基于ARM核處理器的機器人手臂控制系統(tǒng)
引言
近年來，隨著MEMS及相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，微機器人領(lǐng)域已越來越來受人關(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，一般的裝配方法無法滿足要求。本文介紹了一個可進行微零件裝配工作的機器人手臂控制系統(tǒng)的控制方法。
1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
考慮到多機器人手臂的使用，整個機器人控制系統(tǒng)由上位機與多個下位機組成。下位機即是手臂控制器，每個下位機控制一個機械手臂的伸縮運動。上位機即為控制終端，通過不同配件組裝方式生成每個手臂的位置數(shù)據(jù)，并通過數(shù)據(jù)線傳輸給各個下位機，由下位機控制手臂到達目標位置并進行目標操作。整個系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。
1.1 機械結(jié)構(gòu)
手臂控制器的機械結(jié)構(gòu)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減速齒輪耦合，各個手臂控制器通過控制電機轉(zhuǎn)動來達到控制手臂位置的目的。同時，手臂控制器具有手動調(diào)節(jié)旋柄與螺桿相連，需要時可通過手動調(diào)節(jié)，改變手臂位置。
1.2 電路結(jié)構(gòu)
手臂控制器由使用ARM內(nèi)核的PHLIPS LPC2138系列微處理器控制，電路結(jié)構(gòu)主要分為主控制模塊、測量反饋模塊和通信模塊。通過主控制模塊控制電機狀態(tài)，通過測量反饋模塊得到螺桿移動距離和位置，在達到規(guī)定位置后停止電機。而通信模塊則完成與上位機之間的數(shù)據(jù)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
主控制器使用PHLIPS LPC2138微處理器，其具有64個引腳，31個雙向I／O口，2個8路10們A／D轉(zhuǎn)換器，能夠進行電壓測量的工作，符合設計要求。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(zhuǎn)速為4.5+／-0.9 rpm，在與1／2減速齒輪組進一步耦合后，螺桿轉(zhuǎn)速為2.25 rpm，在所用螺桿齒距為1mm時，手臂移動述牢為3.75×10-2mm／s。
由于本設計中電機需要正反轉(zhuǎn)動，故選用了橋路驅(qū)動芯片TA8409，其具有兩個輸入口，兩個輸出口。微處理器通過控制輸入電平組合即可控制電機的不同狀態(tài)，包括正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、剎車減速和停止狀態(tài)。
它的輸出電壓與電機工作電壓相符，即可直接驅(qū)動電機，不用增加放大電路。
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度無限，傳感器把角度變化量轉(zhuǎn)化為電壓量并通過電壓測量電路反饋回微處理器A／D轉(zhuǎn)換口，通過電壓的變化量可計算得到螺桿的移動距離，這樣就可以得知手臂位置，并以這個為標準對電機驅(qū)動器發(fā)送命令。
電壓測量電路包含由運算放人器構(gòu)成的電壓跟隨電路，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(shù)據(jù)信號采用差分傳輸方式，也稱作平衡傳輸，其全稱是“平衡電壓數(shù)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(qū)動器有比RS232更強的驅(qū)動能力，故允許在相同傳輸線上連接多個接收節(jié)點，最多可接10個節(jié)點。即一個主設備（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(shù)據(jù)交換功能實現(xiàn)
本系統(tǒng)通信模塊采用RS-422標準，線路長度約為200m，故通信的可靠性可得到保證。差分線路驅(qū)動器使用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(qū)動器輸入和接收器輸出相連，并使用差分開路自動故障保險終端連接配置。
從而在發(fā)送器輸出端為高阻狀態(tài)時保證接受器輸入有至少200mV的電壓信號，使輸出不會出現(xiàn)未知的狀態(tài)，提高可靠性，完成與上位機間的數(shù)據(jù)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關(guān)來設定編號，與上位機的數(shù)據(jù)交換必須包含該編號，并由此來判斷通信時目標控制器的具體位置。
4 軟件設計
在控制器上電后，首先讀入撥碼開關(guān)的控制器編號，然后進入等待模式。程序設定了UART中斷，當上位機有數(shù)據(jù)傳送過來時，中斷發(fā)生。此時核對數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)讀入，并計算得到電機運行方向和手臂移動距離。在電機運行時，不斷讀取傳感器反饋電壓，并進行計算，判斷手臂是否接近目標位置和是否進行剎車停車操作。電機停止后，即手臂到達目標位置，此時控制器對上位機回復工作完成（通信時始終附帶控制器編號），并再次進入等待狀態(tài)。
本系統(tǒng)中，可使用兩種算法來決定電機的減速停止命令的發(fā)送時機。
第一種是剛好是在測量得到手臂到達目標位置之時發(fā)送減速停止命令，此算法執(zhí)行較為簡單，但不可避免會存在電機停止時螺桿位置偏離了目標位置的情況。不過工作時手臂移動速度很低，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進行預測算法，在手臂到達目標位置前發(fā)送剎車減速命令，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不斷讀取傳感器反饋值得到手臂位置的，雖然經(jīng)過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有偏差，但由于高精度的硬件設計，此誤差不會影響機械手臂大多數(shù)的工作。
5 結(jié)束語
本章設計了一個基于ARM核微處理器的機器人手臂控制系統(tǒng)，對控制器的硬件設計進行了詳細的敘述，并給出了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖；介紹了控制軟件的設計。由于使用了高減速比的減速箱來調(diào)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，即可完成簡單可靠的裝配工作。
近年來，隨著MEMS及相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，微機器人領(lǐng)域已越來越來受人關(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，一般的裝配方法無法滿足要求。本文介紹了一個可進行微零件裝配工作的機器人手臂控制系統(tǒng)的控制方法。
1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
考慮到多機器人手臂的使用，整個機器人控制系統(tǒng)由上位機與多個下位機組成。下位機即是手臂控制器，每個下位機控制一個機械手臂的伸縮運動。上位機即為控制終端，通過不同配件組裝方式生成每個手臂的位置數(shù)據(jù)，并通過數(shù)據(jù)線傳輸給各個下位機，由下位機控制手臂到達目標位置并進行目標操作。整個系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。
1.1 機械結(jié)構(gòu)
手臂控制器的機械結(jié)構(gòu)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減速齒輪耦合，各個手臂控制器通過控制電機轉(zhuǎn)動來達到控制手臂位置的目的。同時，手臂控制器具有手動調(diào)節(jié)旋柄與螺桿相連，需要時可通過手動調(diào)節(jié)，改變手臂位置。
1.2 電路結(jié)構(gòu)
手臂控制器由使用ARM內(nèi)核的PHLIPS LPC2138系列微處理器控制，電路結(jié)構(gòu)主要分為主控制模塊、測量反饋模塊和通信模塊。通過主控制模塊控制電機狀態(tài)，通過測量反饋模塊得到螺桿移動距離和位置，在達到規(guī)定位置后停止電機。而通信模塊則完成與上位機之間的數(shù)據(jù)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
主控制器使用PHLIPS LPC2138微處理器，其具有64個引腳，31個雙向I／O口，2個8路10們A／D轉(zhuǎn)換器，能夠進行電壓測量的工作，符合設計要求。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(zhuǎn)速為4.5+／-0.9 rpm，在與1／2減速齒輪組進一步耦合后，螺桿轉(zhuǎn)速為2.25 rpm，在所用螺桿齒距為1mm時，手臂移動述牢為3.75×10-2mm／s。
由于本設計中電機需要正反轉(zhuǎn)動，故選用了橋路驅(qū)動芯片TA8409，其具有兩個輸入口，兩個輸出口。微處理器通過控制輸入電平組合即可控制電機的不同狀態(tài)，包括正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、剎車減速和停止狀態(tài)。
它的輸出電壓與電機工作電壓相符，即可直接驅(qū)動電機，不用增加放大電路。
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度無限，傳感器把角度變化量轉(zhuǎn)化為電壓量并通過電壓測量電路反饋回微處理器A／D轉(zhuǎn)換口，通過電壓的變化量可計算得到螺桿的移動距離，這樣就可以得知手臂位置，并以這個為標準對電機驅(qū)動器發(fā)送命令。
電壓測量電路包含由運算放人器構(gòu)成的電壓跟隨電路，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(shù)據(jù)信號采用差分傳輸方式，也稱作平衡傳輸，其全稱是“平衡電壓數(shù)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(qū)動器有比RS232更強的驅(qū)動能力，故允許在相同傳輸線上連接多個接收節(jié)點，最多可接10個節(jié)點。即一個主設備（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(shù)據(jù)交換功能實現(xiàn)
本系統(tǒng)通信模塊采用RS-422標準，線路長度約為200m，故通信的可靠性可得到保證。差分線路驅(qū)動器使用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(qū)動器輸入和接收器輸出相連，并使用差分開路自動故障保險終端連接配置。
從而在發(fā)送器輸出端為高阻狀態(tài)時保證接受器輸入有至少200mV的電壓信號，使輸出不會出現(xiàn)未知的狀態(tài)，提高可靠性，完成與上位機間的數(shù)據(jù)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關(guān)來設定編號，與上位機的數(shù)據(jù)交換必須包含該編號，并由此來判斷通信時目標控制器的具體位置。
4 軟件設計
在控制器上電后，首先讀入撥碼開關(guān)的控制器編號，然后進入等待模式。程序設定了UART中斷，當上位機有數(shù)據(jù)傳送過來時，中斷發(fā)生。此時核對數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)讀入，并計算得到電機運行方向和手臂移動距離。在電機運行時，不斷讀取傳感器反饋電壓，并進行計算，判斷手臂是否接近目標位置和是否進行剎車停車操作。電機停止后，即手臂到達目標位置，此時控制器對上位機回復工作完成（通信時始終附帶控制器編號），并再次進入等待狀態(tài)。
本系統(tǒng)中，可使用兩種算法來決定電機的減速停止命令的發(fā)送時機。
第一種是剛好是在測量得到手臂到達目標位置之時發(fā)送減速停止命令，此算法執(zhí)行較為簡單，但不可避免會存在電機停止時螺桿位置偏離了目標位置的情況。不過工作時手臂移動速度很低，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進行預測算法，在手臂到達目標位置前發(fā)送剎車減速命令，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不斷讀取傳感器反饋值得到手臂位置的，雖然經(jīng)過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有偏差，但由于高精度的硬件設計，此誤差不會影響機械手臂大多數(shù)的工作。
5 結(jié)束語
本章設計了一個基于ARM核微處理器的機器人手臂控制系統(tǒng)，對控制器的硬件設計進行了詳細的敘述，并給出了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖；介紹了控制軟件的設計。由于使用了高減速比的減速箱來調(diào)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，即可完成簡單可靠的裝配工作。
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