【摘要】本文設(shè)計以52 單片機(jī)為核心的閉環(huán)控制系統(tǒng)，以解決多關(guān)節(jié)液壓臂開度低的問題，通過上位機(jī)的圖形接口輸入控制數(shù)據(jù)。控制數(shù)據(jù)通過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(jìn)行反饋控制，減小機(jī)械手的運動誤差形成閉環(huán)控制系統(tǒng)。

【關(guān)鍵詞】液壓機(jī)械臂；52 單片機(jī)；光電編碼器；圖形界面

隨著機(jī)器人技術(shù)的飛速發(fā)展，機(jī)器人手臂取代了人類的重復(fù)勞動，大大提高了工業(yè)生產(chǎn)的自動化程度，保證了工業(yè)生產(chǎn)的廣泛普及。焊接機(jī)械手的操作可分為發(fā)動機(jī)、氣缸和液壓。發(fā)動機(jī)控制器的優(yōu)點是發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定可調(diào)，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(yōu)點是反應(yīng)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(jī)械臂的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)堅固，握力大，效果穩(wěn)定；缺點是運動阻力大，生產(chǎn)精度要求高，對液壓缸密封的要求高。

1 整體方案設(shè)計

系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1 所示。液壓臂閉環(huán)控制系統(tǒng)可分為4 個模塊，即檢測模塊、單片機(jī)控制模塊、六臂鉸接驅(qū)動模塊和上位機(jī)接口模塊[1]。操作手柄由六個液壓缸驅(qū)動，由單片機(jī)控制。傳感器對運動數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，并承擔(dān)對復(fù)位工作，六自由度的設(shè)計思想是：在上位機(jī)圖形界面輸入目標(biāo)參數(shù)，通過串口向單片機(jī)傳輸。基于目標(biāo)參數(shù)，控制器控制每個連接電磁閥的相應(yīng)運動機(jī)械臂。光電編碼器會實時的將所采集到的機(jī)械臂運動角度信息發(fā)送給控制器。通過詳細(xì)的計算，控制各個關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)，形成一個閉合的控制系統(tǒng)。

2 硬件電路設(shè)計

2.1 單片機(jī)系統(tǒng)

單片機(jī)是整個閉環(huán)控制系統(tǒng)的核心，它由52 個單片機(jī)、電源、循環(huán)和復(fù)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(fù)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(jī)系統(tǒng)中增加了按鍵電路、液壓驅(qū)動電路以及數(shù)據(jù)采集電路，如圖2 所示。

2.2 機(jī)械臂驅(qū)動

所設(shè)計的機(jī)械臂為液壓關(guān)節(jié)機(jī)械臂，其三維模型如圖3 所示。傳動導(dǎo)軌采用6 個活動液壓缸（J1 ），腰部關(guān)節(jié)（J2 ），肩關(guān)節(jié)（J3 ，J4 ）和腕關(guān)節(jié)（J5 ，J6 ），機(jī)械臂的每一個關(guān)節(jié)都由一個泵站通過液壓多路閥進(jìn)行驅(qū)動[3]。液壓多路閥的基本構(gòu)成結(jié)構(gòu)為一個閥塊，6 個電磁閥，閥塊設(shè)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(zhuǎn)。單片機(jī)從0 到5V啟動電平并作為開關(guān)繼電器控制電磁閥的電源。

2.3 傳感器

在編碼器的應(yīng)用中，有兩種形式，即增量式和絕對式，增量式編碼器的應(yīng)用重點在于將波角度向相應(yīng)的脈沖數(shù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，而角位移測量則是脈沖數(shù)的計數(shù)。對某一角度的測量是精確的，但對超出此范圍的旋轉(zhuǎn)次數(shù)有累積偏差；絕對式對機(jī)械臂運動數(shù)據(jù)的測量是在輸出波位置的對應(yīng)編碼基礎(chǔ)上進(jìn)行的，這樣就不必計算中間的運動數(shù)據(jù)，它只要對機(jī)械臂的起始點和結(jié)束點進(jìn)行明確之后，就沒有累積誤差，但在機(jī)械臂小角度測量上，精準(zhǔn)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(dāng)波形產(chǎn)生變化時，A端口和B端口與之一起變化，并產(chǎn)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(zhuǎn)。將轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)方向與外脈沖的相位差進(jìn)行比較，從而確定轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)方向。

3 軟件設(shè)計

3.1 機(jī)械臂控制程序設(shè)計

在控制程序上必須對上位機(jī)的參數(shù)和實測數(shù)據(jù)進(jìn)行考慮，因為液壓機(jī)械臂的控制精度較低，機(jī)械臂的調(diào)試控制可歸結(jié)為水力轉(zhuǎn)筒控制。針對液壓缸實際轉(zhuǎn)角與給定角度之間存在一定誤差，通過對機(jī)械臂各關(guān)節(jié)的控制，不僅產(chǎn)生了指令，而且還產(chǎn)生了中斷，通過傳感器輸入的運動數(shù)據(jù)的比較和誤差補(bǔ)償，實現(xiàn)了上位機(jī)動作。操作程序啟動后，系統(tǒng)進(jìn)行初始化。操縱器保持在原位，等待上位機(jī)收到發(fā)送的控制命令后，才能從上位機(jī)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(zhuǎn)液壓缸上安裝著的光電編碼器能夠?qū)C(jī)械臂角度變化進(jìn)行實時測量，同時還能自主返回控制器，當(dāng)機(jī)械臂的反饋角達(dá)到主機(jī)輸入的數(shù)值之后，控制器的命令就會就此終止。在機(jī)械臂的控制中出現(xiàn)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(nèi)進(jìn)行控制，控制器將根據(jù)誤差調(diào)整規(guī)則的數(shù)值，并將誤差連接到允許誤差移動的程度。實時監(jiān)測機(jī)械手的動態(tài)狀態(tài)對整個輸入系統(tǒng)的閉環(huán)控制非常重要。控制系統(tǒng)利用外部中斷計算信號線中的脈沖數(shù)，并根據(jù)當(dāng)時的B信號電平確定液壓缸的旋轉(zhuǎn)方向中斷。若動力較大，則油缸向前轉(zhuǎn)動，否則反向。

3.2 按鍵操作和LCD顯示子程序

除主機(jī)的輸入控制外，系統(tǒng)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(jìn)行連接，使其與S1 、S2 、S3 、S4 的按鍵與四個標(biāo)識相對應(yīng)。其中S1 代表電路總開關(guān)，S2 表示要控制的接頭，S3 和S4 表示對機(jī)械臂的行動方向的控制，而LCD屏幕則是用來顯示機(jī)械臂的遙控區(qū)域。在按下S1 鍵后，單片機(jī)系統(tǒng)的初始化功能開始工作，上位機(jī)中輸入的數(shù)據(jù)和傳感器反饋的數(shù)據(jù)開始清零，在這一基礎(chǔ)上機(jī)械臂也會停止操作，轉(zhuǎn)換成人工控制模式。所選的控制對象為標(biāo)準(zhǔn)底座（J1 ），LCD顯示界面會將設(shè)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(jù)液晶屏上顯示的傳感器的反饋角度，控制所選關(guān)節(jié)的向前旋轉(zhuǎn)，完成簡單的機(jī)械臂動作。可與主機(jī)接口進(jìn)行協(xié)同控制，提高整個系統(tǒng)的響應(yīng)速度和精度。

4 上位機(jī)界面設(shè)計和通信

在上位機(jī)界面的設(shè)計中，對于用戶界面的設(shè)計主要采用MATLAB平臺進(jìn)行創(chuàng)建，以便于實現(xiàn)對相關(guān)部件的遠(yuǎn)程控制，降低機(jī)械臂的實際操作難度。然后在基于MATLAB的基礎(chǔ)上，利用控制設(shè)備訪問串口設(shè)備，以此來連接下位機(jī)，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(tài)與驅(qū)動狀態(tài)進(jìn)行有效控制。在GUI中，GUI分為數(shù)據(jù)輸入欄，狀態(tài)欄和默認(rèn)欄。該控制器通過10 位異步串行通信與上位機(jī)進(jìn)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(shù)據(jù)中，數(shù)據(jù)被分成兩組，依次發(fā)送。

5 結(jié)束語

硬件和軟件相結(jié)合，采用單片機(jī)接口電路，實現(xiàn)上行鏈路與控制器的遠(yuǎn)程通訊，完成數(shù)據(jù)采集、處理、傳輸和顯示。通過先進(jìn)的機(jī)械接口，設(shè)計了閉環(huán)控制系統(tǒng)芯片，實現(xiàn)了液壓臂狀態(tài)的遠(yuǎn)程控制和實時監(jiān)測。本發(fā)明的操作鍵盤與智能控制相結(jié)合，相較于傳統(tǒng)開環(huán)控制方式，其穩(wěn)定性和系統(tǒng)精度得到了有效提升。并使其功能更加完善，為進(jìn)一步實現(xiàn)實時控制奠定了基礎(chǔ)，如視頻監(jiān)控、圖像識別、三維建模等。

[1]何謙.數(shù)字閥控重載機(jī)械臂液壓同步舉升系統(tǒng)設(shè)計與仿真[J].輕工科技，2014(1):36-37.

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

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