基于STM32的協(xié)作機(jī)器人機(jī)械臂控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李以聰++戴福全++肖明偉++陳劍枰++陳志偉++吳國(guó)安

文章編號(hào)：2095-6835（2017）10-0027-02

摘 要：目前，針對(duì)協(xié)作機(jī)器人的柔順控制、零力控制問(wèn)題，提出了一種基于以ST公司的STM32為微控制器的協(xié)作機(jī)器人機(jī)械臂控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用數(shù)字PID閉環(huán)算法改善機(jī)械臂的柔順運(yùn)動(dòng)，增強(qiáng)其穩(wěn)定、可靠性能，并加上力矩傳感器或電流檢測(cè)電路感知外界的力矩變換情況，補(bǔ)償機(jī)械臂的自重，實(shí)現(xiàn)零力控制，為機(jī)器人的快速示教奠定基礎(chǔ)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，將STM32系列微控制器作為主控制器具有可行性，可以應(yīng)用于協(xié)作機(jī)器人的機(jī)械臂控制系統(tǒng)中，且具有廣闊的應(yīng)用前景，并最終將其運(yùn)用于實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)加工中。

關(guān)鍵詞：機(jī)械臂；協(xié)作機(jī)器人；PID；STM32

中圖分類(lèi)號(hào)：TP242 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2017.10.027

一直以來(lái)，控制器都是機(jī)器人控制系統(tǒng)的核心，但是，國(guó)外相關(guān)產(chǎn)業(yè)公司對(duì)我國(guó)實(shí)行嚴(yán)厲的保密措施。隨著微處理器行業(yè)的快速發(fā)展，市面上陸續(xù)出現(xiàn)了高性能、高性?xún)r(jià)比的32位微處理器，它們的性能能夠滿(mǎn)足機(jī)械臂對(duì)控制器的運(yùn)算需求。針對(duì)目前協(xié)作機(jī)器人控制系統(tǒng)資源匱乏，價(jià)格昂貴且工作不穩(wěn)定等問(wèn)題，提出了一種改進(jìn)設(shè)計(jì)，以滿(mǎn)足中小企業(yè)對(duì)機(jī)械臂的控制需求。在設(shè)計(jì)該控制系統(tǒng)時(shí)，首先提出了電機(jī)的硬件驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)方案。主控芯片采用一種抗干擾能力比較強(qiáng)、運(yùn)算速度快、價(jià)格合理的STM32微控制器，相比現(xiàn)在廣泛使用的電機(jī)控制的DSP，STM32成本比較低，自帶能產(chǎn)生電機(jī)控制所必須的PWM輸出的TIM，且外圍電路較為簡(jiǎn)單，適用于機(jī)械臂的電機(jī)控制。接著分析機(jī)械臂電機(jī)伺服控制所需要的PID位置環(huán)算法，最后通過(guò)實(shí)物樣機(jī)試驗(yàn)機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)柔順度，通過(guò)Matlab進(jìn)行電機(jī)旋轉(zhuǎn)位置的數(shù)據(jù)擬合，得出響應(yīng)曲線(xiàn)，并最終證實(shí)了該設(shè)計(jì)方案的可行性。

1 硬件驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

機(jī)械臂的電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路是整個(gè)研究的基礎(chǔ)，具有良好的啟動(dòng)和調(diào)速性能，而其穩(wěn)定控制也成了重要的研究對(duì)象。

1.1 電機(jī)的選型

本文研究選用的是直流有刷電機(jī)。與無(wú)刷直流電機(jī)相比，有刷電機(jī)具有更好的啟動(dòng)和調(diào)速性能以及控制簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉等特性，常被應(yīng)用于對(duì)啟動(dòng)和調(diào)速有較高要求的場(chǎng)合，例如精密機(jī)床和工業(yè)機(jī)器人裝配等場(chǎng)合。

1.2 電機(jī)位置傳感器的選用

編碼器有增量型編碼器和絕對(duì)型編碼器2種。增量型編碼器是測(cè)量以前一個(gè)時(shí)刻為基點(diǎn)測(cè)角的位移增量，它測(cè)量的小角度準(zhǔn)，測(cè)量的大角度則有誤差累計(jì)；絕對(duì)型編碼器是測(cè)量從開(kāi)始工作后的角位移量，它測(cè)量小角度不準(zhǔn)，但是，測(cè)量的大角度沒(méi)有累計(jì)誤差。因?yàn)闄C(jī)械臂轉(zhuǎn)動(dòng)角度不大，所以，取舍后采用增量型編碼器，以減少小角度的測(cè)量誤差。

1.3 電機(jī)控制電路設(shè)計(jì)

電機(jī)驅(qū)動(dòng)采用的是H橋電路，選用4個(gè)常見(jiàn)的功率開(kāi)關(guān)器件MOSFET作為H橋中的4條腿，電機(jī)為H中的橫桿。另外，采用2塊IR2106S作為自舉電路的驅(qū)動(dòng)芯片，提供對(duì)2對(duì)上下橋臂的開(kāi)斷控制。由于單片機(jī)輸出的PWM信號(hào)功率不足以驅(qū)動(dòng)IR2106S，因此，需配合芯片74ACT244的驅(qū)動(dòng)增強(qiáng)電路，將單片機(jī)輸出信號(hào)驅(qū)動(dòng)增強(qiáng)再后引入IR2106S的輸入端。驅(qū)動(dòng)電路如圖1所示。

2 系統(tǒng)軟件算法設(shè)計(jì)

如果硬件作為控制的基礎(chǔ)，那么，軟件算法則為控制的核心，控制著機(jī)械臂控制系統(tǒng)的中樞神經(jīng)。機(jī)械臂控制主要包括以下3點(diǎn)：①實(shí)時(shí)性。在控制機(jī)械臂時(shí)，要想實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制，就需要確保機(jī)械臂數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性。只有確保設(shè)備的整體實(shí)時(shí)性，才能確保機(jī)械臂不會(huì)出現(xiàn)死區(qū)等故障。②穩(wěn)定性。穩(wěn)定性是判定一個(gè)檢驗(yàn)程序的重要指標(biāo)，為了提高其穩(wěn)定性，在設(shè)計(jì)程序的過(guò)程中，需要考慮運(yùn)行時(shí)可能出現(xiàn)的不正常問(wèn)題，并加以解決。③可再開(kāi)發(fā)性。好的程序軟件不是一次就可以設(shè)計(jì)調(diào)試完成的，需經(jīng)過(guò)多次修改后才能達(dá)到系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。所以，在開(kāi)發(fā)過(guò)程中，要規(guī)范程序設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，以便多次調(diào)試。

系統(tǒng)軟件主要由主程序和中斷子程序構(gòu)成，如圖2所示。為了控制機(jī)械臂電機(jī)和檢測(cè)電機(jī)的實(shí)時(shí)位置，主程序主要完成系統(tǒng)初始化和電機(jī)控制參數(shù)初始化，包括配置必要的TIM1的互補(bǔ)PWM輸出和TIM3的電機(jī)編碼器捕獲模式等。中斷服務(wù)子程序主要采用了2個(gè)中斷，即接受電機(jī)控制指令的CAN中斷和TIM2定時(shí)PID運(yùn)算中斷。其中，TIM2定時(shí)中斷是10 ms一次。在主循環(huán)中，等待CAN口接收到控制指令后，進(jìn)入中斷，在中斷子程序中判斷是否符合控制指令協(xié)議，并提取機(jī)械臂相關(guān)的控制量。等待TIM2進(jìn)入中斷后，提取電機(jī)編碼器反饋的位置數(shù)據(jù)，進(jìn)行PID運(yùn)算，得出當(dāng)前PWM控制量，將當(dāng)前PWM控制量配置如TIM1后，將控制電機(jī)轉(zhuǎn)到指定位置。

PID控制器是通過(guò)比例、積分、微分3個(gè)環(huán)節(jié)的串聯(lián)控制系統(tǒng)偏差的控制器，如圖3所示。STM32作為一個(gè)微控制器，無(wú)法直接對(duì)偏差做積分、微分，只能通過(guò)轉(zhuǎn)換的方法，在一定時(shí)間里處理采集到的數(shù)據(jù)，使系統(tǒng)作出響應(yīng)，時(shí)間分割得越小，系統(tǒng)響應(yīng)越快，機(jī)械臂控制就越流暢。如果要采用PID算法，只需利用微積分思想，把時(shí)間分割得很小，將當(dāng)前的編碼器位置減去電機(jī)的指定位置做誤差，對(duì)誤差求和來(lái)代替積分，對(duì)當(dāng)前誤差和上一次誤差差分來(lái)代替微分。時(shí)間分割得越小，系統(tǒng)響應(yīng)也就越快，電機(jī)超調(diào)量也就越小，機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)就會(huì)越流暢。在程序中，利用TIM2產(chǎn)生10 ms定時(shí)中斷，在中斷中做PID運(yùn)算，就相當(dāng)于對(duì)時(shí)間進(jìn)行細(xì)化分割，再對(duì)各項(xiàng)值乘上相應(yīng)的比例、積分、微分系數(shù)。與此同時(shí)，需要對(duì)積分和PWM控制量限位，防止過(guò)飽和造成系統(tǒng)響應(yīng)滯后。

3 實(shí)驗(yàn)調(diào)試

實(shí)際調(diào)試樣機(jī)為如圖4所示的自由度機(jī)械臂。為了確定PID各個(gè)參數(shù)的取定，取單個(gè)機(jī)械臂系統(tǒng)分析，程序中先給定PID比例系數(shù)，積分系數(shù)和微分系數(shù)先取0，在電腦sscom32串口通訊軟件輸入指令后，機(jī)械臂開(kāi)始運(yùn)動(dòng)，最終旋轉(zhuǎn)穩(wěn)定后，保存串口窗口返回的位置信息，導(dǎo)入Matlab進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，得到擬合后的曲線(xiàn)，并適當(dāng)增大比例系數(shù)，重復(fù)多次，觀(guān)察對(duì)比擬合后的曲線(xiàn)，如圖5所示。如果曲線(xiàn)出現(xiàn)超調(diào)量增大，振蕩次數(shù)增加，調(diào)節(jié)時(shí)間增加的情況，就需要適當(dāng)減小比例系數(shù)，增大積分系數(shù)，從而減小穩(wěn)態(tài)誤差。如果PI控制效果不夠理想，可以適當(dāng)增大微分系數(shù)，減小超調(diào)量，以增強(qiáng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。如果結(jié)合比例、積分、微分后，控制效果始終不理想，可以適當(dāng)縮短采樣時(shí)間，也就是TIM2的定時(shí)周期，從而提高響應(yīng)速度。如果最終得到的曲線(xiàn)超調(diào)量不大，震蕩次數(shù)少，則可以確定PID參數(shù)大小。

4 結(jié)論

實(shí)驗(yàn)證明，本文的協(xié)作機(jī)器人機(jī)械臂控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)可行，可以滿(mǎn)足中小型協(xié)作機(jī)器人對(duì)機(jī)械臂控制的需求，具有控制精準(zhǔn)、動(dòng)作靈活等優(yōu)點(diǎn)。加入力矩傳感器，即可實(shí)時(shí)檢測(cè)機(jī)械臂的力矩，實(shí)現(xiàn)對(duì)力矩的限制，并可實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械臂的零力控制。一旦力矩超出了預(yù)設(shè)的力矩值，機(jī)械臂則停止工作，以防誤傷工作人員。在此過(guò)程中，仍然存在一些不足需要改進(jìn)，主要包括以下2點(diǎn)：①算法的完善。對(duì)算法的冗余和處理方面仍需改進(jìn)，以便后期的參數(shù)調(diào)試，改善機(jī)械臂的運(yùn)作。②電路的簡(jiǎn)化。電路板走線(xiàn)布局在滿(mǎn)足功率要求的前提下，需要繼續(xù)簡(jiǎn)化，改善電路板工作的穩(wěn)定性。

針對(duì)上述問(wèn)題，相關(guān)工作人員要不斷改進(jìn)和完善，逐漸提高機(jī)械臂的穩(wěn)定性和可靠性。

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〔編輯：白潔〕