基于 ARM 的多自由度机械手设计

1、基于AM的多自由度机械手设计孙捷，刘瑄，刘楚，徐莲辉摘要:机械手选用AM芯片作为控制核心，主要是基于其运算能力强，外设接口丰富，可扩展成串行、并行、高速和低速等各种接口，也能很容易扩展成网络接口，便于机械手组网协同工作。特别是AM芯片的LCD接口和存储器扩展接口能大大提高机械手的智能化程度，扩展LCD后能提供友好的人机交互界面，便于编程、维护和故障指示;大容量存储器可为复杂运算和大数据存储提供方便。AM的这些优点为机械手的高度智能化提供了最有效的保证。关键词:机械手;AM芯片;伺服电机;嵌入式;控制系统引言机器人应用情况是展现一个国家工业自动化水平的重要标志。工业自动化中机械手发挥了相当大的作

2、用，生产中应用机械手可以减轻劳动强度、保证产品质量、实现安全生产;尤其在高温、高压、易爆、有放射性或有毒性污染的场合中，机械手能代替人进行正常的工作。特别是近些年人工成本越来越高，企业都迫切需要采用一些自动化设备来降低人工成本，工业机械手在这方面有着广阔的应用前景。常用的机械手多为6个自由度以下的。一般的专用机械手只有24个自由度，而通用机械手则多数为36个自由度。目前大多数工业机械手基本上都是采用单片机、PLC或DSP等控制的，单片机只能控制简单的3个自由度以下的机械手;PLC控制的成本高，运算能力很差，对机械手运动轨迹控制能力差;应用DSP控制运算能力强，但其外设接口没有AM丰富，并且成本

3、也比AM高，一片DSP控制的机械手自由度也有限，6个自由度的、复杂一点的机械手都需要多个DSP芯片协同才能较好地完成控制。1机械部分设计与安装114个自由度设计机械抓手选用型号为42HD2401-100L，两相4线步进电机，丝杆电机的行程为100mm，步距角为18°，电流15AN1504。利用其不同的行程可以设计不同力矩大小的抓手或夹具，此部分通过加工的一个连接轴，用螺丝锁定在型号为42BYG行星减速步进电机上，配48mm步进电机，减速比5181，这样控制机械抓手在360°范围内旋转。也就是机械手的第一自由度控制。第二自由度装置负责将前面第一自由度的电机固定，并且控制运动一

4、定的角度范围，根据选用的蜗轮减速装置结构，角度范围为0130°。电机为57步进电机57BYG250H，转矩28NM，步距角18°，机身长112mm，蜗轮蜗杆减速机NMV030，减速比120。第三自由度使用的电机型号为86HS45-80，两相步进，步距角18°，机身长度78mm，电流4A，保持转矩424NM。配备蜗轮减速装置V040，减速比120。第四自由度主要负责平面内360°旋转，采用与第二自由度一样的电机，减速装置的减速比为130。该电机安装在底座上。12电机驱动器选型及机械部分总成机械手有4个自由度和1个机械抓手，共使用了5个不同规格步进电机，其中

5、86型号的电机使用的是FMD860，其他的都使用DM542型，配备了两个24V功率为图1四自由度机械手实物图250W的电源分别供电。所有机械部分安装完成后的实物图如图1所示，底座采用镀锌方管焊接成100mm×100mm的双层铁架构成，最下面的电机用角铁固定，全部用自喷漆喷涂一遍用于防锈，将导线用伸缩塑胶管封固定，以防导线缠绕或损坏。2机械手控制系统硬件设计机械手的控制核心采用功能强大的AM芯片来进行设计，芯片型号为STM32F103C8T6，引脚数48。控制板接收上位机的串口通信数据，并根据数据协议转变为控制步进电机的脉冲信号去驱动各个步进电机，控制板采用双排针将所有GPIO全部引出

6、，可以灵活扩展。原理图使用的是AltiumDesigned10软件进行绘制，AM控制板CPU部分电路原理图如图2所示，时钟、复位、电源电路原理图如图3所示，串口与JTAG电路原理图如图4所示。机械手的具体指标参数如下:机构材料采用全金属材料;驱动方式为步进伺服混合驱动;操作方式采用可编程单机工作/联机工作;重复定位精度为±5mm;最大展开半径为600mm;高度为1000mm;本体重量50kg;电源为单相220V;最大功率200W;动作范围为第1自由度转动180°180°，速度范围在05°/s50°/s;第2自由度转动65°65

7、6;，速度范围在05°/s30°/s;第3自由度转动65°65°，速度范围在05°/s30°/s;第4自由度转动180°180°，速度范围在05°/s40°/s。3机械手控制系统软件设计31AM控制板软件的设计开发环境使用的是KeiluVision3+MDK350，AM控制板上的程序主要包括串口通信的控制和脉冲波形的产生，主控程序流程图如图5所示。STM32F103首先要进行初始化，主要有如下初始化内容:CC_Configuration(void)、NVIC_Configuration(void

8、)、GPIO_Configuration(void)、USAT_Init(USAT1，USAT_InitStructure)和TIM3_PWM_Init(u16arr，u16psc)。串行通信先要设置GPIO引脚，串口设置波特率为9600b/s，8bit数据，2bit停止位，不使用奇偶校验位，无硬件流控制。最后还要按如下语句进行串口接收中断初始化设置:NVIC_InitStructureNVIC_IQChannel=USAT1_IQChannel;NVIC_InitStructureNVIC_IQChannelPreemptionPriori-ty=0;NVIC_InitStructureNV

9、IC_IQChannelSubPriority=0;NVIC_InitStructureNVIC_IQChannelCmd=ENABLE;NVIC_Init(NVIC_InitStructure)。为了保证AM控制板能在接收命令参数后独立控制机械手的运动，需要将数据存储在AM芯片的Flash存储器中，然后再读出、解析、执行命令，程序流程图如图6所示。另外对于脉冲波形的产生，采用AM芯片内自带的硬件定时器单元来产生频率可调的方波，定时器中断初始化的程序如下:voidTimerx_Init(u16arr，u16psc)CCAPB1EN|=11;/TIM3时钟使能TIM3A=arr;/设定计数器自动

10、重装值，刚好1msTIM3PSC=psc;/预分频器7200，得到10kHz的计数时钟TIM3DIE|=10;/允许更新中断TIM3DIE|=16;/允许触发中断TIM3C1|=0x01;/使能定时器3MY_NVIC_Init(1，3，TIM3_IQChannel，2);/抢占1，子优先级3，组2周期时间较长的方波用上述定时器中断溢出进行计时产生，这种方法产生的延时可以很长，适用于对各种动作速度的控制。对于运动较快的也可以直接利用STM32F103中的硬件PWM单元来产生方波，这种周期时间较短，其主要控制源程序如下:voidTIM3_PWM_Init(u16arr，u16psc)/此部分需手动

11、修改IO口设置CCAPB1EN|=11;/TIM3时钟使能CCAPB2EN|=13;/使能POTB时钟GPIOBCL=0XFF0FFFFF;/PB5输出GPIOBCL|=0X00B00000;/复用功能输出CCAPB2EN|=10;/开启辅助时钟AFIOMAP=0XFFFFF3FF;/清除MAP的11:10AFIOMAP|=111;/部分重映像，TIM3_CH2PB5TIM3A=arr;/设定计数器自动重装值TIM3PSC=psc;/预分频器不分频TIM3CCM1|=712;/CH2PWM2模式TIM3CCM1|=111;/CH2预装载使能TIM3CCE|=14;/OC2输出使能TIM3C1=

12、0x0080;/APE使能TIM3C1|=0x01;/使能定时器332机械手上位机软件的设计上位机程序主要完成机械手运动位置参数的设定，并且通过串口将数据传送给AM开发板，在调试过程中，将运动控制分为单轴运动的控制和三轴运动的控制。单轴控制界面如图7，三轴运动控制界面如图8，分别输入x、y、z三个方向的起始和终止坐标，启动后即可将数据传送给下位机。在界面上还有串口通信数据监测窗口，主要显示发出的命令和收到的数据是否正常，这样能方便进行开发。在进入串行数据通信编程中，应用CSerialPort类进行编程，对串口、波特率、数据位数、停止位、奇偶校验位等初始化，使用的主要函数为InitPort()，

13、如下所示:if(m_PortInitPort(this，m_nCom，m_nBaud，m_cParity，m_nDa-tabits，m_nStopbits，m_dwCommEvents，512)m_PortStartMonitoring();m_CtrlOpenPortSetWindowText("打开串口");m_PortClosePort();/关闭串口elseAfxMessageBox("没有发现此串口");发送数据使用的主要语句如下:sendcommand=m_strSendData;m_PortWriteToPort(LPCTST)sendcommand);/发送数据接收数据在CSerialPort类中进行，可以中断接收，但必须在主程序中进行数据识别，本文在LONGCICtest-Dlg:OnCommunication(WPAAMch，LPAAMport)函数中专门来解析接收到的数据。4结束语本项目主要是利