機械臂的機電傳動控制研究

摘要

機械臂是機器人中的重要組成部分，作為執行機構，有著操作靈活、控制方便、不易受環境因素影響的特點，使得它在工業機器人、家用機器人中有很好的前景，能夠極大的提高生產效率，帶來良好的社會效益。然而，現如今在機械臂研究領域，人們發現：機械臂的難點主要是在運動控制、機械/電氣以及安全功能三個方面。本文主要結合所學課程——《機電傳動控制》來研究其電機傳動控制的相關問題。

關鍵詞：機械臂,電機，傳動、控制

1. 機械臂的驅動電機

機械臂都是通過關節驅動來實現終點軌跡實現，而其電機主要采用：直流電機、伺服電機、直驅電機、步進電機。其中以步進電機和伺服電機應用較多。各種電機的優缺點和使用場合見表1-1所示^[3]。

表1-1 各種機械臂用關節電機特點

電機類型	優點	缺點	應用場合
直流電機	結構簡單 控制方便 良好的啟動性能 調速性能好	壽命短 結構復雜 電流通常較大 體積較大 慣量高	較大型機械臂 流水線機械臂
伺服電機	可控性好 控制功率小 控制精度高	帶有反饋裝置 價格較高	小型機器人 步行機器人 空間機械臂
直驅電機	直接驅動 很高的分辨率 低速大扭矩	體積較大 價格較高	較大型機器臂
步進電機	良好的跟隨性 簡單可靠 動態響應快 調速范圍寬	脈沖電源供電 存在震蕩和失步 噪聲和振動較大 功率與自重比小	迷宮機器人 巡線跟蹤機器人

從上表可以看出，各種電機的優缺點有差異，適應場所也有所不同。電機的選型是由需求來決定的，同時，對于電機的控制也隨之形成。由于現有的機械臂都是多自由度的，有控制學理論知道，其控制難度增大。現如今較流行的機械臂研究是以模塊化為基礎的可重構機械臂系統，同時實現機械構造、電子系統、硬件結構、控制方式、軟件實現等方面的重構。其中具體的技術就有：運動學解算、動力學解算、路徑規劃、任務規劃、控制應用等。這些與我在大二加入的科創團隊——足球機器人團隊中的事項類似。我們團隊所需要實現的運動要求是：通過視覺感應到小球的位置，然后踢球，這里還有一個比較大的難點——平衡。對于機器臂而言，大底板支撐，一般不會發生。機械組通過對整體的建模，以及運動學參數的確立，其他由控制組編程實現操作。

2.機械臂的驅動原理

機械臂的控制原理可從開環、半閉環和閉環控制三方面考慮，開環控制中，只需要將預先設定的軌跡通過運動學、動力學方程求解轉變成電機的輸入控制（電壓控制，可通過PWM直流斬波技術，或交流—直流技術來實現），這種由于電機的控制參數已經確定，但是當運動軌跡引起的速度變化比較復雜時，對電機的控制要求比較高，因此更適合小慣量的場合；半閉環控制中：是將驅動電機的輸出角度作為反饋，適用于精度要求較高以及穩定要求較高的場所；而閉環控制，應用于精度非常高的場所，而這種就需要傳感器的檢測傳感技術以及信號處理技術的高速性，減小延遲帶來的滯后以及運動失真情況。而現如今對整體的自由度同時規劃是非常困難的，因此更適合于模塊化，同時也利用現如今較流行的遺傳算法、機器學習、大數據等技術進行最優化設計來減小對電機的高要求^[4]。具體控制圖（這里我以普通永磁有刷直流電機為例，其原理為：電機兩極的反電動勢信號和轉速成正比，通過A/D采集此信號，并在ARM微處理器中采用PID算法，輸出PWM信號控制電機轉速。）如下：

圖2.1 驅動原理圖

圖2.2 PID反饋控制

通過查閱資料了解，其電機驅動控制器，也就是芯片控制，其采用的模式下列該種形式，如圖2.3。

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圖2.3 微處理原理圖

正如前面所看到的，在ARM中對電機的控制中，控制器不是直接給出終點位置參數，因為這樣可能導致比例向過大，產生震蕩，甚至損壞電機。這也驗證前面所提高的逐步優化問題。通知，通過閱讀文獻發現，機械臂領域可以借鑒電動汽車領域的雙電機驅動控制^[2]。一個電機執行控制動作，另一個進行控制。是否可以將機器臂的一個關于加上兩個兩個電機以及行星輪，來實現更加精確的控制，當然另一方面，機械傳動機構越多，控制系統約復雜，對各機械部件的精度要求越高，而對于目前的機器臂研究水平來說，還處于初期階段，更加面向的是代替勞動力的普通生產動作，這也可能是在機械結構上沒有太大改進的原因。

3.電機的驅動指標

前面的原理中已經提到了電機的驅動電路，是通過PWM控制兩端的電壓來改變力矩，從而使機械臂運動。這里的驅動性能指標有以下幾點：

1.輸出電流和電壓范圍。它決定電路能驅動多大功率的電機；

2.效率。高的效率意味著節省電源，也會減少驅動電路的發熱；

3.對控制輸入端的影響。功率電路對其輸入端應有良好的信號隔離，防止有高電壓大電流進入主控電路；

4.對電源的影響。電壓電流沖擊都會影響電流的使用壽命；

5.可靠性。控制信號不影響驅動電路的安全性。

例如下圖中的機械臂伺服控制模塊圖3.1知，驅動電路都是要經過微處理器處理然后通過PWM、運放電路再作用于電路，這就要求未處理器高校的運算性能^[1]。

圖3.1 機械伺服控制模塊

其技術難點主要在：電機的鎖定好，這需要電機自身的慣量小，而提供的力矩又比較大，對于在機器臂關節中的電機，它做好只作為力矩的提供者，而其他不影響，這樣對機構本身的剛度影響不大，而且對于動力學計算式也不會太復雜，為了使鎖定性能好，我們可以通過強磁場來控制（對于交流電機而言），對于直流，脈沖可能是最好的選擇，這樣步進電機本身的步距角就會影響精度，歸根到底，機械本身的精度是影響最后的軌跡的效果，現有的控制理論以及十分豐富了。

4.控制方案

由于現如今已經有很多像PID控制、魯棒控制、自適應控制、變結構控制等相關理論，整體而言都是設定目標點、通過動力學、運動學得到各電機的初步控制參數，再通過運動過程中的ＰＩＤ糾正，來達到目標點^[6]。而這里我想：既然機械軌跡具有很多的重復性，直接通過物聯網技術、通過對大數據的處理、不斷進行機械學習、迭代運算最后得到更好的結果。在Scaglia Indeva官網中我們可到，機械手中都以快、準來宣傳，其中主要是采用幾次保護措施作為輔助，而對于電機傳動本身提及的很少。

5.總結

機電傳動控制作為機械裝備領域中的大腦，它扮演著越來越重要的角色。像本文所介紹機械臂，它涉及多自由度問題，對我們現如今的動力學、運動學要求更高，系統更加復雜，對于該類結構，其產品的優化需要控制理論支撐、工業水平支撐甚至是現如今的機械學習等優化設計，也需要現如今微處理系統的突破等等。機電傳動控制作為專業課很好的將實際問題展現在我們面前，也讓我們認識到機電控制的美好前景，值得我們去探索。

參考文獻

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[3].王宏源.機械臂關節用永磁無刷直流電動機的研究D.哈爾濱：哈爾濱工程大學，2006；

[4].左仲海.模塊化機械臂運動學和動力學快速建模研究D.北京：北京郵電大學，2015；

[5].張羽，李雁斌.一種新穎電機控制方法及其在機械臂控制中的應用J.微機電，2008；

[6].趙志超.基于迭代學習的6-DOF機械臂軌跡跟蹤控制研究D.沈陽：沈陽大學，2013；

總結

以上是生活随笔為你收集整理的机电传动控制个人课程报告的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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