孫捷，劉瑄，有力，劉楚，徐蓮輝
　　(華中師范大學(xué) 計算機(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；大容量存儲器可為復(fù)雜運算和大數(shù)據(jù)存儲提供方便。ARM的這些優(yōu)點為機(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)一個國家工業(yè)自動化水平的重要標(biāo)志。工業(yè)自動化中機(jī)械手發(fā)揮了相當(dāng)大的作用，生產(chǎn)中應(yīng)用機(jī)械手可以減輕勞動強(qiáng)度、保證產(chǎn)品質(zhì)量、實現(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越高，企業(yè)都迫切需要采用一些自動化設(shè)備來降低人工成本，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個自由度以下的。一般的專用機(jī)械手只有2～4個自由度，而通用機(jī)械手則多數(shù)為3～6個自由度。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)只能控制簡單的3個自由度以下的機(jī)械手；PLC控制的成本高，運算能力很差，對機(jī)械手運動軌跡控制能力差；應(yīng)用DSP控制運算能力強(qiáng)，但其外設(shè)接口沒有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個自由度的、復(fù)雜一點的機(jī)械手都需要多個DSP芯片協(xié)同才能較好地完成控制。
1機(jī)械部分設(shè)計與安裝
　　1.1 4個自由度設(shè)計［2］
　　機(jī)械抓手選用型號為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(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，并且控制運動一定的角度范圍，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)型號為86HS4580，兩相步進(jìn)，步距角1.8°,機(jī)身長度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)動器選型及機(jī)械部分總成
　　機(jī)械手有4個自由度和1個機(jī)械抓手,共使用了5個不同規(guī)格步進(jìn)電機(jī)，其中86型號的電機(jī)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(jī)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(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
　　機(jī)械手的控制核心采用功能強(qiáng)大的ARM芯片來進(jìn)行設(shè)計，芯片型號為STM32F103C8T6，引腳數(shù)48?？刂瓢褰邮丈衔粰C(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)的脈沖信號去驅(qū)動各個步進(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)動方式為步進(jìn)伺服混合驅(qū)動；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(zhuǎn)動-180°～ 180°，速度范圍在0.5°/s~50°/s；第2自由度轉(zhuǎn)動-65°～65°，速度范圍在0.5°/s~30°/s;第3自由度轉(zhuǎn)動-65°～65°，速度范圍在0.5°/s~30°/s；第4自由度轉(zhuǎn)動-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
　　3.1ARM控制板軟件的設(shè)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(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，不使用奇偶校驗位，無硬件流控制。最后還要按如下語句進(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)后獨立控制機(jī)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(chǎn)生，采用ARM芯片內(nèi)自帶的硬件定時器單元來產(chǎn)生頻率可調(diào)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(shè)定計數(shù)器自動重裝值，剛好1 ms

TIM3->PSC=psc;//預(yù)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(jìn)行計時產(chǎn)生，這種方法產(chǎn)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(chǎn)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(shè)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(fù)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(shè)定計數(shù)器自動重裝值
　　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;//使能定時器3
　　}
　　3.2機(jī)械手上位機(jī)軟件的設(shè)計
　　上位機(jī)程序主要完成機(jī)械手運動位置參數(shù)的設(shè)定［9］，并且通過串口將數(shù)據(jù)傳送給ARM開發(fā)板，在調(diào)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(biāo)，啟動后即可將數(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)行開發(fā)。
　　在進(jìn)入串行數(shù)據(jù)通信編程中，應(yīng)用CSerialPort類進(jìn)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(guān)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(jìn)行，可以中斷接收，但必須在主程序中進(jìn)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(jié)束語
　　本項目主要是利用ARM系列的CPU作為控制核心，驅(qū)動一定數(shù)量的伺服機(jī)構(gòu)來組裝一臺多個自由度的機(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，具有很好的發(fā)展前景。重復(fù)定位精度未達(dá)到預(yù)先估計的值，這與購買的電機(jī)和減速機(jī)的制造精度有關(guān)，并且步進(jìn)電機(jī)在運行過程中還可能失步，因此還有許多方面需要改進(jìn)，比如在各個電機(jī)運動控制時加裝編碼器來進(jìn)行運動角度檢測，這樣可以改進(jìn)精度方面的問題，也完全可以消除失步的問題。
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