五自由度机械手的自动控制

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五自由度机械手的自动控制
沙洲职业工学院机电工程系 钱 丹 王文红 唐 宇
【摘要】在介绍五自由度机械手的结构基础上，详细论述了机械手的自动控制原理，采用步进电动机驱动机械手的水平移动和底座旋转，采用直流电动机驱动机械手大臂、小臂和手腕旋转，采用舵机驱动机械手爪的开闭。

机械手采用PLC和单片机相结合控制步进电动机、直流电动机、舵机，并借助传感器，对机械手的各自由度进行控制，可方便、准确地实现机械手的位置控制，完成物料的搬运任务。

【关键词】五自由度机械手；可编程控制器（PLC）；单片机；步进电动机
5-DOF Manipulator Automatic Control Qian Dan, Wang Wen-hong, Tang Yu
（Mechanical & Electrical Engineering Department,Shazhou Professional Institute of technology,Jiangsu 215600,China ）
Abstract ：The principle of automatic control of the manipulator was discussed in detail based on the structure of the 5-DOF manipulator. The horizon -tal movement of the manipulator and the rotation of the manipulator base were driven by stepping motors, the arms and wrists of the manipulator were driven by DC motors, the mechanical hand was opened and closed with the steering gear. PLC and microcontroller were used to control step motors, DC motor and steering gear, and the degrees of the freedom of the manipulator were controlled with the help of the sensors. The position control of ma -nipulator can be realized conveniently and accurately, and the material handling tasks can be completed. Key words ：5-DOF manipulator ；Programmable Controller(PLC )；microcontroller ；Step motor 机械手是最早的工业机器人，能模仿人手和臂的某些动作功能，从事工业生产、实现抓取、搬运等操作的自动操作设备。

它能够在各种恶劣的环境下工作，完成工人不愿或不能完成的危险的、繁重的劳动，降低劳动强度，保证工人的人身安全，改善工作环境。

同时，具有高自动化、高效率、高精度等优点，广泛应用于冶金、汽车制造、轻工和化工等领域。

本文利用PLC 和单片机技术控制机械手，能重复精确完成小型圆柱工件搬运。

图1 机械手装配效果图
图2 手爪结构图
1.机械手结构
机械手由底座、臂部、手腕和手部组成，图1为机械手的装配效果图。

为扩大运动范围，整个机械手可沿导轨水平移动，其由步进电机驱动通过同步齿形带带动基体实现整个机械手的水平移动。

底座由步进电机驱动实现旋转，省去传动过程，传动效率高，因为有限位块，所以旋转有一定的角度限制。

大臂、小臂和手腕旋转分别由3个直流电机直接驱动，用来调整手臂姿态，底座、转座和大臂内部有一定的空间，用以装载驱动电机，大臂驱动电机通过固件直接带动大臂传动，传动效率高，而小臂驱动电机通过齿形带带动小臂进行转动，传动比高且稳定。

手爪用来抓持工件的关键部件，考虑到工件的形状，手爪选V 型指的改进版，V 型改为一定弧度的圆弧型，更加适合圆形工件的夹取，如图2所示。

手爪采用舵机驱动，主动轮与舵机相连，带动从动轮转动，将舵机的旋转转换为手指的夹紧和松开动作。

该机械手不考虑手爪夹紧和松开，具有五个自由度，分别为基体平移、底座旋转、大臂旋转、小臂旋转和手腕旋转。

其主要运动参数有基体水平移动范围0～800mm ；②底座旋转范围-160°～150°；③大臂的有效转动范围为30°～150°；④小臂的转动范围均为0°～220°；④手腕的转动范围为±180°；⑤手爪最大张紧力为15kg 。

2.机械手控制要求
五自由度机械手要求能在6个工位之间完成工件搬运，各工位点位置图如3所示。

机械手有手动和自动两种工作模式，手动时，可单独控制大臂、小臂、手腕和手爪的动作；自动工作时，机械手依次完成复位、取料、送料等一系列动作:
复位时，按下“复位”按钮，机械手基座旋转至原位，水平移动至左侧原位传感器处停止，大臂、小臂、手腕和手爪都处于复位状态，等待。

若机械手在运行过程中，按“复位”3S ，系统重新复位。

取料时，复位完成后，按下“启动”按钮，机械手臂水平移动、基座旋转到位，在指定工位上完成一系列取工件动作。

送料时，机械手取料完成后，机械手臂水平移动、基座旋转到位，在目标工位上完成一系列放工件动作，完成后，机械手复位并自动停止。

若机械手在运动过程中，按“停止”按钮，机械手完成当前动作后停止运行,按“启动”按钮，机械手继续下一步动作；按下“急停”开关,机械手立即停止所有动作，此时如需再次运行机械手，需再次按“复位”按钮,复位完成后，方可重新运行。

基金项目：江苏省高等学校大学生创新创业训练计划项目（201711288009Y）。

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图3 机械手搬运工位点位置图
3.机械手控制系统
机械手电气控制系统结构图如图4所示，其核心控制器采用PLC 和单片机控制器相结合，PLC 主要负责机械手水平位置、底座旋转位置控制，实现精确定位；单片机控制器负责控制大臂、小臂、手腕和手爪的动作，完成手臂姿态（取工件、放工件）控制，同时PLC 和单片机之间信号进行通信。

人机交互设备采用触摸屏，对机械手的操作控制除外部控制按钮外，也可通过触摸屏进行控制，同时，机械手的运行过程中的
工作状态和故障情况可通过触摸屏加以显示，方便实时监控。

图4 控制系统结构图
3.1 机械手硬件设计
该机械手共有6台电动机驱动，电动机的选择主要根据转速和转矩等指标，根据系统要求，电动机转速不小于10r/min ，转矩按电动机2倍过载系数即可满足要求。

综合分析，基体平移驱动电机选三相步进电机，驱动器选雷赛科技3ND583步进驱动器；底座旋转驱动电机选二相步进电机，驱动器选雷赛科技M542步进驱动器；大臂电机选10r/min 、30W 的空心杯减速电机；小臂电机选20r/min 、DC24V 的直流减速电机；手腕旋转电机选10r/min 、DC24V 的涡轮减速电机；手爪舵机型号CYS-S0150，最大15kg 。

电机的接线图如图5
所示。

图5 电机接线图
为了对步进电机进行控制，PLC 选择能接收高速脉冲的晶体管
输出型可编程控制器，选用日本三菱FX1N-24MT ，具有高速运算能力、同时可以输出2路脉冲输出控制2台步进电动机的优点。

3.2 机械手软件设计
PLC 输入、输出信号及其地址编号见表1。

表1 PLC输入、输出信号及其地址编号表
输入信号
输出信号
名称功能编号名称功能
编号SB1复位按钮X0PUL1水平移动步进驱动器PUL1+Y0SB2启动按钮X1PUL2底座旋转步进驱动器PUL2+Y1SB3停止按钮X2DIR1水平移动步进驱动器DIR1+Y2SB4急停按钮X3DIR2底座旋转步进驱动器DIR2+
Y3B1水平移动原点信号（左）X4PLCIN1夹取控制信号Y4B2水平移动减速信号（中）X5PLCIN2位置编码信号1Y5B3水平移动限位信号（右）
X6PLCIN3位置编码信号2Y6B4底座旋转限位X7PLCIN4
位置编码信号3
Y7
PLCOUT1
单片机动作完成信号
X10
单片机负责机械手手臂姿态的控制（取、放工件），取放信号出厂时便封装在单片机内部，不同的输出分配，动作也不同，取放控制信号及位置编码信号对应单片机控制编码见表2。

表2 取放控制信号及位置编码信号对应表
位置取放PLCIN1（Y04）PLCIN2（Y05）PLCIN3（Y06）PLCIN4（Y07）1号位置取1001放00012号位置取1010放00103号位置取1011放00114号位置取1100放01005号位置
取1101放010
16号位置取1110放
0110复位
1
1
11
以机械手自动模式下，将2号位的工件搬运至4号位，之后再将1号位的工件搬运至3号位为例，其动作流程如图6所示。

PLC 程序设计中，对步进电动机控制可利用带加减速的高速脉冲输出指令--PLSR 指令，通过设置脉冲频率来设定步进电动机的转动速度或定位对象的移动速度，频率越大，速度越快；通过设置脉冲数来设定步进电动机的转动角度或定位对象的移动量，脉冲数越大，角度（移动量）越大，同时可设置加减速的时间，实现升频、稳频和降频，满足移动速度和位置的精度要求。

4 结束语
该五自由度机械手采用PLC 和单片机相结合控制方式，驱动步进电动机、直流电动机、舵机，并借助传感器，对机械手的各自由度进行控制，可方便、准确地实现机械手的位置控制，完成物料的搬运任务。

参考文献
[1]蔡自兴,谢斌.机器人学(第3版)[M].北京:清华大学出版社,2015.[2]林森等.基于PLC控制的五自由度机械手臂驱动电机研制[J].产业与科技论坛,2017,16(3).
[3]王文红等.四自由度机械手PLC控制[J].新技术新工艺,2013(5).[4]浙江天煌科技实业有限公司.THPFSF-3B型(三菱)可编程控制器实训指导书.
作者简介：
钱丹（1980-），女，江苏苏州人，工学硕士，讲师，主要研
究方向：机械设计、机电一体化。

图6 动作流程图。