孫捷，劉瑄，有力，劉楚，徐蓮輝

　　(華中師范大學(xué) 計(jì)算機(jī)學(xué)院，湖北 武漢 430070)

       摘要：機(jī)械手選用ARM芯片作為控制核心，主要是基于其運(yùn)算能力強(qiáng)，外設(shè)接口豐富，可擴(kuò)展成串行、并行、高速和低速等各種接口，也能很容易擴(kuò)展成網(wǎng)絡(luò)接口，便于機(jī)械手組網(wǎng)協(xié)同工作。特別是ARM芯片的LCD接口和存儲(chǔ)器擴(kuò)展接口能大大提高機(jī)械手的智能化程度，擴(kuò)展LCD后能提供友好的人機(jī)交互界面，便于編程、維護(hù)和故障指示；大容量存儲(chǔ)器可為復(fù)雜運(yùn)算和大數(shù)據(jù)存儲(chǔ)提供方便。ARM的這些優(yōu)點(diǎn)為機(jī)械手的高度智能化提供了最有效的保證。

　　關(guān)鍵詞：機(jī)械手；ARM芯片；伺服電機(jī)；嵌入式；控制系統(tǒng)　　

0引言

　　機(jī)器人應(yīng)用情況是展現(xiàn)一個(gè)國(guó)家工業(yè)自動(dòng)化水平的重要標(biāo)志。工業(yè)自動(dòng)化中機(jī)械手發(fā)揮了相當(dāng)大的作用，生產(chǎn)中應(yīng)用機(jī)械手可以減輕勞動(dòng)強(qiáng)度、保證產(chǎn)品質(zhì)量、實(shí)現(xiàn)安全生產(chǎn)；尤其在高溫、高壓、易爆、有放射性或有毒性污染的場(chǎng)合中，機(jī)械手能代替人進(jìn)行正常的工作。特別是近些年人工成本越來(lái)越高，企業(yè)都迫切需要采用一些自動(dòng)化設(shè)備來(lái)降低人工成本，工業(yè)機(jī)械手在這方面有著廣闊的應(yīng)用前景。

　　常用的機(jī)械手多為6個(gè)自由度以下的。一般的專(zhuān)用機(jī)械手只有2～4個(gè)自由度，而通用機(jī)械手則多數(shù)為3～6個(gè)自由度。目前大多數(shù)工業(yè)機(jī)械手基本上都是采用單片機(jī)、PLC或DSP等控制的，單片機(jī)只能控制簡(jiǎn)單的3個(gè)自由度以下的機(jī)械手；PLC控制的成本高，運(yùn)算能力很差，對(duì)機(jī)械手運(yùn)動(dòng)軌跡控制能力差；應(yīng)用DSP控制運(yùn)算能力強(qiáng)，但其外設(shè)接口沒(méi)有ARM豐富［1］，并且成本也比ARM高，一片DSP控制的機(jī)械手自由度也有限，6個(gè)自由度的、復(fù)雜一點(diǎn)的機(jī)械手都需要多個(gè)DSP芯片協(xié)同才能較好地完成控制。1機(jī)械部分設(shè)計(jì)與安裝　　1.1 4個(gè)自由度設(shè)計(jì)［2］

　　機(jī)械抓手選用型號(hào)為42HD2401100L，兩相4線步進(jìn)電機(jī)，絲桿電機(jī)的行程為100 mm，步距角為1.8°，電流1.5 A N1504。利用其不同的行程可以設(shè)計(jì)不同力矩大小的抓手或夾具，此部分通過(guò)加工的一個(gè)連接軸，用螺絲鎖定在型號(hào)為42BYG行星減速步進(jìn)電機(jī)上，配48 mm 步進(jìn)電機(jī)，減速比5.18∶1，這樣控制機(jī)械抓手在360°范圍內(nèi)旋轉(zhuǎn)。也就是機(jī)械手的第一自由度控制。

　　第二自由度裝置負(fù)責(zé)將前面第一自由度的電機(jī)固定，并且控制運(yùn)動(dòng)一定的角度范圍，根據(jù)選用的蝸輪減速裝置結(jié)構(gòu)，角度范圍為0~130°。電機(jī)為57步進(jìn)電機(jī)57BYG250H，轉(zhuǎn)矩2.8 NM，步距角1.8°，機(jī)身長(zhǎng)112 mm，蝸輪蝸桿減速機(jī)NMRV030，減速比1∶20。

　　第三自由度使用的電機(jī)型號(hào)為86HS45 80，兩相步進(jìn)，步距角1.8°,機(jī)身長(zhǎng)度78 mm，電流4 A，保持轉(zhuǎn)矩4.24 NM。配備蝸輪減速裝置RV040,減速比1∶20。

　　第四自由度主要負(fù)責(zé)平面內(nèi)360°旋轉(zhuǎn)，采用與第二自由度一樣的電機(jī)，減速裝置的減速比為1∶30。該電機(jī)安裝在底座上。

　　1.2電機(jī)驅(qū)動(dòng)器選型及機(jī)械部分總成

　　機(jī)械手有4個(gè)自由度和1個(gè)機(jī)械抓手,共使用了5個(gè)不同規(guī)格步進(jìn)電機(jī)，其中86型號(hào)的電機(jī)使用的是F-MD860，其他的都使用DM542型，配備了兩個(gè)24 V功率為250 W的電源分別供電［3］。

所有機(jī)械部分安裝完成后的實(shí)物圖如圖1所示，底座采用鍍鋅方管焊接成100 mm×100 mm的雙層鐵架構(gòu)成，最下面的電機(jī)用角鐵固定，全部用自噴漆噴涂一遍用于防銹，將導(dǎo)線用伸縮塑膠管封固定，以防導(dǎo)線纏繞或損壞［4］。　　

2機(jī)械手控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

　　機(jī)械手的控制核心采用功能強(qiáng)大的ARM芯片來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)，芯片型號(hào)為STM32F103C8T6，引腳數(shù)48。控制板接收上位機(jī)的串口通信數(shù)據(jù)，并根據(jù)數(shù)據(jù)協(xié)議轉(zhuǎn)變?yōu)榭刂撇竭M(jìn)電機(jī)的脈沖信號(hào)去驅(qū)動(dòng)各個(gè)步進(jìn)電機(jī)，控制板采用雙排針將所有GPIO全部引出，可以靈活擴(kuò)展［5］。原理圖使用的是Altium Designed 10軟件進(jìn)行繪制，ARM控制板CPU部分電路原理圖如圖2所示，時(shí)鐘、復(fù)位、電源電路原理圖如圖3所示，串口與JTAG電路原理圖如圖4所示［67］。

　　機(jī)械手的具體指標(biāo)參數(shù)如下：機(jī)構(gòu)材料采用全金屬材料；驅(qū)動(dòng)方式為步進(jìn)伺服混合驅(qū)動(dòng)；操作方式采用可編程單機(jī)工作/聯(lián)機(jī)工作；重復(fù)定位精度為±5 mm；最大展開(kāi)半徑為600 mm；高度為1 000 mm；本體重量≤50 kg;電源為單相220 V;最大功率<200 W;動(dòng)作范圍為第1自由度轉(zhuǎn)動(dòng)-180°～ 180°，速度范圍在0.5°/s~50°/s；第2自由度轉(zhuǎn)動(dòng)-65°～65°，速度范圍在0.5°/s~30°/s;第3自由度轉(zhuǎn)動(dòng)-65°～65°，速度范圍在0.5°/s~30°/s；第4自由度轉(zhuǎn)動(dòng)-180°～180°，速度范圍在0.5°/s~40°/s。3機(jī)械手控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　3.1ARM控制板軟件的設(shè)計(jì)

　　開(kāi)發(fā)環(huán)境使用的是Keil uVision3 + MDK3.50，ARM控制板上的程序主要包括串口通信的控制和脈沖波形的產(chǎn)生,主控程序流程圖如圖5所示［8］。STM32F103首先要進(jìn)行初始化，主要有如下初始化內(nèi)容：RCC_Configuration(void)、NVIC_Configuration(void)、GPIO_Configuration(void)、USART_Init(USART1, &USART_InitStructure)和TIM3_PWM_Init(u16 arr,u16 psc)。

　　串行通信先要設(shè)置GPIO引腳，串口設(shè)置波特率為9 600 b/s，8 bit數(shù)據(jù)，2 bit停止位，不使用奇偶校驗(yàn)位，無(wú)硬件流控制。最后還要按如下語(yǔ)句進(jìn)行串口接收中斷初始化設(shè)置：　　

NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = USART1_IRQChannel;　　

NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 0;　　

NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 0;　　

NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE;　　

NVIC_Init(&NVIC_InitStructure)。

　　為了保證ARM控制板能在接收命令參數(shù)后獨(dú)立控制機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)，需要將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在ARM芯片的Flash存儲(chǔ)器中，然后再讀出、解析、執(zhí)行命令，程序流程圖如圖6所示。　　另外對(duì)于脈沖波形的產(chǎn)生，采用ARM芯片內(nèi)自帶的硬件定時(shí)器單元來(lái)產(chǎn)生頻率可調(diào)的方波，定時(shí)器中斷初始化的程序如下：

　　void Timerx_Init(u16 arr,u16 psc)

　　{　　RCC->APB1ENR|=1<<1;//TIM3時(shí)鐘使能

　　TIM3->ARR=arr;//設(shè)定計(jì)數(shù)器自動(dòng)重裝值，剛好1 ms

TIM3->PSC=psc;//預(yù)分頻器7200,得到10 kHz的計(jì)數(shù)時(shí)鐘　　TIM3->DIER|=1<<0;//允許更新中斷　　TIM3->DIER|=1<<6;//允許觸發(fā)中斷　　TIM3->CR1|=0x01;//使能定時(shí)器3　　MY_NVIC_Init(1,3,TIM3_IRQChannel,2);//搶占1，子優(yōu)先級(jí)3，組2　　}　　周期時(shí)間較長(zhǎng)的方波用上述定時(shí)器中斷溢出進(jìn)行計(jì)時(shí)產(chǎn)生，這種方法產(chǎn)生的延時(shí)可以很長(zhǎng)，適用于對(duì)各種動(dòng)作速度的控制。對(duì)于運(yùn)動(dòng)較快的也可以直接利用STM32F103中的硬件PWM單元來(lái)產(chǎn)生方波，這種周期時(shí)間較短，其主要控制源程序如下：　　void TIM3_PWM_Init(u16 arr,u16 psc)　　{//此部分需手動(dòng)修改IO口設(shè)置　　RCC->APB1ENR|=11;//TIM3時(shí)鐘使能　　RCC->APB2ENR|=13;//使能PORTB時(shí)鐘　　GPIOB->CRL&=0XFF0FFFFF;//PB5輸出　　GPIOB->CRL|=0X00B00000;//復(fù)用功能輸出　　RCC->APB2ENR|=10;//開(kāi)啟輔助時(shí)鐘　　AFIO->MAPR&=0XFFFFF3FF;//清除MAPR的［11:10］　　AFIO->MAPR|=1 11;//部分重映像,TIM3_CH2->PB5　　TIM3->ARR=arr;//設(shè)定計(jì)數(shù)器自動(dòng)重裝值　　TIM3->PSC=psc;//預(yù)分頻器不分頻　　TIM3->CCMR1|=7 12;//CH2 PWM2模式　　TIM3->CCMR1|=1 11; //CH2預(yù)裝載使能

　　TIM3->CCER|=1 4;//OC2 輸出使能

　　TIM3->CR1=0x0080;//ARPE使能

　　TIM3->CR1|=0x01;//使能定時(shí)器3　　}

　　3.2機(jī)械手上位機(jī)軟件的設(shè)計(jì)

　　上位機(jī)程序主要完成機(jī)械手運(yùn)動(dòng)位置參數(shù)的設(shè)定［9］，并且通過(guò)串口將數(shù)據(jù)傳送給ARM開(kāi)發(fā)板，在調(diào)試過(guò)程中，將運(yùn)動(dòng)控制分為單軸運(yùn)動(dòng)的控制和三軸運(yùn)動(dòng)的控制。單軸控制界面如圖7，三軸運(yùn)動(dòng)控制界面如圖8，分別輸入x、y、z三個(gè)方向的起始和終止坐標(biāo)，啟動(dòng)后即可將數(shù)據(jù)傳送給下位機(jī)［10］。　　

　　在界面上還有串口通信數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)窗口，主要顯示發(fā)出的命令和收到的數(shù)據(jù)是否正常，這樣能方便進(jìn)行開(kāi)發(fā)。

　　在進(jìn)入串行數(shù)據(jù)通信編程中，應(yīng)用CSerialPort類(lèi)進(jìn)行編程，對(duì)串口、波特率、數(shù)據(jù)位數(shù)、停止位、奇偶校驗(yàn)位等初始化，使用的主要函數(shù)為InitPort()，如下所示：　　if(m_Port.InitPort(this,m_nCom,m_nBaud,m_cParity,m_nDatabits,m_nStopbits,m_dwCommEvents,512)){　　m_Port.StartMonitoring();　　m_CtrlOpenPort.SetWindowText("打開(kāi)串口");　　m_Port.ClosePort();//關(guān)閉串口　　}elseAfxMessageBox("沒(méi)有發(fā)現(xiàn)此串口");　　發(fā)送數(shù)據(jù)使用的主要語(yǔ)句如下：　　sendcommand=m_strSendData;　　m_Port.WriteToPort((LPCTSTR)sendcommand);//發(fā)送數(shù)據(jù)　　接收數(shù)據(jù)在CSerialPort類(lèi)中進(jìn)行，可以中斷接收，但必須在主程序中進(jìn)行數(shù)據(jù)識(shí)別，本文在LONG CICtestDlg::OnCommunication(WPARAM ch, LPARAM port)函數(shù)中專(zhuān)門(mén)來(lái)解析接收到的數(shù)據(jù)。4結(jié)束語(yǔ)　　本項(xiàng)目主要是利用ARM系列的CPU作為控制核心，驅(qū)動(dòng)一定數(shù)量的伺服機(jī)構(gòu)來(lái)組裝一臺(tái)多個(gè)自由度的機(jī)械手裝置。與傳統(tǒng)的機(jī)械手控制系統(tǒng)相比，本系統(tǒng)具有體積小、功耗低、性能髙、成本低等優(yōu)點(diǎn)，具有很好的發(fā)展前景。重復(fù)定位精度未達(dá)到預(yù)先估計(jì)的值，這與購(gòu)買(mǎi)的電機(jī)和減速機(jī)的制造精度有關(guān)，并且步進(jìn)電機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中還可能失步，因此還有許多方面需要改進(jìn)，比如在各個(gè)電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制時(shí)加裝編碼器來(lái)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)角度檢測(cè)，這樣可以改進(jìn)精度方面的問(wèn)題，也完全可以消除失步的問(wèn)題。

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