基于工控機的關(guān)節(jié)型機器人控制系統(tǒng)實現(xiàn)王玉松，孫毅剛中國民用航空學院交通工程學院，天津300300）如何用工業(yè)控制計算機來實現(xiàn)該機器人的控制。測試結(jié)果表明該系統(tǒng)具有設計簡單、成本低廉、調(diào)試方便等特點，可用于教學。

基金項目：中國民用航空學院自動化專業(yè)重點，機器人本體特點為：機器人末端執(zhí)行器在工作范圍內(nèi)可以達到空間任意一點。各關(guān)節(jié)動作：腰關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)1，帶動大臂和小臂旋轉(zhuǎn)；大臂旋轉(zhuǎn)2，帶動小臂擺動；小臂旋轉(zhuǎn)3，帶動末端執(zhí)行器運動。

為減輕機器人本體重量，大臂和小臂均采用鋁合金材料，且長度相等，造型美觀。

采用步進電機加減速器的驅(qū)動方式。步進電機用四通公司的混合式步進電機，特點是運行頻率高，輸出扭矩大，適合在高速下運行。后面連接減速器，步進電機與減速器做成一體，結(jié)構(gòu)緊湊。為了設計、安裝簡便，腰關(guān)節(jié)和上臂都直接聯(lián)在減速器軸上，步進電機帶動減速器，然后驅(qū)動關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)?？紤]平衡和配重問題，將小臂驅(qū)動電機安裝在大臂上，用同步齒型帶連接，帶動小臂轉(zhuǎn)動。

每個關(guān)節(jié)還設計了機械擋板'（，一方面起保護作用，另一方面作為增量編碼器的零位位置。

2硬件設計該機器人有3個關(guān)節(jié)，控制系統(tǒng)如所示，其中虛線框為一個關(guān)節(jié)的控制系統(tǒng)組成。該系統(tǒng)的特點如下：控制器是機器人控制系統(tǒng)的核心，采用研華610工控機，負責處理機器人運動學計算、軌跡插補計算和三軸位置數(shù)字伺服控制。微處理器定時讀取編碼器信息，然后和指令位置進行比較，其差值經(jīng)運算后變成速度指令值，選擇合適的控制算法，給出相應的控制。

730，為32輸入32輸出光電隔離的i/o接口。機械手各關(guān)節(jié)都有一定的轉(zhuǎn)動范圍，在各關(guān)節(jié)上都裝有限位開關(guān)。一旦機械手轉(zhuǎn)動超過此范圍，限位開關(guān)立即動作，通知cpu報警并作相應的停機操作。

角位移檢測元件用增量式旋轉(zhuǎn)編碼器2.編碼器輸出脈沖時序如所示，型號為lb-002，每轉(zhuǎn)輸出2048個脈沖，a，b兩路方波信號相位差90.，還有零位輸出z.通過方向判斷電路3，可以判別電機的旋轉(zhuǎn)方向，當a相超前b相90°時，旋轉(zhuǎn)方向為順時針。當a相落后b相90.時，旋轉(zhuǎn)方向為逆時針。編碼器輸出信號通過可逆的16位計數(shù)器，反饋至控制器，當正轉(zhuǎn)時進行加計數(shù)，反轉(zhuǎn)時進行減計數(shù)。采用中斷定時的方式讀入數(shù)據(jù)，時間間隔4ms.4ms定時到，向中斷觸發(fā)器發(fā)出中斷請求信號，cpu中斷，讀取當前計數(shù)器的數(shù)值。

4）判向電路的設計3（。判向電路如所示。

用一個上升沿觸發(fā)的d觸發(fā)器，編碼器的a相接clk時鐘，b相接輸入端d，則當a相超前b相90.時，為低電平；b相超前a相90°時，為高電平。輸出！接cpu. 3機器人位置控制算法采用pid控制算法。實際輸出位移為0，位移為0"，偏差量ee=0-0"，控制規(guī)律為其中：k（為比例增益；t，為積分時間常數(shù)；t+為微分時間常數(shù)；u%）為控制量；e0%）為位移偏差量。為便于計算機實現(xiàn)，將式1）變換成差分方程，并作如下近似其中：t為采樣周期；"為采樣序號。得到pid位置型控制算式4u其中：kp=1/5為比例增益；kk/t，為積分系數(shù)；k+=kptvt為微分系數(shù)。簡化為其中采樣周期的選擇，根據(jù)香農(nóng)定理，取t=4ms.參數(shù)整定254最初采用試湊法，比例增益k從小到大，逐步增加，使系統(tǒng)的超調(diào)量、調(diào)節(jié)時間、穩(wěn)定性等都比較合適，然后再調(diào)整微分系數(shù)和積分系數(shù)，使系統(tǒng)性能指標符合要求。

4軟件結(jié)構(gòu)采用多重中斷結(jié)構(gòu)：級為最高級中斷，然后是1級、2級，共3級中斷。0級中斷采用4mi定時中斷，1~2級中斷采用8ms定時中斷。

4.1控制程序的組成1）初始化程序，完成對整個系統(tǒng)正常工作的準備。開機或復位“鍵后，執(zhí)行初始化程序；2）0級中斷服務程序，主要完成位置控制、伺服系統(tǒng)狀態(tài)檢查和處理、4ms定時等工作，定時獲取實際位置值，然后將其和指令位置進行比較，得到差值，變成控制指令送給步進電機處理；）1級中斷服務程序的功能主要是完成插補運算；4）2級中斷服務程序?qū)﹂_關(guān)信號進行監(jiān)控處理。

4.2程序流程圖程序采用模塊化設計，在主程序流程中調(diào)用相應的子程序即可。設計簡單明了，便于調(diào)試、維護。程序流程圖如所示。

控制，結(jié)束個輸入圓心坐標、半徑調(diào)用電機或其他重要點坐標控制程序個輸入兩點坐標曲線插補調(diào)用插補程序個程序流程結(jié)語該控制系統(tǒng)控制器采用工業(yè)控制計算機，編碼器反饋輸出，步進電機用于閉環(huán)控制，軟件采用模塊化設計，對所設計軟件和硬件系統(tǒng)進行了部分調(diào)試，結(jié)果證明本方法用于教學實驗是可行的。