之前，我們分享了MCC800P的應(yīng)用案例《解決方案|AOI自動(dòng)光學(xué)檢測(cè)設(shè)備應(yīng)用》，其中就涉及到scara機(jī)械手執(zhí)行結(jié)構(gòu)。
為什么要選用這類系統(tǒng)方案？如何實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)控制？
這次，我們從運(yùn)動(dòng)學(xué)算法角度，解析MCC800P控制卡與關(guān)節(jié)型機(jī)械手的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)、控制原理和操作方法。希望對(duì)你有所幫助！
1.
【簡(jiǎn)易機(jī)械手的應(yīng)用前景】
[Application prospect of simplemanipulator]
人口紅利消失、人力成本提高，促使工業(yè)領(lǐng)域內(nèi)部對(duì)自動(dòng)化需求越來(lái)越大?！鞍踩a(chǎn)”激勵(lì)約束政策、“智能制造”扶持政策，從外部強(qiáng)力推動(dòng)工業(yè)生產(chǎn)模式變革。
一些操作簡(jiǎn)單、重復(fù)度高、危險(xiǎn)系數(shù)大的工作場(chǎng)合，用“機(jī)器”替換“人力”已經(jīng)成為必然趨勢(shì)。
比如典型的上下料工作，現(xiàn)已逐步被機(jī)械手等自動(dòng)化部件代替。
多關(guān)節(jié)機(jī)械手是一種仿“人手”執(zhí)行機(jī)構(gòu)，它的應(yīng)用有效促進(jìn)了生產(chǎn)力發(fā)展。近年來(lái)，視覺(jué)伺服機(jī)械手系統(tǒng)、協(xié)作型機(jī)械手系統(tǒng)等高級(jí)系統(tǒng)發(fā)展迅猛，是很多企業(yè)的理想生產(chǎn)工具。
然而，作為機(jī)械手系統(tǒng)核心部件的專用控制器，價(jià)格始終居高不下，在一些成本敏感的行業(yè)，不少企業(yè)陷入“想用又不敢用”的窘境，亟需一些經(jīng)濟(jì)型方案降低投產(chǎn)成本。
這也是設(shè)計(jì)本套系統(tǒng)的初衷！
2.
【控制原理概述】
Overview of Control Principle
基于MCC800P開(kāi)放性的特性，在一些對(duì)路徑軌跡，精度要求不高的簡(jiǎn)單應(yīng)用場(chǎng)合，可以由上位機(jī)進(jìn)行軌跡規(guī)劃，然后通過(guò)調(diào)用點(diǎn)位或插補(bǔ)指令，使控制卡輸出控制指令，進(jìn)而使執(zhí)行部件運(yùn)行到目標(biāo)位置。
3.
【運(yùn)動(dòng)學(xué)算法】
[Kinematic algorithm]
3.1 什么是運(yùn)動(dòng)學(xué)算法？
運(yùn)動(dòng)學(xué)算法是實(shí)際電機(jī)位置與指尖位置的關(guān)系式。
運(yùn)動(dòng)學(xué)算法分為正運(yùn)動(dòng)學(xué)算法和逆運(yùn)動(dòng)學(xué)算法兩類，其中正運(yùn)動(dòng)學(xué)算法（正解）以電機(jī)位置作為輸入計(jì)算出指尖位置，逆運(yùn)動(dòng)學(xué)算法（逆解）以指尖位置作為輸入計(jì)算出各電機(jī)位置。如圖3-1所示
研控MCC800P運(yùn)動(dòng)控制卡
圖 3-1
用戶可以根據(jù)期望的指尖運(yùn)動(dòng)目標(biāo)位置和當(dāng)前位置，通過(guò)逆運(yùn)動(dòng)學(xué)算法計(jì)算出實(shí)際電機(jī)的運(yùn)動(dòng)軌跡。
3.2 運(yùn)動(dòng)學(xué)算法設(shè)置
1. 線性定義方式：#n->kx：
#n表示第n號(hào)電機(jī)，x表示指尖位置，kx表示電機(jī)位置，電機(jī)位置與指尖位置僅是線性關(guān)系,它們雖然也包含正逆運(yùn)動(dòng)算法，但算法僅僅是：
逆運(yùn)動(dòng)學(xué)等式：#1（電機(jī)位置）=1000X（指尖坐標(biāo)），
正運(yùn)動(dòng)學(xué)等式：X（指尖橫坐標(biāo)）=（1/1000）#n（電機(jī)位置）
如果電機(jī)位置與指尖位置之間的關(guān)系，并非簡(jiǎn)單的線性關(guān)系,就不能使用這樣的定義方式。
2. 非線性定義方式：#n->I：
非線性的軸定義需在上位機(jī)加入正逆解子程序，來(lái)指定電機(jī)位置與指尖位置的關(guān)系。使用正逆運(yùn)動(dòng)學(xué)算法之后，計(jì)算出各電機(jī)的實(shí)際輸出，然后按照和點(diǎn)位運(yùn)動(dòng)相同的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃方式來(lái)規(guī)劃運(yùn)動(dòng)軌跡。
在執(zhí)行運(yùn)動(dòng)程序之前，應(yīng)先執(zhí)行正運(yùn)動(dòng)學(xué)程序，根據(jù)當(dāng)前電機(jī)位置確定指尖的初始位置，然后對(duì)指尖目標(biāo)位置運(yùn)行逆運(yùn)動(dòng)學(xué)程序計(jì)算出各電機(jī)的目標(biāo)位置。
3.3 運(yùn)動(dòng)學(xué)公式推導(dǎo)
此處以一個(gè)2軸scara機(jī)械手（圖3-2）為例進(jìn)行正逆解公式推導(dǎo)。
圖3-2
指尖以 X/Y 為橫/縱坐標(biāo) A 和 B 為關(guān)節(jié)角度,即實(shí)際電機(jī)位置，L1=20cm，L2=15cm。
正解算法：用A，B表示X，Y
逆解算法：用X，Y表示A，B
3.4 操作方法及步驟
采用MCC800P控制scara機(jī)械手，如上圖3-2，可依次采用以下步驟：
l假定A=0, B=0位置為原點(diǎn)位置，開(kāi)機(jī)后，兩個(gè)軸各自回到原點(diǎn)。
l已知當(dāng)前各電機(jī)的實(shí)際位置，此時(shí)可以用正解算法計(jì)算出指尖的位置（L1+L2,0）。
l若下一指尖位置為（m，n），則可以根據(jù)逆運(yùn)動(dòng)學(xué)算法計(jì)算出角A,B的實(shí)際大小，然后速度規(guī)劃后調(diào)用MCC800P點(diǎn)位運(yùn)動(dòng)函數(shù)運(yùn)行到目標(biāo)位置。
重復(fù)執(zhí)行以上步驟即可達(dá)到scara的定位目的。
4.方法的不足
本方法適用于對(duì)指尖軌跡無(wú)明確要求的應(yīng)用場(chǎng)合，若對(duì)指尖軌跡有嚴(yán)格要求，可使用帶有速度前瞻功能的MCC800S運(yùn)動(dòng)控制卡。
附
【MCC800P控制卡簡(jiǎn)介】
[About MCC800P]
MCC800P由研控科技獨(dú)立研發(fā)，是一款基于PCI總線的運(yùn)動(dòng)控制卡，用于控制步進(jìn)電機(jī)和伺服系統(tǒng)。
通過(guò)ARM和FPGA進(jìn)行運(yùn)動(dòng)規(guī)劃，可同時(shí)控制1-8軸伺服或步進(jìn)電機(jī)，檢測(cè)8路數(shù)字編碼器輸入信號(hào)。支持直線、圓弧插補(bǔ)，支持梯形、S形加減速的點(diǎn)位運(yùn)動(dòng)控制，以及運(yùn)動(dòng)中變速、變位置功能。
位置指令可用單路脈沖（脈沖+方向）或雙路脈沖（CW+CCW）方式輸出；最高脈沖頻率可達(dá)4Mhz，脈沖可以是差分式或單端方式輸出。
MCC800P配套端子板支持多路通用I/O，支持高速位置鎖存、高速位置比較輸出，外部總線I/O擴(kuò)展，能滿足用戶的各種控制要求。
產(chǎn)品配套Windows XP及以上版本的動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)，開(kāi)放性強(qiáng)，方便用戶編寫(xiě)自己的應(yīng)用軟件。同時(shí)提供Motion調(diào)試軟件，用于演示此卡功能、測(cè)試運(yùn)動(dòng)控制卡、電機(jī)及驅(qū)動(dòng)、運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的工作狀況等。
