基于ARM的機械手運動控制系統(tǒng)設(shè)計

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(浙江工業(yè)大學(xué) 信息工程學(xué)院，浙江 杭州 310023)

工業(yè)機械手具有使用方便、不污染環(huán)境、動作靈活迅速、工作安全可靠、操作維修簡便以及適于在惡劣環(huán)境下工作等特點.它一方面可以減少勞動力，另一方面還可以大大提高生產(chǎn)效率，因此在工業(yè)生產(chǎn)中有著廣闊的應(yīng)用前景.工業(yè)機械手[1-3]一般由執(zhí)行系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)組成，在市場上，由PLC或嵌入式控制器設(shè)計的機械手居多，如基于PLC控制的氣動機械手系統(tǒng)[4]、基于ARM嵌入式的三維機械手遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)[5-6].PLC擁有編程容易、可靠性強、開發(fā)簡單等方面的優(yōu)勢[7-8].ARM是面向批量的、降低成本的和開發(fā)系列產(chǎn)品的，它具有運算處理能力強、與PC通訊方便、成本低、針對應(yīng)用優(yōu)化設(shè)計等方面的優(yōu)勢.這里采用STM32F103ZET6芯片來設(shè)計控制器，所設(shè)計的伺服控制系統(tǒng)可保證機械手高精度、高效率地運行.

1 機械手結(jié)構(gòu)、工作原理及運動控制系統(tǒng)

1.1 結(jié)構(gòu)及工作原理

該機械手由底座、機械手臂、手爪、伺服電機、行星減速器、光電開關(guān)及STM32控制部分組成[9].機械手共有三個自由度，動作由伺服電機驅(qū)動，STM32控制，可以完成手臂左右移動，手臂前后伸展，手臂上下移動以及抓取工件等動作.機械手能準(zhǔn)確地抓取工件，并送到指定位置.機械手機械部分如圖1所示.

圖1 機械手結(jié)構(gòu)簡圖

機械手每軸兩端都有一個光電開關(guān)，用于設(shè)定原點與限位.對于每個光電開關(guān)，在控制器中除了高低電平外，還有邊沿的變化，原點和限位可以通過這兩種變化確定.當(dāng)電源開啟時，機械手開始回原點，原點定義為：X軸的最右端，Y軸的最左端，Z軸的最下端.在機械手回原點動作時，光電開關(guān)是用來定位的，其余的時候都用作限位，確保機械手的運行安全.

1.2 運動控制系統(tǒng)

機械手控制系統(tǒng)主要由基于ARM Cortex-M3的STM32的控制板、伺服系統(tǒng)、接口板和觸摸屏組成，如圖2所示.

圖2 機械手控制系統(tǒng)

整個控制系統(tǒng)的核心是基于ARM Cortex-M3芯片的STM32的控制板，它經(jīng)由脈沖輸出端向伺服驅(qū)動器發(fā)出定量的脈沖來控制伺服電機的轉(zhuǎn)動.這里選用的STM32F103ZET6芯片[10-11]，其內(nèi)核是ARM 32位的Cortex-M3 CPU，最高工作頻率為72 MHz，擁有單周期乘法和硬件除法，處理速度快.此外，該芯片擁有8個定時器，其中2個為系統(tǒng)定時器，可以用作系統(tǒng)定時，其余的6個定時器都可以用于發(fā)送脈沖或者對外部輸入脈沖進(jìn)行計數(shù).這里所用的機械手為笛卡爾型三軸空間直角坐標(biāo)機械手，需要三個定時器發(fā)送脈沖，同時需要三個定時器接收編碼器反饋信號，所以STM32F103ZET6芯片剛好滿足要求.

伺服系統(tǒng)包含兩部分：伺服電機和伺服驅(qū)動器.伺服驅(qū)動器根據(jù)輸出端的脈沖輸出數(shù)量和頻率分別控制伺服電機的轉(zhuǎn)動圈數(shù)和轉(zhuǎn)動速度，因而能夠準(zhǔn)確地控制機械手的運行速度和距離.這里選用的是臺達(dá)ASDA-AB系列的伺服驅(qū)動器，其性價比高，操作模式有位置模式、速度模式、扭矩模式、混合模式，根據(jù)需要選定本次設(shè)計的操作模式為外部脈沖輸入位置模式.伺服電機與伺服驅(qū)動器相連，并通過一定的機械結(jié)構(gòu)(減速器和皮帶)帶動機械臂.選用ECMA系列伺服電機，Z軸垂直于地面，如果手爪抓的東西過重，在重力影響下機械手會沿Z軸緩緩下降，所以Z軸電機選用的是帶剎車的伺服電機.由于伺服電機帶有自鎖功能，考慮到成本和功能，X軸與Y軸選用普通伺服電機既能達(dá)到要求.

接口板的位置在控制板和伺服控制系統(tǒng)之間，它的作用是對控制器信號和伺服控制器信號進(jìn)行隔離.接口板自帶電源，控制板信號經(jīng)過光耦轉(zhuǎn)換成24 V信號再輸給伺服啟動器.反之，伺服驅(qū)動器信號經(jīng)過光耦轉(zhuǎn)成3.3 V信號再輸給控制板.接口板能有效地轉(zhuǎn)換信號電平，并減少控制板和伺服驅(qū)動之間的干擾.

系統(tǒng)各類參數(shù)能夠通過觸摸屏直觀的顯示出來，并且通過觸摸屏與后臺的控制系統(tǒng)進(jìn)行通信可以修改參數(shù)，為用戶提供良好的人機交互界面，簡化了對機械手現(xiàn)場的操作.這里選用迪文科技生產(chǎn)的人機界面交互模組DWIN_HMI，它自身含有電源模塊、處理器、TFT屏、存儲單元以及接口電路，內(nèi)部還包含了一整套的指令集.通過串口通信，控制板可以將數(shù)據(jù)按固定的協(xié)議格式傳到DWIN_HMI上顯示，而且用戶在DWIN_HMI上的操作能迅速地傳到控制器上進(jìn)行處理.

2 軟件設(shè)計

2.1 總體程序設(shè)計

硬件平臺構(gòu)建好后，根據(jù)機械手的基本功能要求，在其基礎(chǔ)上搭建系統(tǒng)的軟件環(huán)境進(jìn)而通過設(shè)計好的算法來控制機械手并驗證算法的效果.該程序設(shè)計中包含3個環(huán)節(jié)：初始化、示教、軌跡規(guī)劃，程序流程圖如3所示.

圖3 程序流程圖

2.1.1 初始化

初始化包括：芯片的時鐘初始化、定時器初始化、中斷初始化、編碼器初始化、觸摸屏初始化等.定時器的脈沖頻率設(shè)置公式為

(1)

其中：Fout為定時器輸出頻率；Te為時鐘預(yù)分頻系數(shù)；Td為自動重載寄存器周期值；Tk為定時器的時鐘輸入.STM32芯片的定時器時鐘輸入為72 MHz，只需要合理地選擇時鐘預(yù)分頻系數(shù)和自動重載寄存器周期值，就可以確定所要發(fā)送的脈沖頻率.

2.1.2 示 教

在人機界面中，設(shè)計了兩個界面分別用于示教[12]和軌跡規(guī)劃.系統(tǒng)啟動后，首先判斷是否示教，如果需要，那么進(jìn)入手動示教界面，如圖4所示.

圖4 手動示教界面

手動示教界面中有節(jié)點選擇和X，Y，Z三軸的運動方式選擇，其具體流程如圖3(b)所示.操作時，首先選擇節(jié)點，接著選擇X，Y，Z軸的運動方式.當(dāng)機械手運動到所需要位置，按下停止鍵，如果還有偏差，繼續(xù)移動直至滿意再按停止鍵.最后按確定鍵，此時在選中的節(jié)點右側(cè)顯示機械手在X，Y，Z三個方向上的絕對距離，同時數(shù)據(jù)保存到存儲單元.如果需要重新記錄該節(jié)點數(shù)據(jù)，即重新選中該節(jié)點，然后將機械手示教到要求位置后，按確定鍵.

2.1.3 軌跡規(guī)劃

示教結(jié)束之后就是軌跡規(guī)劃環(huán)節(jié)，其界面如圖5所示.

圖5 步驟確定

圖中運動順序中有10個方框，分別對應(yīng)右側(cè)10個步驟選擇，節(jié)點選擇中的8個節(jié)點與手動示教界面的8個節(jié)點相對應(yīng)，其具體操作流程如圖3(c)所示.在程序設(shè)計中，運動順序的形式是一個數(shù)據(jù)表，其形式見表1.

表1 數(shù)據(jù)表

軌跡規(guī)劃是對示教節(jié)點進(jìn)行操作，首先步驟選擇，然后節(jié)點選擇，最后將數(shù)據(jù)存入新數(shù)據(jù)表，其形式見表2.根據(jù)軌跡規(guī)劃得到的新數(shù)據(jù)表，表示一條軌跡，再現(xiàn)時，機械手按照運動順序設(shè)定的步驟運行.

表2 新數(shù)據(jù)表

表中節(jié)點順序表示實際機械手的運行順序，如表2所示，機械手的運動順序為1—5—3.機械手按照新數(shù)據(jù)表中的節(jié)點數(shù)據(jù)，進(jìn)行點對點運動.按表2所示，機械手先運動到節(jié)點1，然后運動到節(jié)點5，最后運動到節(jié)點3，從而再現(xiàn)預(yù)設(shè)的軌跡.

2.2 速度規(guī)劃的實現(xiàn)

在笛卡爾空間中，當(dāng)機械手的運動軌跡為多段路徑時，坐標(biāo)運動軌跡可以簡化成X，Y，Z三軸的運動合成.運動過程可以分解成若干已知坐標(biāo)點、速度極值、加速度極值等信息的運動問題.在機械手運行過程中，如何根據(jù)微小段之間的拐角大小對速度進(jìn)行加減速控制進(jìn)而保證速度平滑過渡，讓各段微小線段的平均運行速度都保持比較高的值，從而實現(xiàn)機械手高速運動同時保證運動的穩(wěn)定性，是運動控制系統(tǒng)的一個重點和難點[13]，筆者采用的是S曲線加減速的方法來解決這一問題.

S曲線加減速算法分為5段和7段[14-15]，這里采用的是5段S曲線加減速算法，其過程是由加加速、減加速、勻速、加減速、減減速這5個階段按照先后順序組成的.對單一路徑的運動進(jìn)行分析，這里S為給定運動距離，在計算中為已知量，且S=Sup+Sgv+Sdown(Sup為升速過程位移；Sgv為勻速過程位移；Sdomn為降速過程位移)，V為速度值，a為加速度值，J為加速度的變化率，其為一恒值，Vs為初始速度值，Ve為末速度值，Vmax為最大速度值.其中：加加速段時間與減加速段的時間相等，均為T1；加減速段時間和減減速段的時間相等，均為T2，勻速運動段時間為T3.

圖6 S曲線加減速

這里考慮的是點對點運動，即開始和結(jié)束都是靜止的，所以初速度Vs=0，末速度Ve=0，時間T1=T2.根據(jù)設(shè)定加速度的變化率J、速度最大值Vmax和已知的總位移S，就能計算得到T1,T2,T3.得到T1,T2,T3后，就能計算得到各個參數(shù)值.

1) 如果Sev≥0，根據(jù)勻速階段速度公式

(2)

可得

(3)

將J，Vmax和已知的Vs=0代入，求得

(4)

由于T1=T2，根據(jù)第五階段位移表達(dá)式

(5)

可得

(6)

則

(7)

2) 如果Sev<0，表明沒有勻速區(qū)，即T3為0，且速度最大值達(dá)不到Vmax，由于Sup=Sdomn，根據(jù)位移公式可知

(8)

(9)

通過以上計算可以得到T1,T2,T3，然后代入位移表達(dá)式，可以得到每個時間段結(jié)束時，機械手與起始點的相對位移S1，S2，S3，S4，S5，再依據(jù)此位移和實際編碼器反饋得到位移進(jìn)行比較確定時間段，繼而求出每個時間段的實時速度V，具體流程如圖7所示.

圖7 五段S曲線加減速的實現(xiàn)

求得實時速度V后，將其換算到脈沖頻率，在下一個時刻控制器按此頻率發(fā)送脈沖給伺服系統(tǒng)，即實現(xiàn)伺服系統(tǒng)的S曲線加減速控制.

2.3 運動控制系統(tǒng)的實現(xiàn)

2.3.1 實際長度轉(zhuǎn)脈沖數(shù)

在控制系統(tǒng)中，控制器發(fā)送脈沖給伺服驅(qū)動器，根據(jù)發(fā)送的脈沖個數(shù)來定位，而在觸摸屏上顯示的是實際長度.STM32根據(jù)實際長度計算出向伺服驅(qū)動器發(fā)送的脈沖數(shù)，具體公式為

(10)

其中：P標(biāo)為實際脈沖數(shù)；S實為實際長度；P標(biāo)為標(biāo)準(zhǔn)脈沖數(shù)；S標(biāo)為標(biāo)準(zhǔn)長度；R為電子齒輪比.標(biāo)準(zhǔn)長度指電機旋轉(zhuǎn)一周所對應(yīng)的長度，標(biāo)準(zhǔn)脈沖數(shù)指電機旋轉(zhuǎn)一周所需要的脈沖數(shù).電子齒輪比指通過更改電子齒輪比的分倍頻，來實現(xiàn)不同的脈沖當(dāng)量.例如電子齒輪比等于1時，如果電機的每周脈沖數(shù)為10 000，那么當(dāng)電子齒輪比等于0.5時，則電機每周所需的脈沖數(shù)為20 000.

2.3.2 脈沖個數(shù)與實際長度的轉(zhuǎn)換

通過觸摸屏顯示機械手運行距離，可以讓操作人員更好地了解機械手的工作狀況.其具體方法是控制器讀取編碼器反饋回來的脈沖信號，然后換算為實際長度值，并顯示在觸摸屏上.脈沖個數(shù)轉(zhuǎn)換成實際長度表示為

(11)

其中:Pb為編碼器反饋脈沖數(shù)，它的計數(shù)分為絕對計數(shù)與相對計數(shù).在本次設(shè)計中，觸摸屏上顯示的位置指的是機械手的絕對位置.

2.3.3 脈沖頻率與實際速度

由于這里的機械手是笛卡爾型機械手，機械手的實際速度可以看成X，Y，Z三個方向的速度合成.考慮單軸運行速度，它與控制器發(fā)送脈沖的頻率有關(guān)，具體公式為

(12)

其中：V為實際速度；V脈沖為脈沖發(fā)送速度，即脈沖頻率.

3 實 驗

實驗中，設(shè)定最高速度為v=188.5 mm/s，J=100 mm/s3，R=1，P標(biāo)=10 000，S標(biāo)=94.247 7 mm.首先，示教所需要的節(jié)點，如圖8所示.然后，對節(jié)點進(jìn)行軌跡規(guī)劃，為實驗方便，選擇從節(jié)點1到節(jié)點2，具體如圖9所示.

按五段S曲線加減速算法，根據(jù)控制器計算，可以直接從芯片寄存器中讀取T1,T2,T3，如表3所示.機械手按照設(shè)定從節(jié)點1運行到節(jié)點2，三軸運行的實際情況如表4所示.

圖8 節(jié)點記錄

圖9 軌跡規(guī)劃

表3 加減速臨界時間

表4 實驗結(jié)果

實驗結(jié)果表明：筆者設(shè)計的三軸機械臂軟硬件均能按照設(shè)計的要求正常運行，進(jìn)一步驗證了基于嵌入式系統(tǒng)的三軸機械臂設(shè)計的可行性.根據(jù)實驗數(shù)據(jù)可知伺服系統(tǒng)的脈沖定位精度在一個脈沖以內(nèi)，可以精確定位機械手運動位置.觸摸屏則可以直觀顯示及修改各種運動參數(shù)，通過觸摸屏可以對機械手進(jìn)行示教，簡化了現(xiàn)場操作.

4 結(jié) 論

基于ARM芯片的機械手運動控制系統(tǒng)實現(xiàn)了機械手運動的示教、軌跡規(guī)劃、速度規(guī)劃和位置控制功能.從具體的實驗中進(jìn)一步驗證了采用ARM控制板作為機械手臂的控制器可行性，且在ARM芯片作為控制器的基礎(chǔ)上可充分發(fā)揮其優(yōu)點，比如可利用ARM芯片與DWIN_HMI觸摸屏的通訊來進(jìn)行機械手的可視化的示教，通過控制器的脈沖數(shù)及脈沖頻率與電機運行的圈數(shù)和轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)換來達(dá)到機械手運動控制的目的等.采用STM32F103ZET6芯片來設(shè)計機械手的控制器，所設(shè)計的伺服控制系統(tǒng)可保證機械手高精度、高效率地運行，為ARM芯片嵌入式控制器的推廣做了理論和實驗性的論證.

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