一种多关节智能机械手臂控制系统设计

朱小川

摘要：在制造业飞速发展的今天，工厂和企业为了提高自己生产上的绩效，而且也可以在一定程度上提高产品质量，还可以提高企业整体机械自动化的程度。工业机器人和工业自动化的水平关系到一个国家整体制造业发展的水准，所以国家的制造业要想得以快速发展，就必须要意识到工业机器人和工业自动化建设的重要性。因此，本文首先概述了机械手臂的组成和工作模式；其次，根据机械手臂以上的基本理论和原理的基础上，设计一种多关节智能机械手臂控制系统，进而使得机械手臂的工作效率大大提高，智能性也逐步增强。

关键词：机械手臂；智能；控制系统；设计

前言

由于机械手臂是近现代制造业发展中出现的新型的技术形式，它的逐步发展使得企业整体的生产水平得以进一步提高，因此在这种条件下开发研制一种多关节智能机械手臂，但是这种机械手臂所要涉猎学科广泛，包括机械学、力学和计算机信息技术等，这就使得机械手臂在控制上常常出现一些不足，因此本文主要基于机械手臂的工作原理和构成，采用CAN总线对于机械手臂进行智能控制，可以使得机械手臂的控制能力大大提高。

1.概述机械手臂的组成和工作模式

1.1机械手臂的组成

机械手臂主要是由控制系统和驱动装置、执行装置组成。首先，执行装置主要由手掌和腕部、手臂等组成，主要的用来抓取一些部件和工具，而且它可以根据不同抓取物的大小和形状变换不同的方式抓取；驱动装置主要是使得手臂变换不同的形态对于抓取物进行灵活抓取；控制系统主要是利用网络和多媒体信息技术对于整个机械手臂的自由度进行控制，进而使得机械手臂的自由度进一步提升，相对于以前的点动和连续性控制效率大大提高。由于现在大多的工厂采用伺服电动和计算机信息技术进行机械手臂控制的[1]。

1.2机械手臂的工作模式

机械手臂的伺服驱动装置，主要是通过关节的驱动对于机械手的基本动作进行控制，目前机械手臂主要是采用闭环控制的原理进行控制。伺服电机的基本原理是计算主机给出的关节应该操作的位置和计算机探测到的关节应该操作之间出现的误差，该误差通过数据模型的转换和功放之后，这样可以使得机械手臂和关节操作更加精准。各种伺服电机是现在经常使用的驱动装置，由于一般伺服电机输出的速率较高，输出转矩小，但是关节带动的力度和转速不足，但是力矩却较大。因此，在电机与负载间需要一种优质的驱动装置，使得转矩和转速在一定意义上达成一致。

另一种驱动装置是计算机控制系统，各关节伺服驱动性信号和指示都是通过主机进行计算后采样发出的。计算机根据整体的轨迹运行状态，进而得到在不同阶段和时间下轨迹运行数据，依据反向运动的原理把这些轨迹数据的变化，进一步转化成对于各个关节的指令数据。通常采用主机与关节计算机对于机械手臂进行控制。而且有时候需要进行智能化的操控，还需对包括视觉在内的各种传感信号进行搜集和处置并进行智能的形态下的辨析、解决问题、工作的规划、进行决策，这些才需要三级计算机形式进行控制[2]。

2.多关节智能机械手臂控制系统的设计

2.1多关节模式的设计

多关节的机械手臂主要是四个手指和六个手指构成，可以在垂直和水平这两个方向进行平面运动，而且通过四个或六个不同的电机对四个或六个手指进行控制，进而使得整个的手臂进行抓取的运动。当电脑的主机发出控制信号的时候，带有传感功能的装置就会对于要抓取的物体的位置进行探测，从而将控制器接收到信号，进而操作电机带动手臂和关节进行运动，等要抓取物体的时候就会对手臂发出指令，进而完成整个抓取动作，抓取结束后智能手臂控制系统还会将指令发送到电机装置，进而使得整个多关节模块完整的得以呈现，还可以使得机械手臂的自由度进一步提升，而且控制效率大大提高[3]。

2.2控制和驱动装置的整体过程的设置

现在国际和国内在控制多关节智能机械手臂主要是采用CAN总线进行调控，机械手臂的每个关节可以通过CAN总线进行规范化的控制和操作，而且每个关节都是这个网络控制下的一个环节，他们之间的关系是缺一不可和相辅相成的。每个关节都要与CAN总线进行连接，而且在传输数据的时候用数据包的形式，这就使得CAN总线通过控制器对于机械手臂的每个环节进行监测；另一方面，每个关节点和环节也可以通过自己的传感器将自己对于机械手臂监测信息传到CAN总线的控制网络上，进而形成一个封闭的控制系统，这样可以使得控制终端及时调整手臂的位置，进而更加精准的完成工作和任务，进一步提高生产的效率，而且还可以节省资源和控制上的人力投入。另外，整个设计过程不光需要硬件设备的投入，还需要注重设计过程中的计算机软件应用程序的建设，这对于完善整个智能手臂的控制设计模式有一定的促进作用，因为软件关系到整个网络控制系统的好坏，因此在设计的过程中很重视这方面的开发和研究。

3.结语

随着现代在制造业的不断发展，以及工业自动和机械化的不断推进，因此这就促使企业研制和探索开发智能机械手臂，从而使得自己的企业的工作和生产的效率进一步得以提升，而且也节约了工作的时间和人力和物力的投入。因此本文首先概述了机械手臂的组成和工作模式；其次，根据机械手臂以上的基本理论和原理的基础上，利用目前国际和国内先进的CAN总线的控制技术和模式，设计一种创新性的智能机械手臂控制装置，进而使得机械手臂的工作效率大大提高，智能性也逐步增强，而且也使得机械手臂的便捷性和灵活性大大提升，这对于整体工作效率的提高也也有一定促进作用。

参考文献：

[1]陈玄.基于模糊控制下多自由度机械手臂控制技术的研究[D].中北大学，2014.

[2]杜刚.关于机械手臂控制方案的研究[J].科技资讯，2013，29：83.

[3]范正妍，杨飞.智能机械手臂造型设计研究[J].机械设计，2013，12：100-103.