三軸機(jī)械手控制器設(shè)計(jì)

陳亞軍 張潔 胡明達(dá)

摘? 要：為進(jìn)一步提高機(jī)械手在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域中的工作精度和效率，以STM32+專用DSP作為核心的運(yùn)動(dòng)控制器，結(jié)構(gòu)包含PCI接口、通信接口、人機(jī)接口等模塊。系統(tǒng)工作時(shí)傳感器將采集的數(shù)據(jù)傳遞給專用DSP處理器，專用DSP處理器對(duì)數(shù)據(jù)分析處理、發(fā)出指令，同時(shí)與STM32處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，從而修正伺服電機(jī)參數(shù)，提高機(jī)械手工作精度，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確定位。所設(shè)計(jì)的機(jī)械手控制器可實(shí)現(xiàn)獨(dú)立工作模式和“PC+運(yùn)動(dòng)控制卡”工作模式。測(cè)試結(jié)果表明，該系統(tǒng)降低了操作誤差，提高機(jī)械手的靈活度和效率。

關(guān)鍵詞：STM32控制器;專用DSP微處理器;控制卡

中圖分類號(hào)：TP241 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? 文章編號(hào)：2095-2945（2019）32-0028-03

Abstract： In order to further improve the accuracy and efficiency of the manipulator in the field of industrial production， STM32 and special DSP is used as the motion controller. The structure includes PCI interface， communication interface， man-machine interface and other modules. When the system works， the sensor transfers the collected data to the special DSP processor， which processes the data and sends out instructions. At the same time， the special DSP processor transmits data to the STM32 processor， so as to modify the parameters of the servo motor， improve the working accuracy of the manipulator and achieve accurate positioning. The designed manipulator controller can work independently and in the mode of "PC + motion control card". The test results show that the system reduces the operating error and improves the flexibility and efficiency of the manipulator.

Keywords： STM32 controller; special DSP microprocessor; control card

引言

隨著信息化社會(huì)的不斷進(jìn)步，計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)快速發(fā)展，世界正越來(lái)越走向智能化，隨之而來(lái)的是機(jī)器人行業(yè)的飛速發(fā)展，機(jī)械手在加工行業(yè)中的應(yīng)用越來(lái)越多，機(jī)械手作為模擬人手臂的機(jī)械結(jié)構(gòu)，可以根據(jù)要求完成指定動(dòng)作，代替人類勞動(dòng)，完成復(fù)雜、危險(xiǎn)的作業(yè)，它能取代人類的重復(fù)機(jī)械工作，降低生產(chǎn)成本，提高生產(chǎn)效率。三軸機(jī)械手作用在綜合加工自動(dòng)生產(chǎn)線上，可以不間斷地開展工作，以降低人力資源和更準(zhǔn)確地控制生產(chǎn)節(jié)奏，提高生產(chǎn)效率。智能三軸機(jī)械手的廣泛應(yīng)用，使其對(duì)運(yùn)行控制的要求不斷提高[1]，如對(duì)物體的準(zhǔn)確定位，穩(wěn)定的安裝，焊接等。三軸機(jī)械手在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程要對(duì)目標(biāo)物體精準(zhǔn)定位，通過(guò)傳感器將物體的位置參數(shù)等傳遞給控制中心，然后控制器對(duì)電機(jī)發(fā)出指令，機(jī)械臂做出相應(yīng)的動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)機(jī)械自動(dòng)化的過(guò)程。但機(jī)械手在取代人工生產(chǎn)時(shí)，既要保證生產(chǎn)速度，同時(shí)也要保證生產(chǎn)過(guò)程中的精度和機(jī)械靈活性[2]。普通單片機(jī)硬件只能實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的算法運(yùn)算，無(wú)法處理機(jī)械手大量的輸入數(shù)據(jù)，難以精密控制伺服電機(jī)的加工操作。為此，設(shè)計(jì)了基于STM32+DSP微處理器為核心控制的機(jī)電系統(tǒng)[3]，采用云平臺(tái)利用數(shù)學(xué)模型分析修改參數(shù)，使用算法和硬件設(shè)計(jì)優(yōu)化控制系統(tǒng)。系統(tǒng)可自動(dòng)匹配最優(yōu)參數(shù)，真正實(shí)現(xiàn)機(jī)械自動(dòng)化，具有效率高、精度高、降低成本、操作簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)提高現(xiàn)有工業(yè)生產(chǎn)效率具有積極意義。

本文采用以STM32微處理器為控制核心，以專用DSP處理器為運(yùn)動(dòng)控制器，包括PCI接口、通信接口、人機(jī)交互接口等模塊。利用專用DSP芯片對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理運(yùn)算，做到快速有效地實(shí)現(xiàn)各種算法[4]。智能機(jī)械手臂通過(guò)傳感器采集外界數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)發(fā)送給專用DSP處理器，專用DSP處理器通過(guò)編寫的程序解析數(shù)據(jù)，進(jìn)行電機(jī)控制，確定修正參數(shù)，并將針對(duì)不同智能機(jī)械手臂的修正參數(shù)發(fā)送給嵌入式工業(yè)計(jì)算機(jī)，以此控制驅(qū)動(dòng)器，伺服電機(jī)，傳感器等工件工作，從而實(shí)現(xiàn)智能機(jī)械手臂高精度，多自由度的精確控制。STM32微處理器為控制核心，通過(guò)工業(yè)網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)通信，連接其他設(shè)備如人機(jī)界面（操作臺(tái)和上位機(jī)）、安全設(shè)備終端，形成一個(gè)智能機(jī)械手臂控制網(wǎng)絡(luò)，并針對(duì)機(jī)械手臂工作中出現(xiàn)的問(wèn)題，進(jìn)行及時(shí)處理，大大提高智能機(jī)械手臂的控制精度，從而帶動(dòng)相關(guān)產(chǎn)業(yè)的技術(shù)提升。

1 三軸機(jī)械手結(jié)構(gòu)原理

本文設(shè)計(jì)一種能在三自由度內(nèi)實(shí)現(xiàn)高效、精確、穩(wěn)定控制的智能機(jī)械手控制器，使其具有優(yōu)良的性能。機(jī)械手由機(jī)械部分（X，Y，Z三自由度移動(dòng)平臺(tái)）、伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)模塊、傳感器信息采集模塊、互聯(lián)網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)反饋模塊、電源供能模塊等組成，能夠完成在三自由度坐標(biāo)內(nèi)精確定位，快速穩(wěn)定到達(dá)指定的動(dòng)作位置。本文設(shè)計(jì)的機(jī)械手為通用模塊，通過(guò)機(jī)械手末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)的更換可以改變其用途和功能，例如抓取，噴涂，焊接等功能。

如圖1所示，三軸機(jī)械手的結(jié)構(gòu)主要是由X，Y，Z三自由度移動(dòng)平臺(tái)、伺服電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)器、傳感器、嵌入式工業(yè)計(jì)算機(jī)等組成，通過(guò)Internet與遠(yuǎn)端的云平臺(tái)聯(lián)網(wǎng)，將采集到的機(jī)械手相關(guān)參數(shù)傳輸給專用DSP微處理器，通過(guò)解析數(shù)據(jù)，從而修正機(jī)械手誤差，提高準(zhǔn)確性。

智能三軸機(jī)械手是通過(guò)反饋修改參數(shù)的多功能機(jī)器。以專用DSP處理器為運(yùn)動(dòng)控制器，應(yīng)用伺服驅(qū)動(dòng)、傳感器監(jiān)測(cè)、聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)反饋等模塊，并加入嵌入式工業(yè)計(jì)算機(jī)進(jìn)行高效控制。定期將采集到的工作狀態(tài)參數(shù)傳送給專用DSP微處理器，使其修改機(jī)械手參數(shù)，使機(jī)械手工作參數(shù)最優(yōu)，實(shí)現(xiàn)高精度、多自由度的智能控制，以滿足準(zhǔn)確定位、穩(wěn)定工作，快速識(shí)別信號(hào)實(shí)現(xiàn)抓取及噴涂，焊接等工作要求。

2 控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

三軸機(jī)械手的控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

本設(shè)計(jì)中采用以STM32+專用DSP為核心的運(yùn)動(dòng)控制器控制電機(jī)的運(yùn)動(dòng)[3]。專用DSP主要負(fù)責(zé)處理輸入信號(hào)并控制伺服電機(jī)的運(yùn)動(dòng)，STM32控制器通過(guò)網(wǎng)口、USB接口、人機(jī)交互接口實(shí)現(xiàn)與外部數(shù)據(jù)的交互。計(jì)算機(jī)通過(guò)USB接口連接STM32核心控制器可以進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)程序下載更新，方便技術(shù)員現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試[4]。三軸機(jī)械手在末端安裝三軸加速度計(jì)、姿態(tài)傳感器、速度傳感器和磁力計(jì)等，采集三軸機(jī)械手的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、角速度、加速度、慣量等參數(shù)，對(duì)機(jī)械手的工作情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。采用PCI總線實(shí)現(xiàn)對(duì)三軸機(jī)械手的整體控制。采用的雙口RAM是作為STM32和CH365雙向通訊的緩沖存儲(chǔ)。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)及工作原理

3.1 控制核心平臺(tái)設(shè)計(jì)

控制卡控制核心采用STM32+DSP模式，STM32為核心控制器，外接網(wǎng)口、人機(jī)交互接口、USB接口，專用DSP控制電機(jī)運(yùn)動(dòng)。

STM32具體型號(hào)為STM32f429，該芯片作為控制卡的控制核心，以ARM Cortex-M4為內(nèi)核，頻率可達(dá)180MHz，擁有強(qiáng)大的數(shù)字處理器。除此之外，STM32f429還內(nèi)置3個(gè)A/D轉(zhuǎn)換器，24個(gè)通道，提高機(jī)械手的工作效率。

PCI接口采用雙口RAM作為PC和STM32都可以訪問(wèn)的存儲(chǔ)區(qū)，左端連接CH365可以顯示其內(nèi)存空間，右端連接STM32+專用DSP芯片，便于隨時(shí)被訪問(wèn)。在STM32與CH365相互通信時(shí)，雙口RAM可以作為緩沖芯片，提高控制系統(tǒng)的工作效率。

三軸機(jī)械手運(yùn)動(dòng)控制采用專用DSP芯片PCL6045B控制電機(jī)運(yùn)動(dòng)，可同時(shí)控制X、Y、Z軸的伺服電機(jī)。PCL6045B是一款功能強(qiáng)大的專用DSP，其數(shù)據(jù)處理能力強(qiáng)，運(yùn)行速度快，最多可控制四軸運(yùn)動(dòng)，STM32f429將接收到的指令通過(guò)16位I/O總線接口向PCL6045B發(fā)送，PCL6045B通過(guò)產(chǎn)生脈沖信號(hào)進(jìn)而控制伺服電機(jī)。將編碼器等傳感器采集到的信號(hào)和其它控制信號(hào)傳遞給PCL6045B，所有接口均采用光耦隔離。PCL6045B負(fù)責(zé)所有的運(yùn)動(dòng)控制算法，控制三軸機(jī)械手進(jìn)行工作，可實(shí)現(xiàn)勻速、線形、S形加減速、連續(xù)、定長(zhǎng)等輸出動(dòng)作。

當(dāng)STM32F429通過(guò)接口接收數(shù)據(jù)并傳遞給PCL6045B后，PCL6045B接收數(shù)據(jù)通過(guò)控制程序控制伺服電機(jī)移動(dòng)，并實(shí)時(shí)監(jiān)控三軸機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)信號(hào)。與此同時(shí)，PCL6045B內(nèi)部的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和程序存儲(chǔ)器保存控制參數(shù)和控制程序。當(dāng)三軸機(jī)械手處于脫機(jī)工作狀態(tài)時(shí)，PCL6045B利用控制算法在存儲(chǔ)器里尋找最優(yōu)參數(shù)，保證脫機(jī)狀態(tài)下的工作精度。圖3為控制結(jié)構(gòu)圖。

3.2 人機(jī)交互及通信接口

運(yùn)動(dòng)控制器采用了顯示屏、鍵盤作為人機(jī)交互接口，通過(guò)顯示屏了解機(jī)械手臂的工作狀況和各項(xiàng)參數(shù)，并使用鍵盤輸入修改參數(shù)。另外，設(shè)置了USB接口、網(wǎng)口通信接口適應(yīng)多種需求以實(shí)現(xiàn)多種方式修改生產(chǎn)參數(shù)，保證了控制系統(tǒng)在不同生產(chǎn)環(huán)境下的應(yīng)用，提高了工作精度。

4 控制卡工作模式

為適應(yīng)不同的工作需求，設(shè)計(jì)的運(yùn)動(dòng)控制器可以實(shí)現(xiàn)兩種工作模式：獨(dú)立工作模式和“PC+運(yùn)動(dòng)控制卡”工作模式。

在獨(dú)立工作模式下，傳感器通過(guò)將采集的數(shù)據(jù)傳遞給專用DSP，由專用DSP根據(jù)相應(yīng)的控制算法分別實(shí)現(xiàn)伺服電機(jī)X、Y、Z運(yùn)動(dòng)控制功能，電機(jī)之間相互獨(dú)立，互不影響。STM32通過(guò)嵌入式操作系統(tǒng)FreeRTOS實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信、USB通信以及人機(jī)交互等功能的調(diào)度管理。通過(guò)人機(jī)接口可以實(shí)現(xiàn)參數(shù)設(shè)置;通過(guò)網(wǎng)口接入工業(yè)局域網(wǎng)實(shí)現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)，便于實(shí)現(xiàn)多機(jī)器人統(tǒng)一協(xié)調(diào)控制。

在PC+運(yùn)動(dòng)控制卡工作模式下，通過(guò)PCI接口將控制卡插入PC插槽，由PC實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互功能，向控制卡發(fā)送控制指令，控制卡根據(jù)采集的信息和接受指令通過(guò)相應(yīng)的控制算法分別實(shí)現(xiàn)對(duì)伺服電機(jī)X、Y、Z軸的運(yùn)動(dòng)控制。

5 結(jié)束語(yǔ)

本設(shè)計(jì)中機(jī)械手臂通過(guò)傳感器采集數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)發(fā)送給STM32+DSP處理器，STM32+DSP處理器通過(guò)解析數(shù)據(jù)，確定修正參數(shù)，運(yùn)行相應(yīng)的算法程序，從而實(shí)現(xiàn)智能機(jī)械手臂高精度，多自由度的精確控制。嵌入式工業(yè)計(jì)算機(jī)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)與智能機(jī)械手臂實(shí)時(shí)通信，連接其他設(shè)備如人機(jī)界面（操作臺(tái)和上位機(jī)）、安全設(shè)備終端，形成一個(gè)智能機(jī)械手臂控制網(wǎng)絡(luò)，并針對(duì)機(jī)械手臂工作中出現(xiàn)的誤差等問(wèn)題，進(jìn)行及時(shí)處理，大大提高智能機(jī)械手臂的控制精度，從而帶動(dòng)相關(guān)產(chǎn)業(yè)的技術(shù)提升。

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