液压机械臂闭环控制系统设计研究

【摘要】本文设计以52 单片机为核心的闭环控制系统，以解决多关节液压臂开度低的问题，通过上位机的图形接口输入控制数据。控制数据通过链路传送到中央单元，操纵器的运动由电磁阀控制，利用微处理器实时采集各连接点的运动角度，进行反馈控制，减小机械手的运动误差形成闭环控制系统。

【关键词】液压机械臂；52 单片机；光电编码器；图形界面

随着机器人技术的飞速发展，机器人手臂取代了人类的重复劳动，大大提高了工业生产的自动化程度，保证了工业生产的广泛普及。焊接机械手的操作可分为发动机、气缸和液压。发动机控制器的优点是发动机转速稳定可调，从而提高了控制精度；其缺点是起点小，不能运输重物。气缸歧管的优点是反应速度快，装配方便，成本低；缺点是受气压限制，承载能力低。液压机械臂的优点是结构坚固，握力大，效果稳定；缺点是运动阻力大，生产精度要求高，对液压缸密封的要求高。

1 整体方案设计

系统整体结构如图1 所示。液压臂闭环控制系统可分为4 个模块，即检测模块、单片机控制模块、六臂铰接驱动模块和上位机接口模块[1]。操作手柄由六个液压缸驱动，由单片机控制。传感器对运动数据进行采集，并承担对复位工作，六自由度的设计思想是：在上位机图形界面输入目标参数，通过串口向单片机传输。基于目标参数，控制器控制每个连接电磁阀的相应运动机械臂。光电编码器会实时的将所采集到的机械臂运动角度信息发送给控制器。通过详细的计算，控制各个关节的旋转，形成一个闭合的控制系统。

2 硬件电路设计

2.1 单片机系统

单片机是整个闭环控制系统的核心，它由52 个单片机、电源、循环和复位电路组成。选用STC89C52 为控制芯片，与xtal1 和xtal2 端口相连，与第一端口相连复位电路[2]。将电阻拉入P0 端口后，连接LCD1602 液晶屏。此外，在单片机系统中增加了按键电路、液压驱动电路以及数据采集电路，如图2 所示。

2.2 机械臂驱动

所设计的机械臂为液压关节机械臂，其三维模型如图3 所示。传动导轨采用6 个活动液压缸（J1 ），腰部关节（J2 ），肩关节（J3 ，J4 ）和腕关节（J5 ，J6 ），机械臂的每一个关节都由一个泵站通过液压多路阀进行驱动[3]。液压多路阀的基本构成结构为一个阀块，6 个电磁阀，阀块设置在液压缸的两个油孔上，用电磁阀控制管路向特定方向旋转。单片机从0 到5V启动电平并作为开关继电器控制电磁阀的电源。

2.3 传感器

在编码器的应用中，有两种形式，即增量式和绝对式，增量式编码器的应用重点在于将波角度向相应的脉冲数进行转换，而角位移测量则是脉冲数的计数。对某一角度的测量是精确的，但对超出此范围的旋转次数有累积偏差；绝对式对机械臂运动数据的测量是在输出波位置的对应编码基础上进行的，这样就不必计算中间的运动数据，它只要对机械臂的起始点和结束点进行明确之后，就没有累积误差，但在机械臂小角度测量上，精准度不佳。选用光电编码器b-zsp3806gc，通过齿轮同步输出波形。该传感器共有ABC三个输出端口，当波形产生变化时，A端口和B端口与之一起变化，并产生两个脉冲波，相位差为90 级。它是A相脉冲90 的“组合”，光电编码器位于B相脉冲前面，或反向旋转。将转子的旋转方向与外脉冲的相位差进行比较，从而确定转子的旋转方向。

3 软件设计

3.1 机械臂控制程序设计

在控制程序上必须对上位机的参数和实测数据进行考虑，因为液压机械臂的控制精度较低，机械臂的调试控制可归结为水力转筒控制。针对液压缸实际转角与给定角度之间存在一定误差，通过对机械臂各关节的控制，不仅产生了指令，而且还产生了中断，通过传感器输入的运动数据的比较和误差补偿，实现了上位机动作。操作程序启动后，系统进行初始化。操纵器保持在原位，等待上位机收到发送的控制命令后，才能从上位机收到命令或键盘操作。若命令信号通过串行连接送至控制器，则操纵器开始移动。在旋转液压缸上安装着的光电编码器能够对机械臂角度变化进行实时测量，同时还能自主返回控制器，当机械臂的反馈角达到主机输入的数值之后，控制器的命令就会就此终止。在机械臂的控制中出现液压缸惯性增大的原因是因为给定角度和制动后的实际角度存在一定偏差。如果在指定的限制内进行控制，控制器将根据误差调整规则的数值，并将误差连接到允许误差移动的程度。实时监测机械手的动态状态对整个输入系统的闭环控制非常重要。控制系统利用外部中断计算信号线中的脉冲数，并根据当时的B信号电平确定液压缸的旋转方向中断。若动力较大，则油缸向前转动，否则反向。

3.2 按键操作和LCD显示子程序

除主机的输入控制外，系统还增加了键盘控制和LCD显示功能。将独立键盘电路与74i/O端口进行连接，使其与S1 、S2 、S3 、S4 的按键与四个标识相对应。其中S1 代表电路总开关，S2 表示要控制的接头，S3 和S4 表示对机械臂的行动方向的控制，而LCD屏幕则是用来显示机械臂的遥控区域。在按下S1 键后，单片机系统的初始化功能开始工作，上位机中输入的数据和传感器反馈的数据开始清零，在这一基础上机械臂也会停止操作，转换成人工控制模式。所选的控制对象为标准底座（J1 ），LCD显示界面会将设备编码以及传感器的检测角度显示出来。若要控制操作手柄的其它部分，可按S2 键选择接头。操作者可以利用S3/S4 键，根据液晶屏上显示的传感器的反馈角度，控制所选关节的向前旋转，完成简单的机械臂动作。可与主机接口进行协同控制，提高整个系统的响应速度和精度。

4 上位机界面设计和通信

在上位机界面的设计中，对于用户界面的设计主要采用MATLAB平台进行创建，以便于实现对相关部件的远程控制，降低机械臂的实际操作难度。然后在基于MATLAB的基础上，利用控制设备访问串口设备，以此来连接下位机，使其通信功能能够正常运行。此外，使用者还可以在所建立的图形界面上对操纵器的运作状态与驱动状态进行有效控制。在GUI中，GUI分为数据输入栏，状态栏和默认栏。该控制器通过10 位异步串行通信与上位机进行实时通讯。所传送的10 位资料包括开始、停止及8 位资料。交流过程变成了单独的ck。传感器采集的信息被存储在16 位数据中，数据被分成两组，依次发送。

5 结束语

硬件和软件相结合，采用单片机接口电路，实现上行链路与控制器的远程通讯，完成数据采集、处理、传输和显示。通过先进的机械接口，设计了闭环控制系统芯片，实现了液压臂状态的远程控制和实时监测。本发明的操作键盘与智能控制相结合，相较于传统开环控制方式，其稳定性和系统精度得到了有效提升。并使其功能更加完善，为进一步实现实时控制奠定了基础，如视频监控、图像识别、三维建模等。

[1]何谦.数字阀控重载机械臂液压同步举升系统设计与仿真[J].轻工科技，2014(1):36-37.

[2]杨永江.基于PLC的液压机械臂控制技术研究[J].科技视界，2020(19):113-115.

[3]赵悦.液压机械臂控制系统的改进研究[J].工业仪表与自动化装置，2020(1):33-37.55