并联机械手控制系统设计
基于Sysmac的并联机械手控制系统设计
基于Sysmac的并联机械手控制系统设计杨亚【摘要】基于欧姆龙NJ-501 PLC控制的2自由度并联机械手系统,使用Sysmac Studio自动化软件对其控制器进行配置、编程和仿真,通过人机界面对2自由度并联机械手控制器进行监视、模拟和发出指令,使机械手按照指定轨迹运动.针对该机械手的运动学正反解,通过建立数学模型对其进行分析,实现并联机械手按指定轨迹运动的功能.【期刊名称】《韶关学院学报》【年(卷),期】2019(040)003【总页数】6页(P40-45)【关键词】并联机械手;NJ501;运动控制【作者】杨亚【作者单位】芜湖职业技术学院机械工程学院, 安徽芜湖241000【正文语种】中文【中图分类】TP311.1机械手是根据预先编制好的程序实现预期动作的机器.它不仅可以代替人完成复杂或危险的行为，保证人身安全［1］.同时，作为自动化生产过程中的重要设备，可以大大提高生产效率.基于Sysmac的并联机械手具有刚度大、惯性小、承载能力强、无累计误差、热形变量较小等优势，与目前广泛应用的串联机械手构成互补关系，可以作为航天飞机上和潜艇救援的对接器、精密操作的微动器、工业上的大件装配机器人［2］等，可以预见并联机械手在未来将有十分广阔的发展前景.1 控制系统的设计系统由2自由度并联机械手、伺服驱动器、设备控制器NJ-501和触摸屏NS15-TX0［］-V2构成，彼此通过EtherCAT网络连接，以NJ-501为核心，用触摸屏对机械手进行监视和控制.1.1 2自由度机械手组成与原理机械手拟采用启帆设备公司生产的型号为SW-300的2自由度并联机械手，其结构如图1所示.该装置由伺服电机、主动臂、从动臂和平动盘构成.静平台上安装两个伺服电机，由NJ控制器发出指令给伺服驱动器，驱动伺服电机经减速器带动主动臂转动，与主动臂连接的从动臂动作，进而控制平动盘在平面内作二维移动［3］.同时，平动盘安装不同机构可以进行手抓、钳夹和吸取等不同的动作.本系统平动盘处采用电磁铁，当平动盘移动到铁质物体上方时，通过控制器的指令使电磁铁通电来达到吸取目标的要求.1.2 控制系统结构整个系统的连接方式如图2所示，NJ-501通过EtherNet/IP与PC和HMI相连，实现对控制器的配置、编程、仿真和监控，再通过EtherCAT连接伺服驱动器，伺服驱动器与伺服电机需要通过专用电缆连接，接受电机编码器的返回信号，形成全闭环的控制回路，实现对伺服电机快速精确的运动控制［4］.图1 2自由度并联机械手结构图图2 控制系统网络结构2 运动学分析机械手平动盘的运动是平动，而伺服电机的运动是转动，伺服电机通过改变转动角度以驱动并联机械手工作.平动盘中点坐标（x，y）如何与伺服电机转动的角度（θ1，θ2）相对应，就是运动学分析所要考虑的内容.如图3所示，把原系统的机械手简化为平面6杆铰链结构，主动臂长Lt，从动臂长Lb，两轴间距L1，平动盘长L2，建立以静平台所在直线为x轴，其中点为原点的坐标系，基于此坐标系进行运动学分析.平动盘的位置定义在平面直角坐标系下，并联机械手系统设计的关键是实现平面直角坐标系（虚轴）与电机转角（实轴）的正确转换，虚轴与实轴之间相互转换包括运动学正解算法与运动学反解算法两部分［5］.图3 机械手数学模型2.1 运动学反解运动学反解主要是通过机械手末端的位置来确认转动的角度和各关节转动位置，即可以把末端位置（x，y）转化为电机转角（θ1，θ2）.把图3的数学模型作简化，主动臂与从动臂都内平移，平动盘简化为一个点，轴间距缩短至L1-L2.运用几何画板按比例绘出机械手的简化数学模型，如图4所示.由于所做简化为平移，故角度的相对位置不变，与此同时端点坐标保持不变，所以图4的化简不失一般性.图4 简化反解数学模型由图4简化反解数学模型可知，A点坐标（-（L1-L2）2,0），规定左轴从0°开始逆时针旋转为正角，顺时针旋转为负角；右轴则相反.不妨设l=（L1-L2）/2，则向量AC=（x+l,y）的模及其与x轴正半轴夹角分别为：在△ABC中，三边长均已知，由余弦定理得：故左侧电机旋转角度为：同理得出右侧电机旋转角度：其中：由几何关系不难证明，当θ1或θ2＜0°时，上式仍然成立.2.2 运动学正解正解主要是通过机械手旋转的角度来确认机械手的各个关节的位置以及末端的位置，正解有断电保持的作用，如果系统突然断电，上电后可以从伺服电机的绝对值编码器记录的电机转角推算出末端的坐标.采用平面几何学推导，直观、简单，可以获得工作平面内满足条件的合理解.做出如图5所示的辅助线.同样规定左轴从0°开始逆时针旋转为正角，顺时针旋转为负角；右轴则相反.令在直角梯形FBDG中：若直线BD在O点下方，即，如图6所示，则在△ABD中，由余弦定理得：图5 简化正解数学模型若直线 BD 在O 点上方，即α1+α2＜0，如图 6所示，则：在等腰△BCD中：在△COB中，由余弦定理：所以向量 OC 与 x 轴正半轴的夹角为ø+α1+π（α1可能为负角），即工作端 C坐标为：|OC|（-cos（ø+α1）,sin（ø+α1））.图6 简化正解数学模型特殊情况3 并联机械手的软件设计2自由度并联机械手运动控制软件编程在Sysmac Studio环境中完成，主要涉及到运动控制轴建立、机械手控制器程序设计、人机界面设计等，下面对其进行介绍.3.1 运动控制轴建立3.1.1 实轴设置这里的实轴指伺服器轴，是EtherCAT从站伺服驱动使用的轴.在“运动控制设置”的“轴设置”添加2个实轴和2个虚轴，添加完成后如图7所示.两个实轴重命名为Axis_L和Axis_R，两个虚轴重命名为Virtual_X和Virtual_Y［6］.图7 添加实轴和虚轴因为实轴的转动以角度度量，所以“显示单位”应选择“度”.本设计所用欧姆龙G5系列的伺服电机，使用了一个带有17位绝对值编码器，每转131 072个脉冲，机械手上还安装减速比为33的减速机，所以“电机转一周的指令脉冲数”应设置为4 325 376脉冲/rev.同时，“电机转一周的工作行程”设置为360度/rev.轴的“操作设置”中把“最大速度”设置成4 000度/s，“最大点进速度”设置成100度/s，其他数值不变.轴的“限位设置”中，“软件的限位”选择“命令位置的立即停止”，正负软件限位分别设置成100度和-45度，防止机械手应伺服电机旋转过度而故障.轴的“位置计数设置”中，“计数模式”选择“线性模式”，编码器类型改为绝对值编码器.在轴设置中其他的设置均保持默认即可.Axis_R轴设置与Axis_L轴类似，唯一的区别是节点不同.3.1.2 虚轴设置虚轴指虚拟伺服轴，只用于运动控制功能块内，实际伺服驱动不使用它们，主要用作主轴进行同步控制.两个虚轴Virtual_X和Virtual_Y设置相同，只需更改“单位换算设置”中的“显示单位”即可轴设置完成后，可以直接在Sysmac Studio中使用轴变量和轴指令对相应轴进行控制.3.1.3 轴组设置轴组有多个轴组成，用来完成多轴的复杂操作，如直线插补和圆弧插补等.本系统需使用由两个虚轴组成的轴组，构成笛卡尔坐标系，通过反解算出电机的转角并传递给实轴，机械手便可实现按预定轨迹运动［7］.3.2 机械手控制器程序设计程序开始后，首先判断是否开启电机抱闸，开启后机械手进行原点矫正，并对系统的数据进行初始化操作；然后准备工作完成后，伺服电机就位，这时开始选择手动或者是自动模式.手动模式下，主要使用人机界面上的方向键控制机械手在边界范围内任意移动，同时手动操作需事先给定目标点，使机械手直线移动到该点；自动模式下，可以实现机械手循环搬运货物，循环结束后自动回原位，准备接收下一条指令.当发生越限或者轴组故障时进行报警并停止，清除错误后，重新判断是否开启电机抱闸，进行下一次循环，具体的软件设计流程如图8所示.图8 控制系统工作流程图3.3 人机界面设计人机界面不仅能方便对机械手进行控制，还能直观的检测机械手的运动轨迹.本系统选用欧姆龙生产的触摸屏NS15-TX0［］-V2可以与NJ控制器通过EtherCAT 连接,使用CX-Designer设计软件编写人机界面.具体的界面有：参数设置界面、初始化界面和仿真监视界面［8］.在运行机械手前，需要将机械手的相关参数输入到参数设置界面，实现对机械手的精确监控.初始化当位灯亮起时，代表机械手准备就绪.仿真界面可以绘制机械手的动态曲线，实时显示机械手的各项参数，并能对机械手的故障进行报警，可以进行手动或自动运行.点击“Calculate_Start”，会显示出机械手的位于初始位置的曲线，如图11所示.点击左下角的方向键可以控制机械手的移动，到达边界时，显示“Out Of Range”警告，不能继续向该方向移动.在“Go to targrt”按钮右侧可以输入坐标，按住“Go to targrt”可以使机械手移动到指定位置.“Magnet Control”则是控制机械手末端电磁铁的开关，用于抓取或放下物体.点击右上角的“AUTO”键可以使机械手进入自动模式，“SET”下的输入框用来设置移动物体的个数，“Remainder”则显示剩余的物体个数.在自动运行过程中，可以随时按“Go_Home”中断自动模式，使机械手返回原点.点击右上角的“AUTO”键可以使机械手进入自动模式，如图12所示，机械手自动要完成的动作是把A处的货物搬运到B处，实验表明机械手可以精准的将货物从A处运到B处，实现了机械手的高速、精确、平稳运行.4 结语2自由度并联机械手控制系统的重点是机器人的运动学分析，尤其是正向运动学求解，针对当前正解多个解析解的问题，提出了一套新的算法.整个控制系统的编程遵循简单直观的原则，逻辑调整清晰，各部分的编写采用梯形图和ST语言相结合的方法.运行速度快、精度高、稳定性好，能较好地完成工业现场搬运任务.参考文献：【相关文献】［1］龙迎春,刘思广,李诺轩,李玉华,黄基荣,宋玉春.光机电一体化桌面冰球对决系统设计［J］.机械与电子,2017（7）：60-63,68.［2］王栋,花文超,李祺,朱剑,王飞,胡泽黎.工业机器人实验平台设计［J］.中国高新技术企业,2016（23）：27-29.［3］殷欣.基于视觉技术的机器人曲棍球对决控制系统设计［D］.青岛大学,2016.［4］孙骏.基于NJ平台新型锌膏注入机控制系统的研究与设计［D］.江苏大学,2016.［5］郑昌俊.基于Sysmac自动化平台的超大型剪板机数字控制系统研究与设计［D］.江苏大学,2016.［6］丁晓玲,赵文启.基于Sysmac 的Delta 机械手自动控制系统设计［J］.科技传播,2015（18）：145,159.［7］杨小峰,章海鹏.基于 Sysmac 的二自由度并联机械手控制系统研究［J］.软件,2014（6）：15-18.［8］程敏.基于SYSMACNJ控制器的并联机械手控制系统［D］.青岛：青岛大学,2014.。
机械手控制系统设计任务书
机械手控制系统设计任务书机械手控制系统设计：（一）硬件系统：1.机械手结构设计：在控制系统的设计之前，需要先按需求对机械手结构进行设计和优化，负责机械手运动部分的设计和制造，保证机械手的精确性和可靠性。
2.电控系统设计：需要根据机械手结构和实际的工况确定电控系统的构成，包括传动系统、电控部分、解码控制部分和安全保护部分等，使电控系统能够实现匌合的驱动和控制功能。
3.控制系统软件设计：负责控制系统软件移植、设计、测试和调试，控制系统软件要求正确性，可靠性，实时性和高效率，确保机械手的正确运行。
系统软件以C语言编程实现，采用模块化的设计方法和结构化的程序编写。
（二）系统功能：1.平滑运动：控制机械手能够实现连续搬运，快速搬运和精确搬运三种运动模式，保证搬运过程中的平滑和准确。
2.避障功能：系统实现避障技术，当机械手遇到障碍物时能够及时反应，采取合适措施保护物料和机械手本身，防止意外碰撞危害。
3.重复定位：控制系统采用联锁机制进行重复定位，确保物料正确定位，预防物料受到外力的影响而产生的误差。
4.加速减速：机械手通过控制系统实现加速，减速和精确调速等，以满足机械手需要的运动精度和变速率要求。
（三）系统试验：1.总体试验：控制系统在完成设计编程后，应进行总体试验，确定其正确性和可靠性，测试的内容应包括电源调试、触摸屏调试、电机调试以及操作模式的测试等。
2.精度测试：对机械手系统的精度进行测试，检查其是否符合要求，以保证物料的正确搬运。
3.运行状态测试：在负载和行程范围内，检测机械手的运行状态，从而确保机械手能够正常运行搬运物料。
4.振动测试：检查机械手是否存在振动情况，以确保机械手搬运物料的准确性。
基于PLC机械手控制系统设计
2024-04-29
• 项目背景与意义 • 整体方案设计 • 硬件选型 • 程序设计 • PLC仿真 • 项目总结与展望
目录
Part
01
项目背景与意义
机械手控制系统优势
效率高、准确高
高生产自动化程度，有利于 提高材料的传送、工件的装 卸、刀具的更换以及机器的 装配等的自动化程度，提高 生产效率，降低生产成本
改善劳动条件
避免人身事故，代替人安全 地在高温、高压、低温、低 压、有灰尘、噪声、臭味、 有放射性或有其它毒性污染 以及工作空间狭窄等场合中 完成工作。
自动化程度高，成本低
采用PLC控制系统，实现远 程监控和自动调节，提高运 维效率，降低了人工成本。
Part
02
整体方案设计
系统硬件设计
plc选型 机械手的位置反馈是开关量控制，所需的I/0点数量并不多，所以使用一般 的小型plc的选择就可以了。由于所需要的 I/0 点数分别为 20 点和12 点， 因此本设计选用西门子S7-226来实现控制
2）通过下面一排拉杆模拟PLC输入信号，通过观察Q点输出亮灯情况检查程序。
组态制作
新建一个工程，触摸屏的类型选择TPC7062TD
2）制作主页面。
组态制作
在设备窗口中添加-通用串口父设备和西门子_S7200PPI
2）双击西门子_S7200PPI，增加设备通道，并且连接对应的数据库，是PLC与触摸屏互相通信。
Part
03
硬件选型
plc硬件接线图简图
选型与配置方案
PLC控制器
使用一般的小型plc的选择就可以 了。由于所需要的 I/0 点数分别 为 20 点和12 点，因此本设计选 用西门子S7-226来实现控制。
并联机器人控制技术流程
并联机器人控制技术流程步骤1：系统建模并联机器人的控制技术流程的第一步是对系统进行建模。
这是通过将机器人系统划分为多个子系统来实现的。
每个子系统包括机器人手臂、传感器、执行器和控制器等。
然后，通过建立相应的数学模型来描述每个子系统的动力学和运动学性质。
步骤2：路径规划路径规划是控制并联机器人系统的关键步骤之一、它涉及到确定机器人手臂在工作空间中的路径，以便实现所需的目标。
路径规划可以是基于轨迹的，也可以是基于运动学的。
基于轨迹的路径规划是指在给定的起始和终止位置之间生成一条平滑的轨迹。
而基于运动学的路径规划是指根据机器人的运动学约束来生成合适的路径。
步骤3：动态建模动态建模是控制并联机器人系统的另一个重要步骤。
它涉及到通过建立机器人系统的动力学模型来解析和预测系统的运动。
动态建模的目标是确定机器人手臂的位置、速度和力矩等运动参数。
这些参数将用于控制机器人系统的运动和力量输出。
步骤4：控制策略设计控制策略设计是控制并联机器人系统的核心步骤之一、它涉及到选择合适的控制算法和方法来实现机器人系统的控制。
常见的控制策略包括基于位置的控制、基于力的控制和基于视觉的控制等。
选择适当的控制策略取决于机器人系统的要求和应用。
步骤5：控制器设计和实现在确定控制策略之后，需要设计和实现相应的控制器。
控制器的设计通常包括PID控制器、模糊控制器、自适应控制器等。
在设计控制器时，需要考虑机器人系统的动力学和运动学性质，以及系统的输入和输出。
然后，通过数学建模和仿真来验证和调整控制器的性能。
步骤6：实时控制和反馈实时控制和反馈是并联机器人控制的最后一步。
它涉及到将控制信号发送给机器人系统的执行器，并实时监测和调整系统的状态。
这可以通过传感器来实现，如力传感器、视觉传感器和位置传感器等。
通过实时控制和反馈，可以确保机器人系统在不同的工作条件下保持准确、稳定和安全的操作。
总结起来，控制并联机器人系统的技术流程包括系统建模、路径规划、动态建模、控制策略设计、控制器设计和实现、以及实时控制和反馈等步骤。
两自由度并联机械手控制系统设计
两自由度并联机械手控制系统设计摘要：机械手是现代化工业生产的重要工具，机械手是根据人类手臂功能而设计的，对现代化工业生产的发展有着极其重要的作用。
针对两自由度并联机械手，采用欧姆龙NJ-1500系列CPU作为核心控制器，利用伺服电机作为机械手驱动单元，通过以太网总线实现PLC与伺服驱动器、上位机之间的通信连接。
应用SymacStudio软件编程实现机械手路径规划和抓取运动控制，设计了机械手监控画面。
实验表明，机械手可实现物品的快速自动抓取，控制系统稳定。
关键词：机械手；PLC；伺服电机；路径规划DOI：10。
16640、j。
cnki。
37-1222、t。
2022、12、1230引言工业机械手有多个自由度，是现代工业发展起来的一种代替人类劳动力的自动化生产设备，通过程序控制来完成各种工作任务[1]。
在机械结构上，模仿了人类手臂的一些结构特点，在性能上，具有比人手更优越的一些特点[2]。
随着我国工业生产的飞速发展和自动化程度的迅速提高，实现食品加工、包装、物流等工作方面节省劳动。
两自由度并联机械手适合在二维平面内高速运动，长距步进的场合。
1控制系统硬件设计1、1控制系统总体方案设计机械手由控制系统（PLC）、驱动机构（伺服电机）和執行机构（平动盘）组成，如图1所示。
从主动臂的作用是辅助平动盘来准确的抓取物品并能够移动到指定的位置。
机械手有直线和曲线两种运动形式。
机械手控制系统设计的主要因素包括工作的顺序、被抓取物体的重量、抓取过程中的运动时间、物体抓、放的位置等。
控制动作包括点动控制和自动连续控制。
控制系统是根据被抓物体的位置和机械手动作的要求来编写程序，然后根据编写好的程序，从而控制机械手的运动轨迹。
1、2机械手运动路径的规划机械手工作的路径由一系列坐标点组成，通过控制器进行直线插补和圆弧插补。
传统的路径规划如图2所示。
图3是机械手在实际运行过程中适合精确抓取的运动路径，因为在运行过程中的C点和D点处有直角的过渡，此时可能会有机械手的突然加速和加速度的变化，机械手会有巨大的噪音和剧烈的抖动，所以在拐角处设计为圆弧来对这种不足加以抑制。
并联操作机器人系统设计与实现
并联操作机器人系统设计与实现随着机器人技术的发展，越来越多的机器人应用到了生产制造等领域中。
其中，机器人系统的灵活性及高效性是影响其应用领域的重要因素。
而并联操作机器人系统则凭借其具有的高精度、高稳定性、高效率的特点，被广泛应用于航空航天、汽车、数控加工等领域。
并联操作机器人系统的原理是将多台机器人连接在同一机构下，实现多自由度的运动控制，提高其臂长和载荷等性能指标。
这种机器人系统通常由机械结构、控制系统、传感器和功能模块等多个部分组成。
下文将详细介绍并联操作机器人系统设计与实现的流程和技术要点。
机械结构设计机械结构是并联操作机器人系统的核心部分，直接影响并联操作机器人的运动性能。
机械结构设计的要点包括选择合适的机器人模型、设计连接机构、考虑工作空间、选用适合的臂长及载荷等。
机器人模型选择：目前市面上常见的并联操作机器人有平行机器人、串联机器人和混联机器人等。
平行机器人结构简单，具有高刚性和稳定性；串联机器人理论上具有无限多自由度，能够进行更加复杂的运动；混联机器人则兼具两者优点，但设计难度较大。
根据不同的工作要求和实际情况选择合适的机器人模型。
连接机构设计：连接机构是并联操作机器人系统的核心，主要包括主机架、机械臂、执行器等。
根据机器人模型设计对应的连接机构，注意要选用高刚性、高精度和耐久性好的材料制作。
并联操作机器人的基座通常只需要固定住即可，而机械臂的设计主要包括链接臂、驱动臂和动平台等，并采用合适的轴承和副件设计传动机构，以提高运动的稳定性和精度。
工作空间设计：并联操作机器人具有复杂的工作空间，设计时应根据具体应用场景确定其工作空间大小及形状等，以保证机器人能够完成所有任务。
臂长及载荷设计：并联操作机器人的臂长和载荷是其性能的重要指标，选用合适的臂长和合理的载荷可以提高机器人的灵活性和效率，减少故障率。
应根据实际工作要求结合材料特性、驱动能力等综合考虑设计并联操作机器人的臂长和载荷。
控制系统设计控制系统是并联操作机器人系统中的“大脑”，是实现整个机器人系统稳定性和精度的关键。
并联机器人的机构设计
零件旳设计与选型1 定平台旳设计定平台又称基座, 在构造中属于固定旳, 具体旳参数见图一, 厚度20cm。
定平台旳等效圆半径为210mm。
材料选用铸铁, 锻造加工, 开口处磨削加工保证精度。
最后进行打孔旳工艺。
图一定平台设计图2 驱动杆旳设计具体参数为长* 厚* 宽: 880mm*10mm*20mm。
孔旳参数为φ10*10mm。
材料用铝合金, 设计为杆式, 质量小, 经济, 同步也满足载荷条件。
图二驱动杆旳设计图3 从动杆旳设计具体参数为长* 宽* 高: 620*20*10mm。
孔参数为φ10*10mm。
材料选用铝合金。
图三从动杆旳设计图4 动平台旳设计参数如下图, 考虑到重量因素, 采用铝合金, 切削加工。
动平台旳等效圆半径为50mm, 分布角为21.5°。
图四动平台旳设计图5 链接销旳设计45号钢, 为积极杆和定平台旳连接销: φ9*66mm。
6 球铰链旳选型目前, 大多数旳Delta机构旳积极杆与从动杆旳链接方式为球铰链旳链接。
球型连接铰链是用于自动控制中旳执行器与调节机构旳连接附件。
它采用了球型轴承构造具有控制灵活、精确、扭转角度大旳长处, 由于该铰链安装、调节以便、安全可靠。
因此, 它广泛地应用在电力、石油化工、冶金、矿山、轻纺等工业旳自动控制系统中。
球铰链由于选用了球型轴承构造, 能灵活旳承受来自各异面旳压力。
本文选用球铰链设计, 是重要由于球铰链旳可控性, 以及构造简朴, 易于装配。
且有较好旳可维护性。
本文选用了伯纳德旳SD 系列球铰链, 相对运动角为60°。
7 垫圈旳选型此处我们选用原则件。
GB/T 97.1 10‐140HV , 10.5*1.6mm。
8 电机旳选型本设计旳Delta 机器人, 重要面向工业中轻载旳场合, 例如封装饼干等。
因此, 如下做电动机旳选型解决。
由于需要对角度旳精确控制, 因此决定选用伺服电机。
交流伺服电机有如下特点: 启动转矩大, 运营范畴广, 无自转现象, 正常运转旳伺服电动机, 只要失去控制电压, 电机立即停止运转, 这也是Delta 机构需要旳。
机械手自动控制设计
机械手自动控制设计摘要机械手是一种能够模拟人的手臂运动的工具。
通过自动控制机制，机械手能够实现精确的动作，广泛应用于工业生产线、医疗机器人和服务机器人等领域。
本文将介绍机械手自动控制设计的相关内容，包括机械手的结构和原理、自动控制系统的设计和应用场景等。
1. 机械手的结构和原理机械手由多个关节组成，每个关节可以作为一个独立的自由度进行运动。
常见的机械手结构包括串联型、并联型和混合型。
串联型机械手的关节依次连接，可以实现复杂的运动轨迹；并联型机械手的关节通过平行连接，可以实现较高的稳定性和刚度；混合型机械手采用串并联结构的组合，兼具了串联型和并联型的优点。
机械手的运动是由电机驱动的。
电机将电能转换为机械能，通过传动装置驱动机械手的关节运动。
常见的电机类型包括直流电机、步进电机和伺服电机。
直流电机结构简单，控制方便，适用于低功率和低速应用；步进电机能够精确控制转角，适用于高精度应用；伺服电机能够实现闭环控制，在高速、高精度应用中表现出色。
2. 自动控制系统的设计机械手的自动控制系统包括感知、决策和执行三个层次。
感知层负责获取环境信息，包括视觉、力觉和位置等；决策层根据感知信息做出决策，确定机械手的动作；执行层控制机械手的关节运动，完成决策层指定的任务。
2.1 感知层设计感知层主要通过传感器获取环境信息。
常用的传感器包括摄像头、力传感器和位置传感器等。
摄像头可以获取图像信息，用于机械手对工件的识别和定位；力传感器可以测量机械手与工件之间的力和压力，用于力控制和力反馈；位置传感器可以测量机械手的关节位置，用于位置控制和位置反馈。
2.2 决策层设计决策层主要包括机械手的轨迹规划和动作生成。
轨迹规划是指给定起始点和目标点，确定机械手的运动路线；动作生成是指根据轨迹规划生成机械手的具体动作序列。
常用的算法包括插补算法、路径规划算法和运动学算法等。
2.3 执行层设计执行层主要由控制器和执行器组成。
控制器通过对电机的控制来驱动机械手的关节运动；执行器负责将电机的转动转化为机械手的关节运动。
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触摸屏通信 ， 实 现 人 机 交 流。 就 这 样 组 成 了两 轴 并
联 机 械 手控 制 系统 。图 ２
为 控 制 系统 结 构 图 。 １ ． ３ 系统 控 制 要 求
网络型 ｛ Ｒ ８ ８ Ｄ － Ｋ Ｎ ０ １ Ｉ Ｒ ８ ８ Ｄ － Ｋ Ｎ ０ 伺服驱动器 ｊ ４ Ｈ － Ｅ Ｃ Ｔ － Ｚ『ｌ ４ Ｈ ． Ｅ Ｃ Ｔ － Ｚ
ｎｅ ｔ ｗｏ ｒ ｋ ｃ ｏｍｍ ｕ ｎｉ ｃａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｆ ｏｒ ｍｏ ｔ ｉ ｏｎ ｃｏ ｎ ｔ ｒ ｏｌ ， ｒ ｅ ａｌ ｉ ｚ ｅ ｄ ｔ ｈ ｅ ｈ ａ ｒ ｍｏ ｎ ｉ ｏ ｕｓ ａ ｃ ｔ ｉ ｏｎ ｏｆ ｔ ｗｏ ａ ｘｉ ｓ ｐ ａｒ ａｌ ｌ ｅ ｌ ｍ ａ ｎｉ ｐｕｌ ａ ｔ ｏ ｒ ， ｉ ｎ ｏｒ ｄｅ ｒ ｔ ｏ ａｃ ｈ ｉ ｅ ｖ ｅ
摘 要 随 着 工 业 自动 化 水 平 的提 高 ， 工 业 上 对机 械 手 的需 求 量越 来越 大 。应 用 欧姆 龙 Ｎ Ｊ 系列运 动控 制 器设 计 两轴 并联 机 械 手 控 制 系统 。 系统 由 Ｎ Ｊ运 动 控 制 器 、 触摸 屏 、 伺服驱动器 、 伺 服 电机 等 硬 件 组 成 ， Ｎ Ｊ控 制 器通 过 Ｅ ｔ ｈ ｅ ｒ Ｃ Ａ Ｔ网络 通 信进 行 运
主 动 臂 通 过 平衡 杆 调节 带 动 从 动 臂 动 作 ，从 而 控 制 平 动 盘 的移
动控制 ， 是 进 行 大 规 模 复杂 运 动 控 制 的 一 种理 想选 择 。 它 的控 制 系统 是 由 Ｎ Ｊ 运 动 控 制 器 通 过 Ｅ ｔ ｈ ｅ ｒ Ｃ Ａ Ｔ端 口与 两 个 网 络型伺服驱动器通信 ， 从 而 控 制 两 个 伺 服 电 机 工 作 。通过 Ｅ ｔ ｈ ｅ ｒ Ｎ ｅ ＶＩ Ｐ 与
枞
图 ２ 控 制 系统 结 构 图
动 。平动 盘 中 心有 电磁 铁 ， 用 ＮＪ 运 动 控 制 器 控 制 电 磁铁 电源 的 通断 ， 实 现 对 小 铁 片 拿 起
ｔ ｈ ｅ ｐ ｕ ｒ ｐ ｏ ｓ ｅ ｏ ｆ ｉ ｍ ｐ ｌ ｅ ｍｅ ｎ ｔ ｓ ｐ ｅ ｃ ｉ ｆ ｉ ｃ ｔ ｒ ａ ｊ ｅ ｃ ｔ ｏ ｒ ｙ
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并 联机 械 手 控 制 系 统 设 计
并联机械手控制系统设计
Ｄｅ ｓ ｉ ｇｎ ｏ ｆ Ｐ ａ ｒ ａ ｌ ｌ ｅ ｌ Ｍａ ｎ ｉ ｐｕ ｌ ａ ｔ ｏ ｒ Ｃｏ ｎ ｔ ｒ ｏ ｌ Ｓ ｙ ｓ ｔ ｅ ｍ
史金 良 徐 世 许 吴琳 婧 （ 青岛大学 自 动化工程学院， 山东 青岛 ２ ６ ６ ０ ７ １ ）
传统 的单 轴 伺 服 机 械 手 ，独 立 多 轴伺 服机 械 手 已经 不能 满 足现 代 工 业 的需 求 ，多 轴协 调联 动机 械手 已经 成 为 机械 手发 展 新 的方 向 。本 文 研 制 开 发 的 并联 两轴 机械 手是 一个 封 闭 的运 动 链， 与 串 联 机 械手 开放 的运 动 链 相 比 ， 并 联 机械 手不 易有 动态 误 差， 无 累积 误 差 ， 精 度较高 ， 运 动惯 性 小 ， 结 构紧凑稳定 ， 承 载 能 力大， 工作 空间较小 ， 在需要高刚度 、 高精度 、 大荷重 、 工 作 空 间 精 简 的领 域 内得 到 了 广泛 的应 用 。 １ 并 联 机 械 手 结 构 简 介 １ ． １ 机 械 结 构 此 机 械 手 为 两 自由度 并 联 机 械 手 ，它 的机 动 性 与 人 体 骨 骼 动 作 流 程 相 似 。首 先 ， 伺服电机转动通过减速机使主动臂转动 ，
动控制 ， 实现 了两轴 并联机械手 的协调动作 ， 达到特 定运 动轨 迹。该控制 系统具有 响应速 度快、 定位 准确 、 稳 定性 强、 误 差
小、 调 速表 现 出极 高的 优越 性 。
关键 词 ： Ｓ Ｙ Ｓ Ｍ Ａ Ｃ Ｓ Ｔ Ｕ Ｄ Ｉ Ｏ， Ｎ Ｊ运 动 控 制 器 ， 触摸屏， 并 联 机械 手