基于六自由度机械臂的雨水含沙量测量装置的设计

张国英，沈丹峰，刘夏轩德，张旭祥

（西安工程大学机电工程学院，陕西 西安 710048）

本文依据雨水采集与含沙量的测量要求，采用串联机械手代替人工完成抓取水杯、接涵道流出的雨水、称重、倾倒杯中水、清洗水杯等5项任务。通过对上述动作的分解，采用六自由度串联机器人，设计了六自由度工业机器人的结构尺寸；采用自然用户界面互交方式，开发了一种基于CPAC GUC-X00-TPX平台的六自由度机械臂控制系统。该控制系统以CPAC-Otostudio为编程环境，编制控制程序，对六自由度机器人操作能力和抓取动作做出了相关实验。

1 机械臂的总体方案

在雨水采集过程中，考虑雨水含沙量测量的工作要求，采用机械臂在户外进行取样具有灵活性、可靠性及安全性，设计的机械臂具有移动，翻转等多种空间位姿，因此选用六自由度串联机械臂。六自由度机器人安装在一个可移动的平台之上，能够在移动的工程中通过六自由度条件来抓取空间上的物体。在结构设计上，移动平台采用了四轮式结构，通过独立的电机提供动力，能通过事先规划好路线或人为控制到达指定的工作位置，并且利用移动来配合机械臂抓取动作。六自由度串联机器人构架主要由基座、腰部、支臂、小臂、腕部和气动手爪组成，各部位衔接处的关节是转动副，串联机器人的总体结构如图1所示。

图1 六自由度机械臂

机械系统由连杆、旋转关节等单元串联连接而成，机械臂的六个关节形成串联式开链结构。每个相邻的关节都对应相应的姿态坐标位置，通过旋转平移进行坐标转化，各关节轴线相互平行或垂直。根据西安市水保局对雨水含沙量的检测标准，雨水含沙量的取样位置要求，设计的六自由度工业机器人的工作空间。主要部件尺寸如下：大臂的长度570mm、旋转角（0-180°)，小臂的长度650mm、旋转角（0～120° )，腰部的长度 150mm、旋转角（0～160° )，手爪的长度105mm、旋转角（0～180°)等。

2 机械臂控制系统硬件设计

本文采用CPAC-GUC-X00-TPX平台作为机械臂运动控制卡系统。该系统编程环境为CPAC-Otostudio，利用PLC模式进行编程，它由CPAC-OtoBox控制器、步进电机驱动器、原点开关、正/负限位开关、IO扩展模块等组成。运动控制器提供两种不同的控制信号：正脉冲/负脉冲、脉冲+方向。在控制步进电机时，控制模式为闭环控制，用外接编码器来监控实际位置。

2.1 GUC-X00-TXX-M01-L2型运动控制器

GUC-X00-TXX-M01-L2型运动控制器是一款4/8轴运动控制器，该控制器嵌入了PLC编程环境。它需要外接GT2-800-ACC2八轴端子板或GT2-400-ACC2四轴端子板才能与驱动器及外部输入/输出设备相连，六自由度机械臂采用该控制器GUC-X00-TXX-M01-L2型运动控制器的接口定义如下[HMI—HMI接口，VGA—标准VGA接口，KB/MS—键盘、鼠标接口，USB—双层USB接口，LAN—以太网接口，RS232—通用串行口，EXT IO—高速IO扩展接口，AXIS（1-4）控制器与端子板接口1，AXIS（5-8）控制器与端子板接口2，POWER—电源接口]。

2.2 GT2-800-ACC2-V2.0-V型号的八轴端子控制板

六自由度机械臂采用端子控制板，用于接收运动控制系统发出的控制指令，并将控制指令信号传递给位置编码器，从而带动电机使机械臂产生相应的位置运动。端子控制板是一个从机，即它能接收命令，或者执行事先设置好的命令。需要使用控制器给端子控制板发送命令，通过端子控制板来控制电机，使其传送相应的命令。控制器接线端子和驱动器的接线端子的接口定义如下 [ALM—驱动报警，ENABLE—驱动允许，A-、B-、C-、—编码器输入，DAC—模拟输出，DIR+—步进方向输出， PULSE—步进脉冲输出， RESET—驱动报警复位，A+、B+、C+—编码器输入。

3 机械臂控制系统软件设计

3.1 控制系统软件设计概述

采用六自由度机械臂进行分别完成取杯、接水、称重、倒水、放杯等五个动作。根据机械臂的实际动作要求，采用CPAC-Otostudio编写相应的动作指令并传递给端子板控制器，并将动作指令发送给位置编码器，端子板通过位置编码器控制各个步进电机，进而完成机械臂的相应动作。

3.2 电机运动状态检测程序设置

六自由度机械臂进行作业过程，需要经过各轴的姿态变换到达目地位置。通过六个电机驱动作为辅助，位置编码器传递相应的信号脉冲，每个电机对相应位置进行运动到位检测，并且使用到位误差带规划位置，编码器位置的误差在设定的误差带内保持设定时间。检测电机到位标志可以保证系统的定位精度，根据机械臂系统的实际情况设置合适的到位误差带和误差带保持时间可以得到电机的运动状态。轴(axis)的配置过程中规划器(profile)和编码器(encoder)的输出值可以通过axis进行当量变换之后再输出。axis相关的状态读取profile和encoder的输出值经过当量变换之后的值。

4 实验

雨水含沙量提取工具使用六自由度机械臂进行采样，分别完成取杯、接水、称重、倒水、放杯等五个过程。在实验室搭建六自由度机械臂机械本体一台，由于存在接水过程，对末端执行器的稳定性有较高要求，对速度的变化也有一定要求。加速度较大会产生的较大振动，造成洒水现象，过低的速度将不利于快速采样。

根据采样时间间隔要求是间隔5min进行一次雨水采集，选择机械臂末端执行器运动速度为1m/s。启停过程中产生的加速度的大小会出现杯中水由于振动而溢出现象。通过多次实验发现，当末端执行器启停加速度小于5m/s2时，机械臂能够稳定运行且不会有洒水现象。因此，将其速度和加速度选取在不洒水的可控范围内（速度保证在1～5m/s之间，加速度应保证在2～5m/s2之间）。

实验中，设定速度为30mm/s，加速度2mm/s2，机械臂按照下述5个步骤移动工位，完成不同任务。实验验证了基于CPAC-Otostudio和CPAC GUC-X00-TPX平台的可以满足设计要求。

Step1：机械臂取杯；Step2：机械臂接水；Step3：机械臂称重；Step4：机械臂倒水；Step5：机械臂放杯。

5 结语

本文采用CPAC-OtoBox控制器和GT2-800-ACC2-V2.0-V型号的端子控制板搭建六自由度工业机械臂控制系统对雨水含沙量的测量动作进行运动控制，利用D-H坐标系进行建模，实现了运动学的正解的计算，并规划出末端执行器的轨迹；利用CPAC-OtoBox作为控制核心，完成机械臂的软件，实现了手臂受控运动。实验表明CPAC-OtoBox控制器和CPAC GUC-X00-TPX平台设计制作六自由度机械臂，可以很好的满足雨水含沙量测量工作。