多自由度机械手PLC控制

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多自由度机械手PLC控制
黄辉先， 文美纯
(湘潭大学， 411105)
摘要: 本文介绍了采用可编程序控制器 ( PLC) 代替 GR
1 型教学机器人的控制器对机械手动作进行控制， 利用光电编码
器对电机的转轴转角进行检测， 并对机械手 6个直流电机进行正反转控制， 从而实现了电机转轴的准确定位及机械手抓取物体
控制∝制系统编程简单， 可实现多任务调速控制。
关键词: 机械手; PLC; 编码器; 定位控制
中图分类号: TP277

文献标识码: B

文章编号: 1001- 3881 ( 2001) 5- 092- 3
0
引言
机器人是-种最先进的数控系统， 是实现柔性自
动化中最典型的机电-体化装置。GR- 1型教学机器
人主要由控制箱和机械手两大部分组成， 通过对控制
器进行编程控制， 由光电闭环伺服回路引导机械手末
端手爪， 可以实现手爪对物体的抓韧释放。该教学
机器人是关节型的机器人， 结构简单， 且全部采用开
放式结构。机械手具有 6 个自由度， 皆由直流电动机
驱动。该机器人本来有配套的控制箱及由厂家提供的
复杂的控制程序， 由于设备老化， 已无法按原来的控
制方式动作。虽然控制部分已经失效， 而机械手部分
仍然保持完好。我们采用新的控制器 ( PLC) 取代原
有控制器， 同时重新编制控制程序， 从而恢复了其原
有功能。
图 1
机械手结构示意图
1
机械手结构及工作原理
机械手结构示意图如图
1 所示， 为基本空间缩放结
构， 用高强度铝合金材料制
成。机械手的运动由腰部传
动、上臂传动、前臂传动、
手传动、腕传动和手爪动作
这6 部分组成。腰部通过-
对传动齿轮副直接传动。安
装在底座上的直流伺服电机的输出经减速器变速后，
通过齿轮传动使腰部绕垂直轴线旋转， 其旋转的角度
不小于180
。从动齿轮上装有行程开关， 对腰部运动
进行限位检测， 可实现最大限位控制。上臂固定在腰
部从动链轮上， 安装在腰部上的伺服电机通过链传动
带动上臂进行摆动幅度不小于 270
的运动， 并且随腰
部-起转动。前臂固定在上臂末端轴上， 其驱动电机
固定在腰部， 通过 2 级链传动带动前臂转动。采用链
轮张紧链条， 二级链传动第-级传动参数与上臂的参
数相同， 次级传动是等比传动。手传动驱动电机固定
在腰部， 通过 2级链传动带动手绕前臂末端轴线转动。
它是二级链传动及钢丝绳传动相结合。其中， 次级链
传动和钢丝绳传动是等比传动， 都是用链轮张紧， 其
转动幅度不小于 270
。腕部装有二个直流伺服电机，
-个通过齿轮传动驱动腕的旋转运动， -个通过连杆
服电机驱动， 电机输出轴上安装有光电编码器， 进行
位置检测， 并将位置信号反馈到控制器输入端， 构成
伺服电机驱动回路的闭环反镭制。由 6 个电机控制
的机械手， 可使手爪在其工作范围内运动到达任意位
置。手爪位置矢量 r0 可由机械手的各臂的长度和各关
节的角度计算出来。被抓取的物体的位置矢量 r2 可以
表示为:
r 2 r 0(
1，
2，
3，
4，
5，
6) r1(
x ，
y ，
z ， l )
其中:

n( n 1， 2， 3， 4， 5， 6) 为第 n 个关节的角度;

x ，
y ，
z 为手爪的方位坐标; l 为手爪到目标
位置的距离。
系统性能指标如下:
机器人本体的活动范围:
垂直方向:
850mm; 水平方向:
600mm。
各关节运动范围:
腰回转: 0
180
; 上臂摆动: 0
200
;
前臂摆动: 0
270
; 腕俯仰: 0
270
;
手转动: 0
360
; 手指开闭: 0
30mm;
承载能力: 10N; 重复精度: 1mm;
运动速度: 20
/ s。
系统工作时， 各光电编码器输出-系列与电动机
转动角度信号相对应的脉冲信号， 经过转换电路将序
列脉冲电压信号转换为 PLC 可以接收的开关信号， 在
PLC内部经过计数器计数后得到每-个电机实际的转
角信号， 运行 PLC 控制程序， 获得所需输出， 再通过
外电路由 PLC的输出信号来控制电动机正反转的启动
及停止， 以实现规定的机械手的动作。
2
控制器及接口电路
根据机器人机械手控制的特点， 我们采用了日本
三菱生产的可编程序控制器 ( FX2n
80MR) 作为机器
人的控制器， 这种控制器具有40 个输入点、40 个输出
点。满足机械手6个伺服电机位置测量及控制的要求。
系统控制的电路如图 2 所示。包括 4 部分: 光电编码
器、输入接口电路、PLC、输出接口电路。
( 1) 位置检测与输入接口电路
位置反馈信号是通过光电编码器而得到， 每个伺
服电机输出轴上都装有光电编码器， 通过它实现光电