串聯(lián)機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

江儀慧 刁孟磊

摘 要：機(jī)器人是一種仿人功能的自動(dòng)機(jī)，而不是人們以為的與人的體貌特征相似的由無生命的零件構(gòu)成的機(jī)器。自從1954年第一臺(tái)可編程機(jī)器人誕生以來，機(jī)器人就受到人們的廣泛關(guān)注。醫(yī)療、航空航天、井下或深水機(jī)器人等等都是機(jī)器人的表現(xiàn)方式，目前，六自由度的串聯(lián)機(jī)器人是機(jī)器人中技術(shù)成熟、應(yīng)用廣泛的一種，在制造生產(chǎn)中是不可或缺的好幫手，故關(guān)于六自由度串聯(lián)機(jī)器人在工業(yè)生產(chǎn)方面的關(guān)鍵技術(shù)的研究是非常有意義的。本文的主要內(nèi)容包括：六自由度串聯(lián)機(jī)器人的國內(nèi)外簡(jiǎn)介，串聯(lián)機(jī)器人的硬件部分，包括系統(tǒng)布局、實(shí)物圖、原理圖等，對(duì)串聯(lián)機(jī)器人整體構(gòu)造進(jìn)行描述；軟件部分包括機(jī)器人功能介紹，MCGS組態(tài)的建立；最后，對(duì)本文進(jìn)行總結(jié)。

關(guān)鍵詞：串聯(lián)機(jī)器人；單片機(jī)；MCGS；步進(jìn)電機(jī)；伺服電機(jī)

1.引言

在當(dāng)今社會(huì)，機(jī)器人技術(shù)越來越廣泛的應(yīng)用到制造業(yè)領(lǐng)域中，并成為其領(lǐng)域的前沿技術(shù)。我國目前已由制造大國向制造強(qiáng)國轉(zhuǎn)型，要想成為制造強(qiáng)國，就要大力發(fā)展制造業(yè)技術(shù)，使其生產(chǎn)手段向機(jī)械化、自動(dòng)化、智能化、信息化變革?？梢钥吹?，通過大力發(fā)展經(jīng)濟(jì)、鼓勵(lì)創(chuàng)新、產(chǎn)業(yè)扶持等國家政策，人民的生活水平就業(yè)水平越來越高，這也導(dǎo)致了勞動(dòng)力價(jià)格的上升。

企業(yè)為了應(yīng)對(duì)這一變化，只能提高勞動(dòng)生產(chǎn)力，營造良好工作環(huán)境，此時(shí)工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用就成為了企業(yè)適應(yīng)社會(huì)的不二法寶，自動(dòng)化流水線上的機(jī)器人尤甚。串聯(lián)機(jī)器人屬于工業(yè)機(jī)器人中關(guān)節(jié)型機(jī)器人的一種，它具有搬運(yùn)、裝配、焊接、噴漆等等用途，動(dòng)作靈活、結(jié)構(gòu)緊湊。

2.串聯(lián)機(jī)器人總體方案設(shè)計(jì)

本文的六自由度串聯(lián)機(jī)器人總體方案設(shè)計(jì)主要分為兩大部分來論述，分別為串聯(lián)機(jī)器人硬件系統(tǒng)和串聯(lián)機(jī)器人軟件系統(tǒng)。而對(duì)于它的機(jī)械系統(tǒng)也就是機(jī)器人本身的構(gòu)造機(jī)械原理等由于篇幅原因不多加以論述，關(guān)于機(jī)器人的動(dòng)作范圍、最大速度等技術(shù)參數(shù)模塊1～6有所不同，如模塊1 ：-90°～ 90°，30o / S，模塊4：-90°～ 90°，20o / S。這是經(jīng)過精密計(jì)算、多次試驗(yàn)得出的成熟結(jié)果。

機(jī)器人系統(tǒng)采用PC工控機(jī)為上位機(jī)，8051單片機(jī)作為下位機(jī)，配以人機(jī)交互界面。硬件平臺(tái)中，PC機(jī)作為人機(jī)交互界面的載體有很強(qiáng)的通用性、適用性，人機(jī)交互界面可用MCGS軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)編輯，還可進(jìn)行模擬仿真；機(jī)器人系統(tǒng)利用上位機(jī)Windows操作系統(tǒng)面向C51語言可進(jìn)行方便的程序語言編寫。

一個(gè)智能機(jī)器人想要工作必須要有“身體”和“大腦”，對(duì)于六自由度串聯(lián)機(jī)器人來說，它的外部結(jié)構(gòu)，內(nèi)部連接等硬件系統(tǒng)就是身體；用于控制驅(qū)動(dòng)“身體”的控制器，用于表達(dá)我們思想的程序語言，用于進(jìn)行控制的組態(tài)等就是“大腦”。關(guān)于硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)之間的功能與聯(lián)系我們可以單片機(jī)控制器、PC機(jī)、機(jī)器人本體、I/O模塊和通訊接口等構(gòu)成硬件平臺(tái)；單片機(jī)軟件系統(tǒng)、PC機(jī)操作系統(tǒng)、運(yùn)動(dòng)程序等組成軟件平臺(tái)。

3.串聯(lián)機(jī)器人硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文采用的是Intel公司的8051單片機(jī)作為控制核心，配合其它的硬件構(gòu)成了六自由度串聯(lián)機(jī)器人的控制系統(tǒng)。機(jī)器人采用串聯(lián)式開鏈結(jié)構(gòu)，其中包括底座，模塊1～6，機(jī)械手爪，三大部分。模塊1～6逐級(jí)組合，每一塊都可獨(dú)立運(yùn)行、拆卸組裝，其末端有旋轉(zhuǎn)、回轉(zhuǎn)兩種運(yùn)動(dòng)方式，由此構(gòu)成的工業(yè)機(jī)器人中的六自由度串聯(lián)機(jī)器人形式。為了更好的看清機(jī)器人齒輪傳動(dòng)和運(yùn)動(dòng)動(dòng)作，每一模塊采用透明式結(jié)構(gòu)，內(nèi)部傳動(dòng)模塊采用了微縮設(shè)計(jì)，更加符合工業(yè)機(jī)器人的特點(diǎn)，六個(gè)模塊采用步進(jìn)伺服電機(jī)混合驅(qū)動(dòng)，使內(nèi)容更加多樣化，富有設(shè)計(jì)感。

在串聯(lián)機(jī)器人電控柜布局中，包括伺服電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)、電磁閥、指示燈、按鈕、開關(guān)、接觸器、繼電器等外圍電路，還有在PLC的基礎(chǔ)上改用8051單片機(jī)實(shí)現(xiàn)的核心控制電路。串聯(lián)機(jī)器人的硬件原理圖中，進(jìn)行了按鈕和指示燈的工作原理以及電氣連接描述。機(jī)器人用低壓電器接觸器、繼電器等對(duì)指示燈、按鈕等進(jìn)行了電氣控制，還用七個(gè)限位開關(guān)對(duì)機(jī)器人的每一個(gè)關(guān)節(jié)進(jìn)行保護(hù)，并能夠把每個(gè)關(guān)節(jié)的信息反饋給單片機(jī)。

六自由度串聯(lián)機(jī)器人控制系統(tǒng)的核心——STC12C5A60S2。它是40管腳的器件，適用于強(qiáng)干擾、電機(jī)驅(qū)動(dòng)場(chǎng)合。由于串聯(lián)機(jī)器人由五個(gè)步進(jìn)電機(jī)和一個(gè)伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，并且模塊1～6還設(shè)計(jì)有限位開關(guān)，報(bào)警急停裝置等，因此單片機(jī)原本的I/O接口不夠用，需要對(duì)其進(jìn)行擴(kuò)展。STC12C5A60S2 I/O接口的擴(kuò)展用到了可編程外設(shè)接口電路8255A和三態(tài)輸出鎖存器74LS373。鎖存器起到對(duì)單片機(jī)數(shù)據(jù)進(jìn)行保持的作用，使單片機(jī)完成對(duì)外部電路的控制。

4.串聯(lián)機(jī)器人軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文的軟件平臺(tái)是基于PC機(jī)的MCGS組態(tài)軟件組成。主要功能包括串聯(lián)機(jī)器人坐標(biāo)參數(shù)的設(shè)置與顯示、由單軸運(yùn)動(dòng)、六軸聯(lián)動(dòng)、電磁閥開閉三部分構(gòu)成的機(jī)器人運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)、進(jìn)行位置初始化的復(fù)位操作、包括記錄和再現(xiàn)兩大步驟的示教功能，其中復(fù)位操作機(jī)器人開始六軸聯(lián)動(dòng)直到回復(fù)到系統(tǒng)設(shè)定的初始位置，動(dòng)作速度可以通過改動(dòng)單片機(jī)脈沖發(fā)送頻率和機(jī)器人運(yùn)動(dòng)角度/脈沖數(shù)比值進(jìn)行改變。

參照串聯(lián)機(jī)器人的功能可以用MCGS建立出組態(tài)界面。將機(jī)器人的六個(gè)自由度分開進(jìn)行控制，可以方便的進(jìn)行搬運(yùn)及示教功能，還可以在機(jī)器人限定范圍內(nèi)任意指定位置后讓機(jī)器人勻速達(dá)到設(shè)定位置坐標(biāo)。

5.結(jié)束語

本文以六自由度可拆卸串聯(lián)機(jī)器人為藍(lán)本進(jìn)行了控制核心的改動(dòng)，使機(jī)器人控制系統(tǒng)由PLC變成了STC12C5A60S2單片機(jī)。在硬件進(jìn)行小范圍改動(dòng)后，實(shí)現(xiàn)了串聯(lián)機(jī)器人的一些功能：搬運(yùn)、示教再現(xiàn)等，成功用MCGS觸摸屏對(duì)機(jī)器人六軸進(jìn)行控制完成自動(dòng)控制和手動(dòng)控制兩大類。對(duì)于軟硬件的綜合有一定想法并畫出了示意圖，對(duì)于機(jī)器人的背景、國內(nèi)外發(fā)展情況有了較為清晰的認(rèn)識(shí)，也為以后的科研方向提供了一種可能性。最后，本文雖然串聯(lián)機(jī)器人的研究較為簡(jiǎn)單，但管中窺豹，基本的原理和應(yīng)用還是有理可循的，以后也可以更加深入的進(jìn)行串聯(lián)機(jī)器人的研究，為我國工業(yè)機(jī)器人技術(shù)貢獻(xiàn)自己的一份力量。

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