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近年來(lái)，隨著(zhù)MEMS及相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，微機器人領(lǐng)域已越來(lái)越來(lái)受人關(guān)注。但由于零件的尺寸很小，微機器人組件的裝配需要很高的精確度，一般的裝配方法無(wú)法滿(mǎn)足要求。本文介紹了一個(gè)可進(jìn)行微零件裝配工作的機器人手臂控制系統的控制方法。 1 系統結構 考慮到多機器人手臂的使用，整個(gè)機器人控 制系統由上位機與多個(gè)下位機組成。下位機即是手臂控制器，每個(gè)下位機控制一個(gè)機械手臂的伸縮運動(dòng)。上位機即為控制終端，通過(guò)不同配件組裝方式生成每個(gè)手臂 的位置數據，并通過(guò)數據線(xiàn)傳輸給各個(gè)下位機，由下位機控制手臂到達目標位置并進(jìn)行目標操作。整個(gè)系統的結構框圖如圖1所示。  1.1 機械結構 如圖2所示，手臂控制器的機械結構由直流減速電機、手臂、螺桿、減速齒輪、角度傳感器組成。機器人手臂與機械螺桿相連，螺桿與直流減速電機通過(guò)減速齒輪耦合，各個(gè)手臂控制器通過(guò)控制電機轉動(dòng)來(lái)達到控制手臂位置的目的。同時(shí)，手臂控制器具有手動(dòng)調節旋柄與螺桿相連，需要時(shí)可通過(guò)手動(dòng)調節，改變手臂位置。  1.2 電路結構 手臂控制器由使用ARM內核的PHLIPS LPC2138系列微處理器控制，電路結構主要分為主控制模塊、測量反饋模塊和通信模塊，如圖3所示。通過(guò)主控制模塊控制電機狀態(tài)，通過(guò)測量反饋模塊得到螺桿移動(dòng)距離和位置，在達到規定位置后停止電機。而通信模塊則完成與上位機之間的數據交換。  2 電機控制 電機控制由主控制模塊和測量反饋模塊共同完成。 2.1 主控制模塊 LPC2138引腳分配如表1所示。  主控制器使用PHLIPS LPC2138微處理器， 其具有64個(gè)引腳，31個(gè)雙向I／O口，2個(gè)8路10們A／D轉換器，能夠進(jìn)行電壓測量的工作，符合設計要求，其引腳分配如表1所示。電機使用RA- 20GM-SD3 型直流減速電機，其減速箱的減速比達到了1／1000，在減速后，電機轉速為4.5+／-0.9 rpm，在與1／2減速齒輪組進(jìn)一步 耦合后，螺桿轉速為2.25 rpm，在所用螺桿齒距為1mm時(shí)，手臂移動(dòng)述牢為3.75×10-2mm／s。 由于本設計中電機需要正反轉動(dòng)，故選用了橋路驅動(dòng)芯片TA8409，其具有兩個(gè)輸入口，兩個(gè)輸出口。微處理器通過(guò)控制輸入電平組合即可控制電機的不同狀態(tài)，包括正轉、反轉、剎車(chē)減速和停止狀態(tài)。 它的輸出電壓與電機工作電壓相符，即可直接驅動(dòng)電機，不用增加放大電路。 電機驅動(dòng)電路圖如圖4所示。
2.2 測量反饋模塊 角度傳感器采用了Midori的CP-2FC，它的機械角度范圍為360度無(wú)限，傳感器把角度變化量轉化為電壓量并通過(guò)電壓測量電路反饋回微處理器A／D轉換口，通過(guò)電壓的變化量可計算得到螺桿的移動(dòng)距離，這樣就可以得知手臂位置，并以這個(gè)為標準對電機驅動(dòng)器發(fā)送命令。 電壓測量電路包含由運算放人器構成的電壓跟隨電路，如圖5所示，它既可隔離電路，又可以完成電壓跟隨。
3 通信模塊 3.1 RS-422通信標準 RS-422標準的數據信號采用差分傳輸方式，也稱(chēng)作平衡傳輸，其全稱(chēng)是“平衡電壓數字接口電路的電氣特性”。 其接收器采用高輸入阻抗，發(fā)送驅動(dòng)器有比RS232更強的驅動(dòng)能力，故允許在相同傳輸線(xiàn)上連接多個(gè)接收節點(diǎn)，最多可接10個(gè)節點(diǎn)。即一個(gè)主設備(Master)，其余為從設備(Salve)，從發(fā)備之間不能通信，所以RS-422支持點(diǎn)對多的雙向通信。 RS-422的最大傳輸距離為4000英尺(約1219m)，最大傳輸速率為10Mbit／s。 3.2 數據交換功能實(shí)現 本系統通信模塊采用RS-422標準，線(xiàn)路長(cháng)度約為200m，故通信的可靠性可得到保證。差分線(xiàn)路驅動(dòng)器使用AM26LS31芯片，差分接受器使用 AM26LS32芯片，微處理器的串行輸出口和輸入口分別與驅動(dòng)器輸入和接收器輸出相連，并使用差分開(kāi)路自動(dòng)故障保險終端連接配置。 差分開(kāi)路自動(dòng)故障保險終端連接配置圖如圖6所示。
從而在發(fā)送器輸出端為高阻狀態(tài)時(shí)保證接受器輸入有至少200mV的電壓信號，使輸出不會(huì )出現未知的狀態(tài)，提高可靠性，完成與上位機間的數據交換工 作。另外，考慮到多機器人手臂的應用情況，在手臂控制器中設有撥碼開(kāi)關(guān)來(lái)設定編號，與上位機的數據交換必須包含該編號，并由此來(lái)判斷通信時(shí)目標控制器的具 體位置。 4 軟件設計 在設計了手臂控制器硬件的基礎上，我們設計了運行在微處理器上的軟件應用程序。主程序流程圖如圖7所示。
在控制器上電后，首先讀入撥碼開(kāi)關(guān)的控制器編號，然后進(jìn)入等待模式。程序設定了UART中斷，當上位機有數據傳送過(guò)來(lái)時(shí)，中斷發(fā)生。此時(shí)核對數據包 中的控制器編號，若傳送編號與小控制器編號相符，則把數據讀入，并計算得到電機運行方向和手臂移動(dòng)距離。在電機運行時(shí)，不斷讀取傳感器反饋電壓，并進(jìn)行計 算，判斷手臂是否接近目標位置和是否進(jìn)行剎車(chē)停車(chē)操作。電機停止后，即手臂到達目標位置，此時(shí)控制器對上位機回復工作完成(通信時(shí)始終附帶控制器編號)， 并再次進(jìn)入等待狀態(tài)。 本系統中，可使用兩種算法來(lái)決定電機的減速停止命令的發(fā)送時(shí)機。 第一種是剛好是在測量得到手臂到達目標位置之時(shí)發(fā)送減速停止命令，此算法執行較為簡(jiǎn)單，但不可避免會(huì )存在電機停止時(shí)螺桿位置偏離了目標位置的情況。 不過(guò)工作時(shí)手臂移動(dòng)速度很低，已經(jīng)可以保證控制精度。第二種算法，即在接近目標位置時(shí)進(jìn)行預測算法，在手臂到達目標位置前發(fā)送剎車(chē)減速命令，使得螺桿停止 位置與目標位置差距更小，此算法雖較為復雜，但精度較第一種更高，在本設計中，我們使用第二種算法從而保證更高的控制精度。 手臂控制器程序是通過(guò)不斷讀取傳感器反饋值得到手臂位置的，雖然經(jīng)過(guò)預測算法提高算法精度，但由于傳感器本身也有一定的誤差，手臂停止位置不免會(huì )有偏差，但由于高精度的硬件設計，此誤差不會(huì )影響機械手臂大多數的工作。 5 結束語(yǔ) 本章設計了一個(gè)基于ARM核 微處理器的機器人手臂控制系統，對控制器的硬件設計進(jìn)行了詳細的敘述，并給出了系統結構圖和部分電路的原理圖；介紹了控制軟件的設計并給出了程序的流程 圖。由于使用了高減速比的減速箱來(lái)調整電機速度并配合了改良的算法，本手臂控制器的定位精度是比較高的。若在此基礎上加裝可控夾鉗，即可完成簡(jiǎn)單可靠的裝 配工作。 |
