【摘要】本文設計以52 單片機為核心的閉環控制系統，以解決多關節液壓臂開度低的問題，通過上位機的圖形接口輸入控制數據?？刂茢祿ㄟ^鏈路傳送到中央單元，操縱器的運動由電磁閥控制，利用微處理器實時采集各連接點的運動角度，進行反饋控制，減小機械手的運動誤差形成閉環控制系統。

【關鍵詞】液壓機械臂；52 單片機；光電編碼器；圖形界面

隨著機器人技術的飛速發展，機器人手臂取代了人類的重復勞動，大大提高了工業生產的自動化程度，保證了工業生產的廣泛普及。焊接機械手的操作可分為發動機、氣缸和液壓。發動機控制器的優點是發動機轉速穩定可調，從而提高了控制精度；其缺點是起點小，不能運輸重物。氣缸歧管的優點是反應速度快，裝配方便，成本低；缺點是受氣壓限制，承載能力低。液壓機械臂的優點是結構堅固，握力大，效果穩定；缺點是運動阻力大，生產精度要求高，對液壓缸密封的要求高。

1 整體方案設計

系統整體結構如圖1 所示。液壓臂閉環控制系統可分為4 個模塊，即檢測模塊、單片機控制模塊、六臂鉸接驅動模塊和上位機接口模塊[1]。操作手柄由六個液壓缸驅動，由單片機控制。傳感器對運動數據進行采集，并承擔對復位工作，六自由度的設計思想是：在上位機圖形界面輸入目標參數，通過串口向單片機傳輸?；谀繕藚?，控制器控制每個連接電磁閥的相應運動機械臂。光電編碼器會實時的將所采集到的機械臂運動角度信息發送給控制器。通過詳細的計算，控制各個關節的旋轉，形成一個閉合的控制系統。

2 硬件電路設計

2.1 單片機系統

單片機是整個閉環控制系統的核心，它由52 個單片機、電源、循環和復位電路組成。選用STC89C52 為控制芯片，與xtal1 和xtal2 端口相連，與第一端口相連復位電路[2]。將電阻拉入P0 端口后，連接LCD1602 液晶屏。此外，在單片機系統中增加了按鍵電路、液壓驅動電路以及數據采集電路，如圖2 所示。

2.2 機械臂驅動

所設計的機械臂為液壓關節機械臂，其三維模型如圖3 所示。傳動導軌采用6 個活動液壓缸（J1 ），腰部關節（J2 ），肩關節（J3 ，J4 ）和腕關節（J5 ，J6 ），機械臂的每一個關節都由一個泵站通過液壓多路閥進行驅動[3]。液壓多路閥的基本構成結構為一個閥塊，6 個電磁閥，閥塊設置在液壓缸的兩個油孔上，用電磁閥控制管路向特定方向旋轉。單片機從0 到5V啟動電平并作為開關繼電器控制電磁閥的電源。

2.3 傳感器

在編碼器的應用中，有兩種形式，即增量式和絕對式，增量式編碼器的應用重點在于將波角度向相應的脈沖數進行轉換，而角位移測量則是脈沖數的計數。對某一角度的測量是精確的，但對超出此范圍的旋轉次數有累積偏差；絕對式對機械臂運動數據的測量是在輸出波位置的對應編碼基礎上進行的，這樣就不必計算中間的運動數據，它只要對機械臂的起始點和結束點進行明確之后，就沒有累積誤差，但在機械臂小角度測量上，精準度不佳。選用光電編碼器b-zsp3806gc，通過齒輪同步輸出波形。該傳感器共有ABC三個輸出端口，當波形產生變化時，A端口和B端口與之一起變化，并產生兩個脈沖波，相位差為90 級。它是A相脈沖90 的“組合”，光電編碼器位于B相脈沖前面，或反向旋轉。將轉子的旋轉方向與外脈沖的相位差進行比較，從而確定轉子的旋轉方向。

3 軟件設計

3.1 機械臂控制程序設計

在控制程序上必須對上位機的參數和實測數據進行考慮，因為液壓機械臂的控制精度較低，機械臂的調試控制可歸結為水力轉筒控制。針對液壓缸實際轉角與給定角度之間存在一定誤差，通過對機械臂各關節的控制，不僅產生了指令，而且還產生了中斷，通過傳感器輸入的運動數據的比較和誤差補償，實現了上位機動作。操作程序啟動后，系統進行初始化。操縱器保持在原位，等待上位機收到發送的控制命令后，才能從上位機收到命令或鍵盤操作。若命令信號通過串行連接送至控制器，則操縱器開始移動。在旋轉液壓缸上安裝著的光電編碼器能夠對機械臂角度變化進行實時測量，同時還能自主返回控制器，當機械臂的反饋角達到主機輸入的數值之后，控制器的命令就會就此終止。在機械臂的控制中出現液壓缸慣性增大的原因是因為給定角度和制動后的實際角度存在一定偏差。如果在指定的限制內進行控制，控制器將根據誤差調整規則的數值，并將誤差連接到允許誤差移動的程度。實時監測機械手的動態狀態對整個輸入系統的閉環控制非常重要。控制系統利用外部中斷計算信號線中的脈沖數，并根據當時的B信號電平確定液壓缸的旋轉方向中斷。若動力較大，則油缸向前轉動，否則反向。

3.2 按鍵操作和LCD顯示子程序

除主機的輸入控制外，系統還增加了鍵盤控制和LCD顯示功能。將獨立鍵盤電路與74i/O端口進行連接，使其與S1 、S2 、S3 、S4 的按鍵與四個標識相對應。其中S1 代表電路總開關，S2 表示要控制的接頭，S3 和S4 表示對機械臂的行動方向的控制，而LCD屏幕則是用來顯示機械臂的遙控區域。在按下S1 鍵后，單片機系統的初始化功能開始工作，上位機中輸入的數據和傳感器反饋的數據開始清零，在這一基礎上機械臂也會停止操作，轉換成人工控制模式。所選的控制對象為標準底座（J1 ），LCD顯示界面會將設備編碼以及傳感器的檢測角度顯示出來。若要控制操作手柄的其它部分，可按S2 鍵選擇接頭。操作者可以利用S3/S4 鍵，根據液晶屏上顯示的傳感器的反饋角度，控制所選關節的向前旋轉，完成簡單的機械臂動作?？膳c主機接口進行協同控制，提高整個系統的響應速度和精度。

4 上位機界面設計和通信

在上位機界面的設計中，對于用戶界面的設計主要采用MATLAB平臺進行創建，以便于實現對相關部件的遠程控制，降低機械臂的實際操作難度。然后在基于MATLAB的基礎上，利用控制設備訪問串口設備，以此來連接下位機，使其通信功能能夠正常運行。此外，使用者還可以在所建立的圖形界面上對操縱器的運作狀態與驅動狀態進行有效控制。在GUI中，GUI分為數據輸入欄，狀態欄和默認欄。該控制器通過10 位異步串行通信與上位機進行實時通訊。所傳送的10 位資料包括開始、停止及8 位資料。交流過程變成了單獨的ck。傳感器采集的信息被存儲在16 位數據中，數據被分成兩組，依次發送。

5 結束語

硬件和軟件相結合，采用單片機接口電路，實現上行鏈路與控制器的遠程通訊，完成數據采集、處理、傳輸和顯示。通過先進的機械接口，設計了閉環控制系統芯片，實現了液壓臂狀態的遠程控制和實時監測。本發明的操作鍵盤與智能控制相結合，相較于傳統開環控制方式，其穩定性和系統精度得到了有效提升。并使其功能更加完善，為進一步實現實時控制奠定了基礎，如視頻監控、圖像識別、三維建模等。

[1]何謙.數字閥控重載機械臂液壓同步舉升系統設計與仿真[J].輕工科技，2014(1):36-37.

[2]楊永江.基于PLC的液壓機械臂控制技術研究[J].科技視界，2020(19):113-115.

[3]趙悅.液壓機械臂控制系統的改進研究[J].工業儀表與自動化裝置，2020(1):33-37.55