劉國浩

（聊城大學(xué)東昌學(xué)院，聊城 252000）

電機(jī)是自動化運(yùn)動控制中的關(guān)鍵要素，是實現(xiàn)智能制造工業(yè)的核心部件，也是工業(yè)機(jī)器人中的核心零件，而工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用程度體現(xiàn)了一個國家的工業(yè)自動化水平。智能制造作為“中國制造2025”的主攻方向[1]，全國265 所高校成功申辦智能制造工程專業(yè)。該專業(yè)將機(jī)械工程、控制工程、計算機(jī)技術(shù)、嵌入式技術(shù)和人工智能技術(shù)等學(xué)科專業(yè)知識有機(jī)結(jié)合，主要課程包含工業(yè)機(jī)器人技術(shù)、機(jī)電傳動與PLC 控制、單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)等。工業(yè)機(jī)器人實驗教學(xué)大都采用示教器控制現(xiàn)有工業(yè)機(jī)器人完成規(guī)定動作為主，學(xué)生缺乏對工業(yè)機(jī)器人運(yùn)動控制理論的理解[2-3]，對其中各關(guān)節(jié)電機(jī)控制知之甚少?？删幊踢壿嬁刂破鳎≒rogrammable Logic Controller，PLC）和單片機(jī)實驗教學(xué)多采用模塊化實驗臺練習(xí)邏輯控制，如搶答器、流水燈、交通燈控制，對電動機(jī)的控制方法教學(xué)很少。因此，需要一款適合于工業(yè)機(jī)器人運(yùn)動學(xué)正逆解、多種電機(jī)控制方法的綜合性實驗教學(xué)裝置。鑒于這個背景，本文研究了一種能滿足專業(yè)需求，幫助學(xué)生快速掌握6 自由度工業(yè)機(jī)器人控制原理、步進(jìn)電機(jī)控制方法、伺服電機(jī)控制方法、舵機(jī)控制方法、PLC 應(yīng)用以及控制器間通信模式的實驗教學(xué)裝置。

1 實驗教學(xué)裝置的組成

實驗教學(xué)裝置參照現(xiàn)有6 自由度關(guān)節(jié)機(jī)器人結(jié)構(gòu)。機(jī)械系統(tǒng)包括底座、腰部、大臂、小臂、腕部和手部[4-5]。驅(qū)動系統(tǒng)包括6 個不同類型的電機(jī)及所需精密減速器，具體分配如圖1 所示。關(guān)節(jié)1 旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，采用交流伺服電動機(jī)；關(guān)節(jié)2 俯仰運(yùn)動，采用直流伺服電動機(jī)；關(guān)節(jié)3 俯仰運(yùn)動，采用三相步進(jìn)電動機(jī)；關(guān)節(jié)4 旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，采用兩相步進(jìn)電動機(jī)；關(guān)節(jié)5 俯仰運(yùn)動，采用大轉(zhuǎn)矩雙軸數(shù)字舵機(jī)；關(guān)節(jié)6 旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，采用大轉(zhuǎn)矩單軸總線舵機(jī)?？刂葡到y(tǒng)主要包括觸摸屏、樹莓派、交換機(jī)、PLC、STM32、Arduino、伺服控制器和步進(jìn)控制器。

2 驅(qū)動系統(tǒng)

依照工業(yè)機(jī)器人常用參數(shù)如最大功率、最大允許力矩和最大允許轉(zhuǎn)動慣量的需求，有如下要求：關(guān)節(jié)1 和關(guān)節(jié)2 需要承載整個機(jī)身的工作載荷，因此需要選用較大力矩的電機(jī)；關(guān)節(jié)3、關(guān)節(jié)4 和關(guān)節(jié)5 既要提供運(yùn)轉(zhuǎn)所需的力矩，又要減輕自身質(zhì)量，因此可以選用中等力矩的電機(jī)；關(guān)節(jié)6 主要實現(xiàn)手爪的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，可以選用較小力矩的電機(jī)。

常用的控制類電動機(jī)主要包括步進(jìn)電動機(jī)、伺服電動機(jī)、力矩電動機(jī)、直線電動機(jī)以及舵機(jī)等。步進(jìn)電動機(jī)可以將接收的脈沖信號轉(zhuǎn)換為電動機(jī)的角位移，進(jìn)而實現(xiàn)規(guī)定的運(yùn)動。脈沖個數(shù)決定了電動機(jī)轉(zhuǎn)動的角度。脈沖頻率的大小決定了電動機(jī)轉(zhuǎn)動的速度。電動機(jī)定子繞組的通電方式?jīng)Q定了電動機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向。步進(jìn)電動機(jī)接收一個脈沖信號所旋轉(zhuǎn)的角度稱為步距角。步距角通過控制器還可以進(jìn)行細(xì)分，細(xì)分后的微步距決定了步進(jìn)電動機(jī)的運(yùn)行精度。步進(jìn)電動機(jī)多數(shù)采用開環(huán)控制方式。伺服電動機(jī)可以將電壓信號轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速來驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)動作。電壓信號的大小決定了電動機(jī)的轉(zhuǎn)速。電壓信號的方向決定了電動機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向。伺服電動機(jī)多數(shù)采用閉環(huán)控制方式。伺服電動機(jī)可以精確控制運(yùn)動的速度和位置。伺服電動機(jī)的精度取決于編碼器的精度。伺服電動機(jī)可以是直流無刷電動機(jī)，也可以是交流電動機(jī)。伺服電動機(jī)具有起動轉(zhuǎn)矩大、調(diào)速范圍廣以及調(diào)節(jié)特性線性度好的特點(diǎn)。舵機(jī)是一種低端小型的伺服電動機(jī)，最早應(yīng)用于航模設(shè)計。舵機(jī)根據(jù)控制方式不同分為數(shù)字舵機(jī)和總線舵機(jī)。根據(jù)軸數(shù)，它還可以分為單軸舵機(jī)和雙軸舵機(jī)。

根據(jù)上述控制電動機(jī)的特點(diǎn)，在滿足實驗教學(xué)內(nèi)容豐富和操作安全的前提下，所設(shè)計的6 自由度機(jī)械臂應(yīng)該能抓起0.5 kg 的負(fù)載，且操作空間應(yīng)盡量小。關(guān)節(jié)1 選用60 交流伺服電動機(jī)，關(guān)節(jié)2 選用86 全閉環(huán)直流伺服電動機(jī)，關(guān)節(jié)3 選用57 三相步進(jìn)電動機(jī)配行星減速器，關(guān)節(jié)4 選用42 兩相步進(jìn)電動機(jī)配行星減速器，關(guān)節(jié)5 選用雙軸數(shù)字舵機(jī)LX-225，關(guān)節(jié)6 選用單軸總線舵機(jī)LD-27MG。

3 控制系統(tǒng)

現(xiàn)在高校常用的控制器主要有樹莓派、Arduino、STM32 以及PLC 等。樹莓派是一款功能齊全的微型電腦，運(yùn)行Linux 操作系統(tǒng)，屬于開源系統(tǒng)，能夠處理視頻流和音頻流，功能強(qiáng)大，采用C/Python 編程語言，硬件資源包含千兆以太網(wǎng)、USB 2.0/3.0、2.4 GHz/5 GHz 雙 頻Wi-Fi、藍(lán) 牙5.0、HDMI、GPIO、SPI、I2C 及PWM 等。Arduino 是一款開源的開發(fā)平臺，包括硬件和軟件Arduino IDE，版本分為入門級、網(wǎng)絡(luò)版、物聯(lián)網(wǎng)版、教育版及可穿戴版，硬件包含A/D、PWM、I2C、SPI、UART/USART、USB 及Ethernet等。STM32 面向工控領(lǐng)域，穩(wěn)定速度快，外設(shè)豐富多樣，硬件包含A/D、D/A、PWM、UART/USART、USB、I2C、CAN 及Ethernet 等。PLC 應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域，主要實現(xiàn)單機(jī)控制、自動控制、過程控制，且集成度和可靠性高，可以通過PTO、PWM、總線驅(qū)動電動機(jī)運(yùn)行。實驗教學(xué)裝置通過觸摸屏發(fā)出操作機(jī)械臂運(yùn)動的指令，采用樹莓派為主控制器。樹莓派通過工業(yè)以太網(wǎng)連接交換機(jī)與觸摸屏、直流伺服驅(qū)動器和PLC相連。樹莓派通過USB 轉(zhuǎn)RS485 與STM32 控制器相連。樹莓派通過USB 轉(zhuǎn)GPIO 與Arduino 制器相連。直流伺服驅(qū)動器通過相應(yīng)接線驅(qū)動直流伺服電動機(jī)。PLC 通過相應(yīng)接線分別驅(qū)動兩相步進(jìn)驅(qū)動器和三相步進(jìn)驅(qū)動器，再由驅(qū)動器通過接線直接驅(qū)動相應(yīng)步進(jìn)電動機(jī)。PLC 連接交流伺服驅(qū)動器通過相應(yīng)接線驅(qū)動交流伺服電動機(jī)。STM32 通過接線直接驅(qū)動數(shù)字舵機(jī)。Arduino 通過接線直接驅(qū)動總線舵機(jī)。實驗教學(xué)裝置控制系統(tǒng)模型，如圖2 所示。

伺服電機(jī)驅(qū)動器連接時應(yīng)注意電機(jī)動力線、電機(jī)編碼器線直接插接到相應(yīng)端口，根據(jù)所選的主控制器，選擇相應(yīng)的通信口或I/O 口連接控制線路，并進(jìn)行相應(yīng)的參數(shù)設(shè)定，選擇所需的控制模式（位置、速度、力矩）。根據(jù)所需的電源連接相應(yīng)端口，進(jìn)行正確的接地處理。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器接線時應(yīng)注意細(xì)分設(shè)定與電流設(shè)定值。脈沖控制信號、方向控制信號、使能信號連接主控制器，V+和V-連接電源，A/B 相連接兩相電動機(jī)，U/V/W 相連接三相電動機(jī)。數(shù)字舵機(jī)由PWM 控制，脈寬調(diào)節(jié)角度，頻率50 Hz，脈沖寬度為500 ～2 500 μs，對應(yīng)舵機(jī)的角度范圍為0°～270°。舵機(jī)的控制精度是3 μs，在2 000 個脈寬范圍內(nèi)控制精度能達(dá)到0.3°?？偩€舵機(jī)使用波特率為115 200 Baud 的串口指令進(jìn)行控制，根據(jù)相應(yīng)的通信協(xié)議即可控制舵機(jī)轉(zhuǎn)動或者讀取舵機(jī)信息。

通過該實驗教學(xué)裝置，學(xué)生可以掌握多種控制器驅(qū)動不同電動機(jī)的方法，也可以掌握多種控制器間不同的通信方式，如工業(yè)以太網(wǎng)、USB 串口、UART 串口及COM 串口等。

4 結(jié)語

采用數(shù)字舵機(jī)、總線舵機(jī)、兩相步進(jìn)電動機(jī)、三相步進(jìn)電動機(jī)、直流伺服電動機(jī)和交流伺服電動機(jī)6種不同類型的電動機(jī)，參照工業(yè)機(jī)器人結(jié)構(gòu)，選取高校常用的控制器樹莓派、PLC、STM32 及Arduino，搭建了一個模塊化實驗教學(xué)裝置。學(xué)生通過該裝置可以熟悉工業(yè)機(jī)器人各關(guān)節(jié)機(jī)械結(jié)構(gòu)、運(yùn)動學(xué)正逆解的原理，掌握不同電動機(jī)的控制方法，實現(xiàn)工業(yè)以太網(wǎng)組網(wǎng)和多種控制器間的通信模式。此外，以樹莓派為主控制器還可以擴(kuò)展機(jī)器視覺在工業(yè)中圖像檢測、物體測量、視覺定位及字符識別等典型應(yīng)用。