系统设计分析与研究柴英俊摘要：随着科学技术的发展，智能化生产工具在现代工业中不断得到应用。
其中机械手作为一种多功能的机械设备，在国内外工业自动化控制领域占有重要地位。
机械手驱动控制方法主要包括电驱动、液压驱动、气动驱动、气动控制技术和传感器技术。
气动机械手设备具有结构简单、使用方便等优点，有良好的实际应用价值。
本文针对基于PLC的气动机械手控制系统进行研究，以促进气动机械手控制系统在各个领域的应用。
关键词：气动机械；手控系统；设计研究；PLC控制在电子信息技术飞速发展的背景下，机械手控制的设计与研究已成为高新技术领域的研究热点。
使机械手逐步向自动化、智能化方向发展。
在工业生产过程中，机械手控制系统可以提高工业生产的自动化能力，提高工业生产的自动化水平，促进社会的发展。
为了促进机械手控制系统的长期发展，将PLC技术与机械手控制系统进行集成，实现工业社会自动化发展的目标。
因此基于PLC的气动机械手控制系统的设计研究具有广泛的应用价值。
1 基本概念1.1 气动机械手的结构和工作原理气动机械手由手臂和底座两部分组成，底座主要起支撑和辅助臂的作用。
气动机械手的动作包括两个直线运动和一个旋转运动，可实现工作台将物体移动到工作台的另一侧，并可完成搬运过程中的上下、左右旋转、夹紧/松开等动作。
不同类型的气缸驱动可以完成机械手的不同动作。
1.2 PLC技术阐述PLC技术是一种数字化计算和机械操作的控制装置。
它起源于传统的继电器技术，后来发展成为集计算机技术、网络通信技术和自动控制技术于一体的自动控制系统工程。
PLC技术还可以控制不同的程序和系统，将电信号转换成机械设备的实际操作指令。
在PLC技术的系统中，主要核心设备是微处理设备，它可以应用于工业生产中，突破了传统技术的局限性，实际操作更加方便简单，稳定性和可靠性更高。
2 气动机械手控制系统的特点气动技术广泛采用压缩空气作为介质。
它具有动作快、稳定可靠、结构简单、重量轻、体积小、节能、使用寿命长等特点。
本科毕业论文-基于单片机的多自由度机械手臂控制器设计解析
唐山学院毕业设计设计题目：基于单片机的多自由度机械手臂控制器设计系别：信息工程系班级：11电气工程及其自动化3班姓名：刘亮指导教师：田红霞2015年6月1日基于单片机的多自由度机械手臂控制器设计摘要机械臂控制器作为机械臂的大脑，对于它的研究有着十分重要的意义。
随着微电子技术和控制方法的不断进步，以单片机作为控制器的控制系统越来越成熟。
本课题正是基于单片机的机械臂控制系统的研究。
本文首先介绍了国内外机械臂发展状况以及控制系统的发展状况。
其次，阐述了四自由度机械手臂控制系统的硬件电路设计及软件实现。
详细阐述了机械臂控制系统中单片机及其外围电路设计、电源电路设计和舵机驱动电路设计。
在程序设计中，着重介绍了利用微分插补法进行PWM调速的程序设计。
并给出了控制器软件设计及流程图。
最后，给出了系统调试中出现的软硬件问题，进行了详细的分析并给出了相应的解决办法。
关键词：机械臂单片机自由度舵机PWMDesign of Multi DOF Manipulator ControllerBased on MCUAbstractAs the brain of robot arm, manipulator controller is very important for its research.With the development of microelectronics technology and control method, the control system of MCU is becoming more and more mature.This thesis is based on the research of the manipulator control system of MCU.Firstly,it is introduced the development of the manipulator and the control system at home and abroad.Secondly,it is given the circuit and software design for the four DOF manipulator in this disertation.it is expatiated the Single Chip Microcomputer(SCM),the relative circuit design ,Power circuit design,and driver circuit design of manipulator control system.In the design of the program, the design of PWM speed regulation by differential interpolation is introduced emphatically. The software design and flow chart of the controller are given.Finally,it is presented the problems of hardware and software in practive given resolves.Key word: Manipulator;MCU;DOF;Steering engine;PWM目录1引言 (1)1.1研究的背景和意义 (1)1.2国内外机械臂研究现状 (2)1.2.1国外机械臂研究现状 (2)1.2.2国内机械臂研究现状 (3)1.3机械臂控制器的发展现状 (3)1.4本设计研究的任务 (4)2机械结构与控制系统概述 (5)2.1机械结构 (5)2.2控制系统 (6)2.3系统功能介绍 (8)2.4舵机工作原理与控制方法 (8)2.4.1概述 (8)2.4.2舵机的组成 (8)2.4.3舵机工作原理 (9)3系统硬件电路设计 (11)3.1时钟电路设计 (11)3.2复位电路设计 (11)3.3控制器电源电路设计 (12)3.4舵机驱动电路 (13)3.5串口通信电路设计 (13)4系统软件设计 (14)4.1四自由机械臂轨迹规划 (15)4.2主程序设计 (16)4.3舵机调速程序设计 (17)4.3.1舵机PWM信号 (17)4.3.2利用微分插补法实现对多路PWM信号的输出 (18)4.4初末位置置换子程序 (21)4.5机械爪控制程序 (22)4.6定时器中断子程序 (23)4.6.1定时器T1中断程序 (23)4.6.2定时器T0中断子程序 (24)5系统软硬件调试 (25)5.1单片机系统开发调试工具 (25)5.1.1编程器 (25)5.1.2集成开发环境Keil和Protues (25)5.2控制系统的仿真 (26)5.3软件调试 (27)5.4硬件调试 (27)5.5软硬件联合调试 (28)6结论 (29)谢辞 (30)参考文献 (31)附录 (32)1引言1.1研究的背景和意义机器人是传统的机械结构学结合现代电子技术、电机学、计算机科学、控制理论、信息科学和传感器技术等多学科综合性高新技术产物,它是一种拟生结构、高速运行、重复操作和高精度机电一体化的自动化设备。
基于PLC控制的多轴机械手研制
１ 总 体 部 分
如图 １ 所示 ， 本项 目研 制 的机械 手教 学实 训设 备 的总体 结构 由机 械部 分 和电气 部分 组成 。
１ 旋 转 底 盘 Ｚ 轴
２ 旋 转 编 码 器
３卡抓 ＋ 真 空吸盘
４ 直 流 电 机
５ Ｘ、 Ｙ 轴 丝 杠 组
６ 步 进 电 机
７ 气 动 电磁 换 向 阀
空 吸盘 ， 以适应 操作 。真空 吸盘 一般 用橡 胶 制造 ， 主 要作 用是 将 工件 吸合 便 于搬运 ， 最大 限度 的保 护 工 件 的外观 ， 还具 有易 使用 、 零污 染 等优点 ； （ ２ ） 传动 机构 由 Ｘ Ｙ轴 滚珠 丝杠 副组 成 ， 滚 珠 丝杠 副传递 力矩 ， 完成 工件 在 Ｘ Ｙ轴 方 向上 的往复 运动 ， 其利 用滚 珠运 动 的原理 可 以具有 较高 的重 复精 度 ， 实 现运 动 的微 进给 ， 从 而保证 更准 确 的将运送 工件 至指 定地 点［ ２ １ ； （ ３ ） 旋转 机 构 ｚ轴 由底 座 和机 械手 所组 成 ， 旋转 机 构 扩大 了机 械手 的动 作范 围 ． 提 高 了机械 手在 搬运 过程 中的灵 活 性 。
工作。
关键 词 ：Ｐ Ｌ Ｃ； 机械手 ； 真空吸盘 中 图分 类号 ： Ｔ Ｈ１ ３ ８ 文献标识码 ： Ａ 文章编号 ： １ ０ ０ ８ — ７ １ ０ ９ （ ２ ０ １ ４ ） ０ １ — ０ ０ ６ ９ — ０ ４
目前 世界 高端 工业 机 械手均 有 高精化 、 高 速化 、 多 轴化 、 轻量 化 的发展 趋势 。 更 重要 的是将 机 械手 、
ＤＯ Ｉ ： １ ０ ． ３ ９ ６ ９ ／ ｊ ． ｉ ｓ ｓ ｎ ． １ ０ ０ ８ － ７ １ ０ ９ ． ２ ０ １ ４ ． ０ １ ． ０ １ ４
多轴机器人关节运动学与控制技术
多轴机器人关节运动学与控制技术多轴机器人是一种十分先进的机械设备，其广泛应用于各个领域，在现代工业中起着重要的作用。
多轴机器人是通过多个关节联动实现空间定位和物体运动的设备。
在此，我们将对多轴机器人的关节运动学和控制技术进行探讨。
一、关节运动学1、机械结构多轴机器人的机械结构通常由轴承、驱动器、减速器、输出轴、传感器和控制器等组成。
每个关节都由驱动机构和传感器组成，并通过系统控制器进行统一的控制。
因此，多轴机器人的运动学分析主要涉及到机器人各个部件之间的运动等信息。
2、坐标系对于多轴机器人，有必要定义一个统一的坐标系，以便清楚地描述机器人的位姿和姿态。
因此，机器人的各个关节之间都需要一个基本的坐标系。
为了更好地确定坐标系，通常使用DH法进行建模。
3、DH法建模DH法是宏观机器人建模的一种经典方法。
由于其精度高、建模简单、计算效率高等特点，DH法在机器人建模中得到了广泛应用。
DH法建模的基本思想是，在机器人关节处创建一个“虚”旋转关节，该关节使机器人移动到下一个坐标系时保持不变。
这样，即可确定一个关节坐标，从而直接计算出机器人的位姿和姿态。
二、机器人动力学机器人动力学主要研究机器人的运动学、力学和控制等相关问题。
在机器人动力学中，也必须建立与机器人运动完全相同的坐标系。
例如，在机器人被用作装配或加工任务时，其运动必须始终保持在同一平面内。
1、精度与稳定性机器人精度和稳定性是机器人运动中最重要的考虑因素之一。
如果机器人运动不稳定，精度将受到影响。
因此，机器人的运动学和控制系统必须具有在维持稳定性的同时提供高精度控制的能力。
2、运动学运动学是描述一些刚体在相对运动中的变化问题。
在机器人运动中，它涉及到机器人的位姿和姿态的变化问题。
此外，机器人控制系统还必须在超出机器人运动学限制的情况下处理错误并进行异常处理。
三、机器人控制技术在工业生产中，机器人控制技术必须具有最高的安全性和性能要求。
机器人控制技术是通过控制机器人的运动方式和过程来实现的。
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多轴机械手控制系统的研究
作者：周昱晗
来源：《科学与财富》2015年第06期
摘要：为解决因我国劳动力成本上升而对产品竞争力的不利影响，众多企业逐步装备有符合生产线需求的工业机械手，因此对工业机械手的研究和应用也将成为今后的趋势，其中多轴机械手因其具备了高灵活度和高效的特点而得到了广泛的应用。
本文主要依据多轴机械手的结构特点和要求完成了控制系统概要设计，针对路径规划问题，提出采用Bezier曲线拟合算法给出程序流程图，并在后续的三维空间仿真验证了该算法的有效性。
关键词：多轴机械手；Bezier曲线拟合算法
1. 机械手机械平台架构
机械手的主要构成部分有手部、运动机构以及控制系统三大部分。
手部是用来抓持物品的部分；运动机构是使机械手通过各种转动、移动或者复合运动来实现拟定的动作，改变被抓持物品的位置和姿势。
通常机械手可以分成直角坐标式、水平关节式、球面坐标式和关节式等类型，关节式机械手近乎类似于人类的手臂，各个关节等同于人类的手腕、肘、肩膀，动作灵活，通用性强，并且能够绕开障碍物去抓取物件，这个优点是其他类型的机械手很难比拟的。
本文中的机械手X、Y、Z三轴依照空间直角坐标进行布局，横向轴X轴最长，伺服电机转子外接铝制带轮并通过皮带传动；与X轴水平垂直的轴为Y轴，垂直地面的轴为Z轴，每一轴都有同步带带动各方向上的运动。
电机选用工业机械手中最为常用的交流伺服电机以及与电机相匹配的伺服驱动器。
2. 机械手控制系统概要设计
2.1机械手控制系统的组成
控制系统主要完成对机械手的每个自由度的控制。
机械手控制系统通常是单片机或者DSP 等微控制芯片为核心器件，加以辅助的外围设备，并通过编程实现对整个机械手的控制。
机械手控制系统主要包括了机械结构、硬件控制电路、系统软件和控制算法四个部分。
设计内容涵盖了结构设计，控制系统硬件设计，软件架构设计，运动学分析、轨迹路径研究以及运动学仿真。
2.2机械手控制系统硬件选型
主控芯片选用的是ST公司的STM32系列主控芯片STM32F103ZE T6，该款芯片具有低功耗、多外设的优点。
固件函数库选用Fwlib固件函数包，其是由程序、数据结构和宏定义所组成，涵盖了MCU单元所有外设的性能特征。
通过使用固件函数库可以轻松的应用每个外设，可以缩短用户的软件开发时间。
人机界面交互模组采用DWIN—HMI，它包含电源模块，处理器，TFT屏，存储单元以及接口电路，内部还包含了一整套的指令集，通过预留的用户接口以固定的协议格式进行通信。
3. 机械手的轨迹规划算法与实验
机械手的轨迹规划是其运动规划的主要部分，轨迹规划是规划机械手从起始位置到目标位置的合理路径，且这条路径必须满足在相邻两个作业点之间的无碰撞作业。
3.1机械手有效动作区域说明
在进行轨迹规划之前首先需要对机械手有效的动作区域进行判定。
本文机械手的各轴有效区域如图3.1所示。
图中弧AB和直线段CD是机械手的两条有效动作路径。
3.2轨迹规划算法研究
针对有效工作区中直线CD的轨迹规划通常利用空间直线插补算法来实现空间直线路径。
当前轨迹规划主要针对空间曲线路径规划，其目的就是使整个作业路径过渡自然且线条更加光滑，从而达到提升工作效率和提高动作精度的目的。
3.2.1空间Bezier曲线实现
以参数形式表达的优点就是可以使得Bezier曲线表达式在二维和三维情况下保持一致，因此很容易从低维推广到高维。
一个有用的参数表示形式事实上就是一些点的集合，如果我们将控制点定义在三维空间中，那么所生成的Bezier曲线也就是一条三维空间曲线。
如图3.2所示。
Bezier曲线是通过一系列多边折线的顶点所定义出来的，这些顶点只有第一个和最后一个在所生成的曲线上，其余的顶点都作为了控制点。
其表达如下：
设给定的n+1个空间多边形顶点位置矢量Pi（i=0，1，…n）则n次Bezier曲线矢量方程表示为：
在确定了Bezier曲线生成的理论依据后，一条Bezier曲线的生成具体有如下步骤：
1）给定一系列目标轨迹上的点，即控制点；
2）计算Bemstein基函数的表达式：
3）把给定的控制点只写成分量形式；
4）先确定合适的步长△t，然后控制参变量t从0到1连续变化，求出一系列空间点坐标（x，y，z）；
5）用小直线段将所得到的坐标点连接起来构成一条曲线。
其具体程序流程图如图3.3所示。
3.2.2实验结果与仿真
通过对空间内样条曲线采用Bezier曲线拟合算法得到的仿真图如图3.4所示，可以得出给定控制点的数目直接影响生成曲线的阶次，其中任何一个控制点位置的改变都将影响整条曲线的形状。
结论
本文首先对整个多轴机械手控制系统进行概要设计，选取各个模块用到的机械和硬件资源。
其次，针对实际当中机械手的多点定点动作的需求，提出了Bezier拟合算法实现空间曲线的轨迹规划，通过在三维空间的仿真验证了算法的有效性。
参考文献
[1] 肖南峰. 智能机器人[M]. 广州：华南理工大学出版社，2008.
[2] 方建军，何广平. 智能机器人[M]. 北京：化学工业出版社，2004.。