基于ARM的多自由度機械手設計

　　孫捷，劉瑄，有力，劉楚，徐蓮輝

　　(華中師范大學 計算機學院，湖北 武漢 430070)

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

　　關鍵詞：機械手；ARM芯片；伺服電機；嵌入式；控制系統(tǒng)　　

0引言

　　機器人應用情況是展現(xiàn)一個國家工業(yè)自動化水平的重要標志。工業(yè)自動化中機械手發(fā)揮了相當大的作用，生產中應用機械手可以減輕勞動強度、保證產品質量、實現(xiàn)安全生產；尤其在高溫、高壓、易爆、有放射性或有毒性污染的場合中，機械手能代替人進行正常的工作。特別是近些年人工成本越來越高，企業(yè)都迫切需要采用一些自動化設備來降低人工成本，工業(yè)機械手在這方面有著廣闊的應用前景。

　　常用的機械手多為6個自由度以下的。一般的專用機械手只有2～4個自由度，而通用機械手則多數(shù)為3～6個自由度。目前大多數(shù)工業(yè)機械手基本上都是采用單片機、PLC或DSP等控制的，單片機只能控制簡單的3個自由度以下的機械手；PLC控制的成本高，運算能力很差，對機械手運動軌跡控制能力差；應用DSP控制運算能力強，但其外設接口沒有ARM豐富［1］，并且成本也比ARM高，一片DSP控制的機械手自由度也有限，6個自由度的、復雜一點的機械手都需要多個DSP芯片協(xié)同才能較好地完成控制。1機械部分設計與安裝　　1.1 4個自由度設計［2］

　　機械抓手選用型號為42HD2401100L，兩相4線步進電機，絲桿電機的行程為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計不同力矩大小的抓手或夾具，此部分通過加工的一個連接軸，用螺絲鎖定在型號為42BYG行星減速步進電機上，配48 mm 步進電機，減速比5.18∶1，這樣控制機械抓手在360°范圍內旋轉。也就是機械手的第一自由度控制。

　　第二自由度裝置負責將前面第一自由度的電機固定，并且控制運動一定的角度范圍，根據(jù)選用的蝸輪減速裝置結構，角度范圍為0~130°。電機為57步進電機57BYG250H，轉矩2.8 NM，步距角1.8°，機身長112 mm，蝸輪蝸桿減速機NMRV030，減速比1∶20。

　　第三自由度使用的電機型號為86HS45 80，兩相步進，步距角1.8°,機身長度78 mm，電流4 A，保持轉矩4.24 NM。配備蝸輪減速裝置RV040,減速比1∶20。

　　第四自由度主要負責平面內360°旋轉，采用與第二自由度一樣的電機，減速裝置的減速比為1∶30。該電機安裝在底座上。

　　1.2電機驅動器選型及機械部分總成

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

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

2機械手控制系統(tǒng)硬件設計

　　機械手的控制核心采用功能強大的ARM芯片來進行設計，芯片型號為STM32F103C8T6，引腳數(shù)48。控制板接收上位機的串口通信數(shù)據(jù)，并根據(jù)數(shù)據(jù)協(xié)議轉變?yōu)榭刂撇竭M電機的脈沖信號去驅動各個步進電機，控制板采用雙排針將所有GPIO全部引出，可以靈活擴展［5］。原理圖使用的是Altium Designed 10軟件進行繪制，ARM控制板CPU部分電路原理圖如圖2所示，時鐘、復位、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］。

　　機械手的具體指標參數(shù)如下：機構材料采用全金屬材料；驅動方式為步進伺服混合驅動；操作方式采用可編程單機工作/聯(lián)機工作；重復定位精度為±5 mm；最大展開半徑為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;動作范圍為第1自由度轉動-180°～ 180°，速度范圍在0.5°/s~50°/s；第2自由度轉動-65°～65°，速度范圍在0.5°/s~30°/s;第3自由度轉動-65°～65°，速度范圍在0.5°/s~30°/s；第4自由度轉動-180°～180°，速度范圍在0.5°/s~40°/s。3機械手控制系統(tǒng)軟件設計

　　3.1ARM控制板軟件的設計

　　開發(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生,主控程序流程圖如圖5所示［8］。STM32F103首先要進行初始化，主要有如下初始化內容：RCC_Configuration(void)、NVIC_Configuration(void)、GPIO_Configuration(void)、USART_Init(USART1, &USART_InitStructure)和TIM3_PWM_Init(u16 arr,u16 psc)。

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

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)后獨立控制機械手的運動，需要將數(shù)據(jù)存儲在ARM芯片的Flash存儲器中，然后再讀出、解析、執(zhí)行命令，程序流程圖如圖6所示。　　另外對于脈沖波形的產生，采用ARM芯片內自帶的硬件定時器單元來產生頻率可調的方波，定時器中斷初始化的程序如下：

　　void Timerx_Init(u16 arr,u16 psc)

　　{　　RCC->APB1ENR|=1<<1;//TIM3時鐘使能

　　TIM3->ARR=arr;//設定計數(shù)器自動重裝值，剛好1 ms

TIM3->PSC=psc;//預分頻器7200,得到10 kHz的計數(shù)時鐘　　TIM3->DIER|=1<<0;//允許更新中斷　　TIM3->DIER|=1<<6;//允許觸發(fā)中斷　　TIM3->CR1|=0x01;//使能定時器3　　MY_NVIC_Init(1,3,TIM3_IRQChannel,2);//搶占1，子優(yōu)先級3，組2　　}　　周期時間較長的方波用上述定時器中斷溢出進行計時產生，這種方法產生的延時可以很長，適用于對各種動作速度的控制。對于運動較快的也可以直接利用STM32F103中的硬件PWM單元來產生方波，這種周期時間較短，其主要控制源程序如下：　　void TIM3_PWM_Init(u16 arr,u16 psc)　　{//此部分需手動修改IO口設置　　RCC->APB1ENR|=11;//TIM3時鐘使能　　RCC->APB2ENR|=13;//使能PORTB時鐘　　GPIOB->CRL&=0XFF0FFFFF;//PB5輸出　　GPIOB->CRL|=0X00B00000;//復用功能輸出　　RCC->APB2ENR|=10;//開啟輔助時鐘　　AFIO->MAPR&=0XFFFFF3FF;//清除MAPR的［11:10］　　AFIO->MAPR|=1 11;//部分重映像,TIM3_CH2->PB5　　TIM3->ARR=arr;//設定計數(shù)器自動重裝值　　TIM3->PSC=psc;//預分頻器不分頻　　TIM3->CCMR1|=7 12;//CH2 PWM2模式　　TIM3->CCMR1|=1 11; //CH2預裝載使能

　　TIM3->CCER|=1 4;//OC2 輸出使能

　　TIM3->CR1=0x0080;//ARPE使能

　　TIM3->CR1|=0x01;//使能定時器3　　}

　　3.2機械手上位機軟件的設計

　　上位機程序主要完成機械手運動位置參數(shù)的設定［9］，并且通過串口將數(shù)據(jù)傳送給ARM開發(fā)板，在調試過程中，將運動控制分為單軸運動的控制和三軸運動的控制。單軸控制界面如圖7，三軸運動控制界面如圖8，分別輸入x、y、z三個方向的起始和終止坐標，啟動后即可將數(shù)據(jù)傳送給下位機［10］。　　

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

　　在進入串行數(shù)據(jù)通信編程中，應用CSerialPort類進行編程，對串口、波特率、數(shù)據(jù)位數(shù)、停止位、奇偶校驗位等初始化，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("打開串口");　　m_Port.ClosePort();//關閉串口　　}elseAfxMessageBox("沒有發(fā)現(xiàn)此串口");　　發(fā)送數(shù)據(jù)使用的主要語句如下：　　sendcommand=m_strSendData;　　m_Port.WriteToPort((LPCTSTR)sendcommand);//發(fā)送數(shù)據(jù)　　接收數(shù)據(jù)在CSerialPort類中進行，可以中斷接收，但必須在主程序中進行數(shù)據(jù)識別，本文在LONG CICtestDlg::OnCommunication(WPARAM ch, LPARAM port)函數(shù)中專門來解析接收到的數(shù)據(jù)。4結束語　　本項目主要是利用ARM系列的CPU作為控制核心，驅動一定數(shù)量的伺服機構來組裝一臺多個自由度的機械手裝置。與傳統(tǒng)的機械手控制系統(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，具有很好的發(fā)展前景。重復定位精度未達到預先估計的值，這與購買的電機和減速機的制造精度有關，并且步進電機在運行過程中還可能失步，因此還有許多方面需要改進，比如在各個電機運動控制時加裝編碼器來進行運動角度檢測，這樣可以改進精度方面的問題，也完全可以消除失步的問題。

　　參考文獻

　?。?］ 李新榮,曲風娟.ARM9嵌入式系統(tǒng)設計與應用［M］.北京:清華大學出版社,2011.

　?。?］ 李海標,甘鎮(zhèn)釗,楊碩.基于ARM9的機械手控制系統(tǒng)的設計［J］.測控技術,2015,34(8):82 85.

　　［3］ 耶曉東.基于單片機的簡易機械手的設計［J］.微計算機信息,2009,25(14):230 231.

　?。?］ 孫宴偉.五軸注塑機機械手示教系統(tǒng)的設計及實現(xiàn)［D］.西安:西安電子科技大學,2013.

　?。?］ 楊振聲.工業(yè)機械手控制系統(tǒng)硬件設計［D］.西安:西安電子科技大學,2014.

　　［6］ 向丹,王文濤,原健鐘,等.基于ARM嵌入式的三維機械手遠程控制系統(tǒng)設計［J］.電子與封裝,2009，9(6):21 24.

　?。?］ 楊莉,李正明,劉寶森.基于ARM9的嵌入式數(shù)控銑床控制系統(tǒng)的設計［J］.機床電氣,2008,35(2):8 11.

　?。?］ 李坤,楊家軍.5自由度焊接機械手的運動學研究［J］.機械工程師,2007(4):20 21.

　?。?］ 何洋.三軸伺服注塑機機械手上位機控制器的設計與實現(xiàn)［D］.杭州:浙江大學,2012.

　?。?0］ 李濤.伺服機械手手控器軟件設計及其實現(xiàn)［D］.西安:西安電子科技大學,2013.