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机械臂范文第1篇
在以往的仿真与控制项目中,人们主要通过两种方式进行设计,一种是采用传统的编程语言进行设计,如VB、VC++等;另一种是通过在三维建模软件上进行二次开发来实现,如Auto－CAD、UG等。前者在驱动控制方面的实现较为容易,但在仿真设计上过于繁琐,后者则与之相反。LabVIEW不仅具有优秀的软件开发环境,也是功能强大的自动化测试工具。基于LabVIEW的机械臂控制与仿真系统利用三维图形显示控件构建机械臂的仿真显示平台,使用NIUSB_6211数据采集卡和74HC138N为机械臂提供控制信号,可快速实现对机械臂的仿真与控制,缩短开发周期。此外,本系统还通过软件编程解决了仿真模型与实际机械臂的同步问题,实现了舵机的平滑转动功能。同时,拓展了NIUSB_6211数据采集卡的用途。
2系统体系结构
本系统包括仿真程序、控制模块和执行终端三个部分。其中仿真程序先从电子表格文件(.xls)中读取模型数据完成静态模型的建立,再根据用户的操作信息对机械臂的运动学方程进行求解,最终实现对机械臂的动态仿真;控制模块主要负责将用户的操作信息转换成控制所需的电信号,并通过控制电路将控制信号传给系统的执行终端(五自由度的机械臂)。如图1所示:
3系统简介
3.1仿真程序
本项目利用LabVIEW提供的三维参数曲面图形显示控件构建机械臂的三维仿真显示平台。静态建模时,先在X-Z平面内绘制出机械臂各杆件的平面图形,构建一个包含各杆件平面坐标的数组(xi,0,zi),根据各杆件的尺寸比例将其沿Y方向平移yi后可得到一新的数组(xi,yi,zi)(此时,若将这两个数组传给三维参数曲面函数可绘制出一个没有端面的空腔模型);再利用“翻转数组函数”对上述两个数组进行翻转操作后即可得到各杆件的封闭立体模型。本项目中作者通过设计“二维转三维.vi”(程序框图如图2)实现了上述功能,并将转换得到的立体模型数据存入电子表格。最后,根据机械臂各部分的位置关系,将各杆件的立体模型坐标数据在坐标系中进行适当平移后传给三维参数曲面函数完成对机械臂的静态模型建立(参见图4)。实现动态仿真时,需要先对机械臂各杆件的运动学方程进行求解,得到各杆件的齐次变换矩阵。如式(1):式中:ROT(z,θ)是实现使仿真模型绕Z轴旋转的齐次变换矩阵,也叫作旋转算子;θ是各关节的旋转角度(规定逆时针旋转时为正);c和s分别表示和。本项目中为了方便程序编写将上述旋转算子逆推一步,得到形如式(2)的旋转算子:其中x1、y1、z1是起始位置坐标,x2、y2、z2是目标位置坐标。得到各杆件的旋转算子之后,还需要解决各部件运动时发生分离的问题,本项目中作者通过“平移连接.vi”使后一杆件的坐标系始终以前一杆件的末端坐标为原点,使问题得到了解决。表1给出了机械臂各杆件的运动情况和对应的旋转算子组合:
3.2控制程序与控制电路
本项目利用NIUSB_6211数据采集卡作为机械臂的控制单元,拓展了数据采集卡的应用领域。由于NIUSB_6211数据采集卡只有四路数字输出端口,不能同时为五个舵机提供控制信号,因此作者使用74HC138N译码器,来实现对数据采集卡I/O口数目的扩展。具体过程为:先由控制程序将NIUSB_6211数据采集卡的端口p1.3、p1.2、p1.1定义为数字输出,将p1.0定义为时钟输出(即输出PWM信号);再把74HC138N的3个输入端C、B、A与数据采集卡的p1.3、p1.2、p1.1相连(实现对舵机的选择),使能端G1与p1.0相连(控制舵机转动角度),接地端GND和两个低使能端(~G2A,~G2B)都接到数据采集卡的GND上。这样只需三路数字输出和一路时钟输出就可以实现对8(23)个舵机的选择与控制。图3是控制电路的原理图:
3.3执行终端
本项目中采用一个五自由度机械臂作为系统的执行终端。使用前作者先对机械臂初始工作位置进行了定义,测定了舵机实际工作脉冲(PWM)的范围,确定了PWM值从小到大变化时对应机械臂的转动方向。
4同步与平滑转动的实现
4.1仿真模型与实际机械臂同步
本系统的执行终端没有安装向计算机回传数据的传感器,为了使仿真模型与实际机械臂同步运行,作者通过软件编程来实现同步。基本原理是:使控制指令(机械臂转动的角度值)同时被仿真程序和控制程序执行,并在新指令到来时进行判断;若当前控制指令已经被仿真程序和控制程序执行完毕,则传入新指令,否则进行等待,直到当前指令被执行完毕。
4.2舵机平滑转动
根据舵机的工作特点可知,PWM值与舵机轴的位置一一对应,用户输入一个值后,舵机将瞬间转到该位置;显然,如果用户输入的前后两个值相差很大,舵机将在瞬间转过一个很大的角度,这对机械臂来说是相当危险的。解决的方法是:控制程序对用户输入的前后两个值进行比较,若当前值比前一值大,则在前一值上+0.01,一直加到与当前值相等;若当前值比前一值小,则在前一值上-0.01,一直减到与当前值相等。这样,舵机的转速将近似为0.056rad/s(1°/50ms),从而使机械臂能够平滑转动。
5人机接口
本系统为用户提供两种输入控制指令的方式:一种是直接通过鼠标点击前面板上的表盘实现控制指令的输入;另一种是通过键盘实现控制指令的输入。其中键盘操作说明如下:小键盘上的01234数字键用于指定欲工作舵机的编号,WSAD键用于控制舵机的旋转角度,并规定按下“A或S”时舵机逆时针旋转;按下“D或W”时舵机顺时针旋转。如果按下的键不在上述情况中,则会在操作提示文本框里显示“按键错误”字样。图4为机械臂仿真与控制系统的前面板:
机械臂范文第2篇
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机械臂范文第3篇
关键词： 移动机械臂；模块化；结构分析
1 背景介绍
随着科学技术的发展，众多机器人相继问世，他们一般具有移动和操作两大功能，我们更具这两个能力对机器人分类为下面的三大类：
1）只用移动功能的的移动机器人，比如EndotieS医疗机器人。
2）只有操作能力的机械臂。比如nextre、PUMA56o、Powereube机械臂等。
3）具有移动和操作能力的移动机械臂系统。如勇气号火星车等。
像EndotieS医疗机器人，模块化移动机械手臂现在已经逐渐被应用的医疗行业，但是由于功能相对单一，在医疗行业应用不是很广泛，不过随着模块化移动机械臂的更加智能化的发展，它在医疗行业的应用将会迅速得到普及。
2 模块化移动机械臂结构介绍
模块化移动机械臂结构，在目前研究最成熟也是研究最多的是两连杆式移动机械臂。它结构简单，由平面内的两个连杆机械臂和一个轮式的移动平台组成，该系统结构示意图如下图所示。
两连杆平面移动机械臂，空间几何结构相对简单，其运动过程模拟及其分析在一般的几何关系里面就可以得到解决，针对某一具体任务的运动也较为容易实现。但是为了能够满足复杂的医疗手术或者是相对复杂的医疗动作的完成，两连杆平面移动机械臂显然已经无法满足要求。在此基础上模块化移动机械臂就得到了广泛的关注，模块化移动机械臂相比平面连杆移动机械臂，灵活性是它最显著的优点。各模块结构的分布可置换性，使得模块化移动机械臂具有广阔的动作空间动作多样性。模块化移动机械臂与平面两连杆移动机械臂相比有以下几点不同：
1）模块化机械臂是一般是一种三维机械臂，实现三维立体空间运动，大大延伸了机械臂的动作范围和动作难度，但是也使得较难通过简单的几何关系来表征末端执行器位姿与各关节角位移之间的关系。
2）模块化机械臂的可重构可置换特性，这一特性，使得模块化机械臂有了更好的灵活性。不过对于构型变化后的模块化机械臂运动学计算难度增加，不利于运动规划控制器的设计及实施。
3）模块化机械臂和移动平台的结合，结构变得更加复杂，整个系统的运动冗余性增加明显，冗余度的求解是运动规划和协调控制中必须要解决的基本问题，这使得模块化移动机械臂的协调规划难度加大。
我们可以看到，模块化移动机械臂随着动作的复杂化，操作的只能化，对与几何关系的表征和运动状态的分析也提出了更高的要求。但是随着机械臂的智能化和复杂动作完成能力的提高，将会非常有助于模块化移动机械臂在医疗行业的推广和发展。
3 模块化移动机械臂控制体系结构分析
模块化控制体系机构有很多种分类方式，我们在这里一控制器的分布结构来划分，分为集中控制式和分布式控制式。
集中控制式在系统中拥有一个控制单元，由控制单元对系统的观测信息进行管理，在此基础上设计控制律，然后通过控制指令完成控制。这种控制方法的控制方式比较简单，对整个系统的整体之间协调比较有利。但是它应用范围局限性比较大，只能对控制对象结构简单，而且控制器能够准确获得工作状态信息，并且获取信息时要求保持较高的效率和可靠性时，才能够有效的完成。一旦有一个环节出现问题，就会导致整个系统的工作状态。而分布式控制
是由多个子控制器“一对一”式的控制各个子系统或者是子系统内的子系统。但是各个子系统不是没有关系，它们通过高速通信线路实现整体的协调。同时各个子系统被高一级的系统集中控制，这样像一个“倒树状”的控制系统实现整体控制。这种控制方式的特点可以帮助各个子系统能够灵活的根据实际情况单个控制，实现局部的控制优化。分布式控制结构相对比较复杂，但是具有可靠性，灵活性，适用范围广，维修保养容易实现等特点。
下面就以模块化移动机械臂系统的分层递阶分布式体系结构为例来分析模块化移动机械臂控制体系结构。
根据对模块化移动机械臂的简单介绍，结合目前应用于机器人上的各种控制策略的特征对比，模块化移动机械臂系统的分层递阶分布式体系结构应用比较广泛。
如下图所示，处于某一环境中的移动机械臂系统，特定任务可由机器人的环境感知层、规划控制模块及执行器动作三部分合作完成。三部分功能分别介绍如下：
1）环境感知层主要由机器人一般是两种类型的传感器组成，一种是距离传感器，另外一种是视觉传感器。机器人根据传感器获取的信息，来对外界环境获得感知和认识，是信息源。
2）规划控制模块，这个模块是机器人的中控层，属于控制系统的核心系统。决策层根据任务需求和动作需求，规划机械臂的运动序列，准确的控制平台的移动和机械臂的各种动作序列。它也是有两个子层构成，一个是决策规划层，一个是控制层。决策规划层关注移动机械臂的运动学，规矩要求规划系统的运动。当系统在规划层规划好应该动作的运动状态后，就会将信息传给控制层，控制层根据环境感知层获得的信息及当前动作姿势，控制设计控制律。规划控制模块最为复杂，是系统的核心部分。我们再来细化分析这个层的结构组成：
如下图所示：
该体系结构具有以下特点：
① 运动学层面：实现的协调规划，这个体系结构可分为运动规划层和动力学控制层，运动规划层根据移动机械臂的运动学，完成运动学规划，使得移动机械臂系统协调运动，从而实现平台智能移动和执行器的相关动作。
机械臂范文第4篇
关键词：机械臂；PLC控制；气动系统
中图分类号：G4 文献标识码：A 文章编号：16723198（2014）02016502
0 引言
可编程控制器相关课程中有一个主要的教学实验就是基于PLC控制的机械臂，该设计对可编程控制器的原理及其控制应用的理解具有重要的意义。通常会在教学实验、课程设计和科技创新中使用机械臂实验设备。该设计是为了满足实验教学以及科学创新。机械臂选用FX2N-48MR/MT系列PLC控制器，用气压驱动，能很好地满足教学实验、课程设计和科技创新设计的需要。
1 工作规则及控制要求
1.1 工作规则
机械臂的初始位置停在原点，按下复位钮，机械臂在原点复位；按启动钮，机械臂手臂伸出（水平）手臂下降（竖直）夹紧手抓手臂上升（竖直）手臂收回（水平）水平摆动90°手臂伸出手臂下降（竖直）放松手抓夹紧手抓旋转手腕270°放松手抓反转手腕270°手抓夹紧手腕旋转270°放松手抓缸手臂上升（竖直）一手臂收回（水平）一摆动270°手臂回原点。经上面一系列流程，机械臂可完成的动作如图1中所示的位置1下方夹住瓶盖，然后再将瓶盖放下拧紧。通过改变程序设计也可以将该机械臂设计成通用机械臂，即在位置1夹住物品，然后在位置2将物品放下的动作。
图1 机械臂结构图1.2 控制要求
该设计的控制要求：
（1）手动方式：就是通过按钮对机械臂每个动作单独控制.例如，按下“下降”钮，机械臂下降，按下“上升”钮，机械臂上升。手动操作可使机械臂归于原点位置，同时便于机械臂的调整和维修；
（2）步进方式：按照完整的工作步骤从开始每按一下启动钮完成一步动作，然后停止直到再按一次启动钮，会自动执行下一个动作；
（3）单循环工作方式：按下启动钮机械臂从原点开始自动完成一个周期的工序动作后返回原点停止；
（4）连续工作方式：按下启动钮，机械臂从原点按工序自动连续循环工作，按下停止钮机械臂停止复位。如果选择“单周期”工作方式，机械臂会在完成一个周期的工作后返回原点自动停机。
2 机械臂和气压驱动系统设计
2.1 机械臂的总体设计
本设计将机械臂设计成直角坐标式，气缸是主要执行装置，FX2N-48MR/MT系列PLC为电气控制。设计将机械臂总体安装在一个可移动台架上，将机械装置与电气控制系统分离设计。为便于学生实习，台架上有气动电磁阀组、机械装置、开关按钮、电气接头。支架下放置电源、继电器、PLC、空气压缩机等。为方便学生电气接线，用电气接头把PLC的输入输出端子接到支架台面上，在台面上学生即可完成机械臂的接线和拆卸等动作。机械臂的机械装置如图1所示。
本设计的机械臂可以完成5个基本动作，实现五自由度控制，即左右、上下、夹紧、摆动、旋转。每个气缸都配有传感器为方便检测气缸的位置。
本设计主要用于教学实验，所以气缸均选用轻型系列工作压力设计在0.7—1MPa之间。其中，手指缸选V型手指缸MHZ2—100配1个磁性开关，完成夹紧动作。机械臂的手腕选用旋转缸CDRB1B W20配2个磁性开关，完成旋转扭紧动作，一般拧紧一个瓶盖需要旋540°才能完全拧紧，但是通常旋转缸只能旋转270°，所以只能旋转一次松开后再旋转一次，其中需要夹紧两次完成瓶盖的拧紧。我们选用CDJ2KB16—45A型号的垂直缸，并在气缸两端配2个磁性开关用于检测气缸的位置。选用CXSM15—100型号的水平缸，其两端配2个磁性开关。选CDRB1B W30—1805的旋转缸为摆动缸，将摆动角度设置为90°，手臂的摆动（以上选用气缸的最大使用压力均不超过1.0MPa）。焊接一个L型角钢在立柱上，角钢两边分别安装有光电接近开关，分别在2个光电开关的旁边设置一个挡位缓冲装置（内装有弹簧）为防止摆动缸直接碰到光电开关（选用LE4-K型光电开关）。
立柱的结构为将旋转气缸用螺栓固定在一个倒U型的方钢里，并用螺栓连接将其与底座连接。底座采用铝合金材料做成T型，用螺栓固定到台面。
2.2 气压驱动系统设计
据分析，本设计共有5个气缸和配有5个电磁换向阀的气压驱动系统如图2所示。其中电磁换向阀控制气缸的运动方向；单向节流阀控制气缸运动速度；压缩空气由气动二联件向各气缸集中供应。
图2 气压驱动回路图使用带中位的三位五通双向电磁阀可使水平缸摆动、手抓旋转停在任一位置。垂直缸靠弹簧复位本设计采用二位三通单向电磁阀，如果要垂直缸下降则给电磁阀通电，如果将电磁阀断电，在弹簧的作用下垂直缸复位。用二位五通双向电磁阀来控制水平缸和手抓缸的动作。手抓缸不设计节流阀，因为不需要调节速度，只有开合动作。
3 PLC控制系统设计
3.1 PLC的选择
由气压驱动回路图2所示，本设计有7个磁性开关和2个光电开关安装在5个气缸上，用于检测气缸位置，气压机械臂的工作方式由有启动、停止、单循环/联动、手动/自动、复位、急停、上电等7个按钮的操作面板控制，其中单循环/联动和手动/自动为组合旋钮，PLC输入点共计16个，例如磁性开关、光电开关和按钮等均为开关量输入点。PLC输出点为13个，其中开始、复位、停止、上电按钮的指示灯4个，气缸电磁换向阀的电信号9个。本设计选用的FX2N-48MR/MT系列小型PLC具有27个输入点和17个输出点，均大于设计要求的输入输出点数量，能够满足控制要求。
3.2 控制程序设计
本设计的机械臂设有手动、自动、单循环、联动、复位等工作模式。手动方式可用于机械臂维修调整使用，当设置为手动或单循环工作模式时只循环一个完整的工序便自动停下；当设置为自动方式时，这是气动机械臂正常的工作方式，把组合旋钮转到自动或联动时执行自动循环一直重复运动，直到按停止按钮才能停下。复位操作可使机械臂从任一位置返回原点。
本设计PLC程序设计采用顺序步进指令控制机械臂的动作步骤，流程图如图3所示。
图3 程序流程图在设计PLC控制程序中，将复位控制设置在初始步前，只有当摆动缸回位、垂直缸升起、水平缸收回、手抓松开4个步骤同时完成时叫复位。当摆动缸回转90°以后，如果是自动/联动工作状态，水平缸自动伸出，这个时候是不需要按启动钮；如果是在手动/单循环工作状态时，在机械臂完成一个完整的工作过程后程序回到初始步，必须再一次按启动钮才能继续开始新的一个工作过程。
PLC控制程序在设计时，需注意手抓合拢后在被抓物品被放下前要始终保持是夹紧状态；在步进指令状态下工作时每执行一步都需要执行一次手抓夹紧的动作，或者在SET置位指令工作状态下使手抓夹紧，在使用RST复位指令时使手抓松开。可根据作对象的具体特征和具体要求来改变程序来调整旋转角度。
4 结束语
经对机械臂的安装和调试，本设计的机械臂能够按照设计要求的完成动作和达到控制要求，总体有以下几个特点：
4.1 具有可靠的控制性
在PLC的控制下运行稳定可靠，能很好地满足教学实验需要。
4.2 具有简便的操作性
便于学生在台面上安装和调试，我们将气动、电气接线部分设置在台面上，线路、传感器和气缸均可拆下。
4.3 面板具有清晰易控性
操作面板清晰易控，指示一目了然，按钮操作方便顺手。
4.4 具有便捷的调试性
为能实现程序在线调试，在台面上设置PC与PLC连接。
本研究基于PLC控制的机械臂能够满足实验教学、调试方便和模拟工业现场等需求。
参考文献
[1]杨后川，张学民，陈勇.SIMATIC S7-200 可编程控制器原理及应用[M].北京：北京航空航天大学出版社，2008.
[2]赵燕，周新建.可编程控制器原理及应用[M].北京：中国林业出版社，北京大学出版社，2006.
[3]赵美宁，王佳.自动供料机械手的PLC控制系统设计[J].液压与气动，2007，（9）.
[4]杨后川，高昆，陈勇.某型飞机起落架收放作动筒液压测试系统PLC控制设计[J].机电产品开发与创新，2007，（2）.
机械臂范文第5篇
关键词：机械臂 伺服控制 仿真 Matlab
中图分类号：TP241.2 文献标识码：A 文章编号：1007-3973（2013）011-038-02
1 引言
进入21世纪，机器人工业已经进入高速崛起的时代，机械臂是机器人的操作终端，有一大批机器人爱好者在研究机械臂的控制技术。然而，伺服电机及需要配置的传感器价格昂贵，使得采用实体机械臂的轨迹控制研究难以普遍实现。Matlab作为计算机辅助分析设计仿真工具，相比之下，成本低，周期短，使用方便，在各学科领域得到了应用广泛。将机械臂的控制技术与Matlab编程仿真方法结合起来，对于机械臂轨迹控制的研究非常重要。
机械臂轨迹控制的方法很多，如PID控制、自适应控制、鲁棒控制以及智能控制方法，伺服控制是一种基于机械臂动力学模型的控制方法，本文将浅析基于Matlab的机械臂轨迹伺服控制仿真技术。
2 机械臂轨迹伺服控制的简化模型
一般机械臂的运动模型可以根据拉格朗日方程得到
其中： 、H、G为n维列向量，M为nn正定对称矩阵，由此得到
根据参考文献[1]就可以确定 的值，因此，下文视其为已知量，且初始条件为：。
3 基于Matlab的数值积分编程
在机械臂轨迹控制仿真中，利用Matlab编程解微分方程，常用的方法是ode45函数方法。ode45是Matlab系统内置的一个微分方程数值求解函数，采用四阶、五阶Runge-Kutta算法，属于变步长算法。而采用自编四阶龙哥库塔方法，步长可根据情况自己设定。
仿真编程的步骤如下：
第一步，根据动力学方程建立RK.m文件。
function dx=RK（t，x）
%广义坐标微分方程
dx（1）=x（n+1）；
dx（2）=x（n+2）；
...
dx（n）=x（2n）；
%广义速度微分方程，结果先赋给向量temp
temp=M^-1*（ +H+G）；
dx（n+1）=temp（1）；
dx（n+2）=temp（2）；
...
dx（2n）=temp（n）；
第二步，建立主文件control.m
3.1 采用自编四阶龙哥库塔方法
clear all；
%步长为固定值如0.01s，可以更改
h=0.01；
%初始时刻为0
t（1）=0；
%设定仿真时间为0～T（s），此处T为常数，如T=10
%循环次数k
k=10/h；
%初始条件，前n项为广义坐标，后n项为广义速度
x（1，：）=[x1 x2 …x2n]；
%采用for循环编写四阶龙哥库塔函数
for i=1：k
t（i+1）=t（i）+h；
k1=RK（t（i），x（i，：））；
k2=RK（t（i）+h/2，x（i，：）+k1*h/2）；
k3=RK（t（i）+h/2，x（i，：）+k2*h/2）；
k4=RK（t（i+1），x（i，：）+k3*h）；
x（i+1，：）=x（i，：）+h/6*（k1+2*k2+2*k3+k4）；
end
四阶龙哥库塔方法选取的步长越小，数值计算精度越高，一般考虑计算机计算量，选择合适的步长即可。
3.2 采用ode45函数方法
%状态向量初值
x（1，：）=[x1 x2 …x2n]；
%仿真时间0～10s
tspan=[0 10]；
%相对误差精度为10-6
options=odeset（'RelTol'，1e-6）；
%调用ode45（）函数
[t，x]= ode45（@RK，tspan，x（1，：），options）；
在调用ode45函数的语句中，t为时间变量，x为返回的与时间对应的状态值。与自编龙哥库塔方法不同，该算法无需对步长进行设定，系统将采用变步长。
4 仿真图形处理
4.1 图形输出方式
Matlab仿真的结果要以形象、直观的方式展示出来。机械臂轨迹及误差图形的常用输出方式主要有两种：二维曲线和三维曲线。
二维曲线的输出用plot（）函数，三维曲线输出用plot3（）函数。示例如下：
%输出广义坐标q1的变化曲线
plot（t，x（：，1））；
%输出机械臂末端自然坐标（x0，y0）随时间的变化曲线
plot3（x0，y0，t）；
若要求输出图形框体仅显示横纵坐标轴两条框线，则需在图形输出之前，加上一个语句：
hold on；
这样就可以隐藏上边框线和右边框线。
