一种六自由度机械臂的控制系统设计

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摘 要：机械臂是机器人最主要的執行机构，具有时变、强耦合、非线性等特点。因此，对六自由度机械臂控制系统设计问题的研究十分重要。以六自由度机械臂为研究对象，采用PLC（可编程序控制器）设计其控制系统，并进行了实现分析，以保证六自由度机械臂能够高效、平稳的运行。

关键词：机械臂；控制系统；适应性；PLC控制系统

中图分类号：TP241；TP273 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.23.123

1 六自由度机械臂研究发展简析

六自由度机械臂就是多自由度机械臂，具有高速、灵活等特点，在工业生产等已知环境中扮演着非常重要的角色。它属于典型的强耦合多输入/输出的非线性系统。从目前情况看，对机械臂轨迹快速跟踪控制的研究比较多，但许多重点还未被突破，面临诸多问题。具体而言，对机械臂建模和机械臂控制系统的研究是十分关键的。

2 六自由度机械臂结构与PLC控制系统

2.1 六自由度机械臂结构

六自由度机械臂是以六关节串联形成的结构，其关节传动是用绝对编码器电机和精密谐波减速器实现的。小臂位置会装设相应的摄像头和气动工具，这些都是其非常关键的外部设备接口，且提供相应的电气接口。另外，用户也能进行相应的功能扩展。机械臂控制大多集成了PC技术、图像技术和逻辑控制等，其间还采用专业运动控制技术、VME运动控制器，其性能可靠、稳定且速度快、精度高。

2.2 PLC控制系统

PLC控制被应用于各大领域，此类控制系统适应性强，且极具抗干扰能力，应用便捷、简单。该控制系统应用于机械中意义重大。比如用于中央空调的PLC系统，它可实现数据显示、控制和连锁，同时，可以保护整个空调系统的运行安全，数据显示功能可以有效显示空调冷水出入口和冷却水出入口的温度，还能显示其蒸汽阀门开度和溶液泵等数据。应用这个系统，可以帮助人们及时发现设备中存在的问题。其长时间储存的数据为空调发展与研究提供了必不可少的数据支撑。其控制功能运行方式主要是软手动、就地手动和自动3种，而采用这三种控制功能运行方式所构建的空调设备可以实现合理调节和快速启动，从而更好地控制空调开关及其运行速度，充分降低能源消耗，以此提升空调的环保性，强化其经济性和安全性。因此，PLC控制系统功能强大且安全、可靠，具有很好的灵活性，应用于机械中的效果和作用很好。PLC控制系统整体框架如图1所示。

3 基于PLC控制的六自由度机械臂控制

3.1 控制系统构成

基于PLC控制系统的六自由度机械臂设计十分灵活，其伸缩扩展很容易实现。可以说，它的关量控制非常好，更适用于六自由度机械臂设计。基于PLC控制系统可以实现PID回路连

续运行，能够与上位机构充分结合，从而形成复杂且多功能的控制系统，比如直接数字控制和分布式控制系统。将PLC控制系统应用于六自由度机械臂设计中，可以实现产品生产过程全方位自动化，以此快速提升生产效率，提高生产速度，为相关企业节省人力资源和各方面的成本。

3.2 基于PLC控制系统的使用

基于PLC控制系统具有非常强大的功能，其编程非常简单，操作便捷。这里强调的是以简单明确的梯形图、语句表和逻辑图实现语言编程，其间不需要过多的计算机与相关技术，简单学习之后就能了解各项开发和应用情况。同时，其所需的开发时间短，可在短时间之内实现PLC开发和应用，从而合理节约了生产时间，使机械臂现场调试简单、有效，快速健全机械臂功能及其组装等方面的内容，确保后续检修和养护工作操作的适宜度。基于PLC控制系统的机械臂可以实现在线程序的更改，改善传统控制方案，加快相应控制方案的更改速度，为相关企业节约更多的人力资源和物力资源，推动企业的生产，尽可能地避免各方面问题的出现。

3.3 基于PLC控制系统的环境适应性

基于PLC控制系统可以更好地适应诸多恶劣环境，强化机械臂的适应力，提高其抗干扰能力，确保机械臂运作更加安全、可靠，这比同类机械的使用效果更好。机械臂可在多种环境下工作，它能够有效避免各方面因素对其的影响，同时，也能保证工作人员的生产安全。基于PLC控制系统的机械臂生产效率和生产宽度被合理提升后，其能快速完成许多人力不能完成的工作，从而进一步提升企业的生产力。这样做，也能在一定程度上提升我国的国际竞争力，提高我国的国际地位。

具体而言，在基于PLC控制系统运行的过程中，主要分为3个阶段，这里强调的是输入采样、输出刷新和用户程序的全面执行。其间所蕴含的阶段强调的是PLC控制系统工作周期的全方位扫描。在此过程中，可以按照相应的扫描速度连续不断地循环扫描。目前，PLC控制系统被广泛应用于我国气动控制和电动接卸领域，并且此类技术也推动了阀岛技术的发展。另外，PLC控制系统在机械臂领域的应用也非常广泛。该控制系统使得机械臂操作更加简单、便捷，同时，其功能也被不断扩大。

4 基于PLC的六自由度机械臂控制系统设计实现

4.1 系统硬件设计

六自由度机械臂控制系统设计主要是由工控机、PLC、触摸屏、服驱动器、同步交流电机和编码器构成的。工控机和触摸屏属于监控层，其主要作用是监控机械臂的运行情况；PLC

属于控制层，用户可于工控机中编写程序，同时，将其下载到PLC中，更好地控制PLC伺服驱动，保证各个伺服电机能够合理协调，实现同步运行。

4.2 系统软件设计

4.2.1 PLC软件设计

控制系统程序运用的是模块化编程思想，将驱动参数快速初始化。这时，机械臂可快速回到原点，再采用运动学正解、反解和路径规划实现程序功能块。这些都是非常重要的子程序，能保证程序结构更加清晰，修改快速。

4.2.2 運动学正反解算法设计

在工作过程中，采用的伺服电机应改变转角来驱动机械臂工作，要合理定位平动盘位置，同时，并联机械臂系统。这里强调的是将其与电机转角准确转换，而其间互相转换主要是运动学正解算法和运动学反解算法这两方面。正解算法是用各台伺服电机转角推算出平动盘于平面中的位置；反解算法则强调的是用平面中平动盘合理推算出电机中轴的旋转角度。

4.2.3 人机界面设计

通常情况下，人机界面设计是选择合理的监控程序设计监控软件，从机械臂控制系统的角度对监控功能提出要求。具体而言，监控系统主要是由以下几方面构成的：①主界面。主界面可显示六自由度并联机械臂的实际结构，还有其电机左右抱闸控制和伺服锁定控制，采用指示灯来指示状态，以便及时观测机械臂的实时位置。②自动控制界面。此界面中有机械臂的自动运行按键，比如自动启动和STOP等类按钮，也可以设置自动运行中的许多位置和屏障高度。另外，此界面还应设置适宜的铁片，其厚度应适宜六自由度机械臂控制，还有其循环次数和运动速度等类参数。③手动控制界面。该界面可实现机械臂的手动操作，比如其相应的点动，严格指定相关位置绝对移动。④报警界面。此界面主要是用指示灯指示相应的方向，警示其越限和轴错误。同时，要设置相应的按钮，如果出现越限警报，可及时按下清除按钮将机械臂恢复到原始位置。

5 结束语

综上所述，机械臂是工业自动化领域中一种常用、高效、可靠的自动化装置。机械臂控制系统采用PLC控制，大大提高了该系统的自动化程度，提高了控制系统的可靠性。同时，使用PLC控制方便更改生产流程，增强控制功能。要想满足机械臂控制系统的不同工作需求，机械臂控制系统要具有较强的灵活性和可操作性。基于PLC控制系统的六自由度机械臂，可快速提升机械臂功能水平，促进六自由度机械臂的发展，进而推动我国工业生产和机械制造业的快速发展，促进我国经济水平的快速提升。

参考文献

[1]刘晓坤.基于视觉的机械臂控制技术研究[D].哈尔滨：哈尔滨工程大学，2013.

[2]杨淞.一种六自由度机械臂的运动控制系统设计[D].上海：上海交通大学，2014.

[3]陈浩，李腾飞，陈锐.一种六自由度串联机械臂的研制[J].机械工程与自动化，2015（6）.

〔编辑：白洁〕