近年來,，隨著MEMS及相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，微機(jī)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(jī)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(gè)可進(jìn)行微零件裝配工作的機(jī)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(jī)器人手臂的使用,，整個(gè)機(jī)器人控制系統(tǒng)由上位機(jī)與多個(gè)下位機(jī)組成。下位機(jī)即是手臂控制器,，每個(gè)下位機(jī)控制一個(gè)機(jī)械手臂的伸縮運(yùn)動,。上位機(jī)即為控制終端，通過不同配件組裝方式生成每個(gè)手臂的位置數(shù)據(jù),，并通過數(shù)據(jù)線傳輸給各個(gè)下位機(jī),，由下位機(jī)控制手臂到達(dá)目標(biāo)位置并進(jìn)行目標(biāo)操作。
1.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)
手臂控制器的機(jī)械結(jié)構(gòu)由直流減速電機(jī),、手臂,、螺桿、減速齒輪,、角度傳感器組成。機(jī)器人手臂與機(jī)械螺桿相連,，螺桿與直流減速電機(jī)通過減速齒輪耦合,，各個(gè)手臂控制器通過控制電機(jī)轉(zhuǎn)動來達(dá)到控制手臂位置的目的。同時(shí),，手臂控制器具有手動調(diào)節(jié)旋柄與螺桿相連,，需要時(shí)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,，如圖3所示,。通過主控制模塊控制電機(jī)狀態(tài)，通過測量反饋模塊得到螺桿移動距離和位置,，在達(dá)到規(guī)定位置后停止電機(jī),。而通信模塊則完成與上位機(jī)之間的數(shù)據(jù)交換。
2 電機(jī)控制
電機(jī)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(gè)引腳，31個(gè)雙向I／O口,，2個(gè)8路10們A／D轉(zhuǎn)換器,，能夠進(jìn)行電壓測量的工作，符合設(shè)計(jì)要求,，其引腳分配如表1所示,。電機(jī)使用RA-20GM-SD3 型直流減速電機(jī)，其減速箱的減速比達(dá)到了1／1000,，在減速后,，電機(jī)轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速為2.25 rpm,，在所用螺桿齒距為1mm時(shí),，手臂移動述牢為3.75×10-2mm／s。
由于本設(shè)計(jì)中電機(jī)需要正反轉(zhuǎn)動,，故選用了橋路驅(qū)動芯片TA8409,，其具有兩個(gè)輸入口，兩個(gè)輸出口,。微處理器通過控制輸入電平組合即可控制電機(jī)的不同狀態(tài),，包括正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn),、剎車減速和停止?fàn)顟B(tài),。
它的輸出電壓與電機(jī)工作電壓相符，即可直接驅(qū)動電機(jī),，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(jī)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(jì)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(gè)為標(biāo)準(zhǔn)對電機(jī)驅(qū)動器發(fā)送命令,。
電壓測量電路包含由運(yùn)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(biāo)準(zhǔn)
RS-422標(biāo)準(zhǔn)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(qiáng)的驅(qū)動能力,，故允許在相同傳輸線上連接多個(gè)接收節(jié)點(diǎn),，最多可接10個(gè)節(jié)點(diǎn)。即一個(gè)主設(shè)備(Master),，其余為從設(shè)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(shù)據(jù)交換功能實(shí)現(xiàn)
本系統(tǒng)通信模塊采用RS-422標(biāo)準(zhǔn),，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(xiǎn)終端連接配置。
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,，使輸出不會出現(xiàn)未知的狀態(tài),，提高可靠性，完成與上位機(jī)間的數(shù)據(jù)交換工作,。另外,，考慮到多機(jī)器人手臂的應(yīng)用情況，在手臂控制器中設(shè)有撥碼開關(guān)來設(shè)定編號,，與上位機(jī)的數(shù)據(jù)交換必須包含該編號,，并由此來判斷通信時(shí)目標(biāo)控制器的具體位置。
4 軟件設(shè)計(jì)
在設(shè)計(jì)了手臂控制器硬件的基礎(chǔ)上,，我們設(shè)計(jì)了運(yùn)行在微處理器上的軟件應(yīng)用程序,。
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(jìn)入等待模式。程序設(shè)定了UART中斷,，當(dāng)上位機(jī)有數(shù)據(jù)傳送過來時(shí),，中斷發(fā)生。此時(shí)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(jì)算得到電機(jī)運(yùn)行方向和手臂移動距離,。在電機(jī)運(yùn)行時(shí),，不斷讀取傳感器反饋電壓，并進(jìn)行計(jì)算,，判斷手臂是否接近目標(biāo)位置和是否進(jìn)行剎車停車操作,。電機(jī)停止后，即手臂到達(dá)目標(biāo)位置,，此時(shí)控制器對上位機(jī)回復(fù)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(tǒng)中,，可使用兩種算法來決定電機(jī)的減速停止命令的發(fā)送時(shí)機(jī),。
第一種是剛好是在測量得到手臂到達(dá)目標(biāo)位置之時(shí)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(jī)停止時(shí)螺桿位置偏離了目標(biāo)位置的情況,。不過工作時(shí)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(biāo)位置時(shí)進(jìn)行預(yù)測算法,，在手臂到達(dá)目標(biāo)位置前發(fā)送剎車減速命令，使得螺桿停止位置與目標(biāo)位置差距更小,，此算法雖較為復(fù)雜,，但精度較第一種更高，在本設(shè)計(jì)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(yù)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(shè)計(jì),，此誤差不會影響機(jī)械手臂大多數(shù)的工作,。
5 結(jié)束語
本章設(shè)計(jì)了一個(gè)基于ARM核微處理器的機(jī)器人手臂控制系統(tǒng)，對控制器的硬件設(shè)計(jì)進(jìn)行了詳細(xì)的敘述,，并給出了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖和部分電路的原理圖,；介紹了控制軟件的設(shè)計(jì)并給出了程序的流程圖。由于使用了高減速比的減速箱來調(diào)整電機(jī)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(chǔ)上加裝可控夾鉗，即可完成簡單可靠的裝配工作,。