引言：

      手臂控制器的機(jī)械結(jié)構(gòu)由直流減速電機(jī)技腻、手臂框舔、螺桿末早、減速齒輪辩尊、角度傳感器組成涛浙。機(jī)器人手臂與機(jī)械螺桿相連，螺桿與直流減速電機(jī)通過減速齒輪耦合摄欲，各個(gè)手臂控制器通過控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)達(dá)到控制手臂位置的目的轿亮。 

       近年來(lái)，隨著MEMS及相關(guān)技術(shù)的發(fā)展蒿涎，微機(jī)器人領(lǐng)域已越來(lái)越來(lái)受人關(guān)注哀托。但由于零件的尺寸很小惦辛，微機(jī)器人組件的裝配需要很高的精確度劳秋，一般的裝配方法無(wú)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)的控制方法胖齐。
1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
        考慮到多機(jī)器人手臂的使用玻淑，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)即是手臂控制器茎冒，每個(gè)下位機(jī)控制一個(gè)機(jī)械手臂的伸縮運(yùn)動(dòng)宫氛。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)宠璧，并通過數(shù)據(jù)線傳輸給各個(gè)下位機(jī)间渐，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)姊黍、手臂东哀、螺桿钓宗、減速齒輪、角度傳感器組成尘斧。機(jī)器人手臂與機(jī)械螺桿相連构胰，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(dòng)來(lái)達(dá)到控制手臂位置的目的派男。同時(shí)莱衍，手臂控制器具有手動(dòng)調(diào)節(jié)旋柄與螺桿相連，需要時(shí)可通過手動(dòng)調(diào)節(jié)帮寻，改變手臂位置乍狐。
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固逗、測(cè)量反饋模塊和通信模塊澜躺，如圖3所示。通過主控制模塊控制電機(jī)狀態(tài)抒蚜，通過測(cè)量反饋模塊得到螺桿移動(dòng)距離和位置掘鄙，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)交換嗡髓。
2 電機(jī)控制
        電機(jī)控制由主控制模塊和測(cè)量反饋模塊共同完成操漠。
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)引腳饿这，31個(gè)雙向I／O口浊伙，2個(gè)8路10們A／D轉(zhuǎn)換器，能夠進(jìn)行電壓測(cè)量的工作长捧，符合設(shè)計(jì)要求嚣鄙，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)秩纹，其減速箱的減速比達(dá)到了1／1000幔时，在減速后，電機(jī)轉(zhuǎn)速為4.5+／-0.9 rpm园撵，在與1／2減速齒輪組進(jìn)一步耦合后茉油，螺桿轉(zhuǎn)速為2.25 rpm，在所用螺桿齒距為1mm時(shí)石沸，手臂移動(dòng)述牢為3.75×10-2mm／s桨农。
        由于本設(shè)計(jì)中電機(jī)需要正反轉(zhuǎn)動(dòng)，故選用了橋路驅(qū)動(dòng)芯片TA8409庵动，其具有兩個(gè)輸入口捍刑，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)暮课，包括正轉(zhuǎn)法洼、反轉(zhuǎn)伸义、剎車減速和停止?fàn)顟B(tài)。
它的輸出電壓與電機(jī)工作電壓相符篮啦，即可直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)胯恤，不用增加放大電路。
2.2 測(cè)量反饋模塊
        角度傳感器采用了Midori的CP-2FC绰姻，它的機(jī)械角度范圍為360度無(wú)限枉侧，傳感器把角度變化量轉(zhuǎn)化為電壓量并通過電壓測(cè)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(dòng)距離狂芋，這樣就可以得知手臂位置榨馁，并以這個(gè)為標(biāo)準(zhǔn)對(duì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器發(fā)送命令。
        電壓測(cè)量電路包含由運(yùn)算放人器構(gòu)成的電壓跟隨電路帜矾，它既可隔離電路翼虫，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(hào)采用差分傳輸方式屡萤，也稱作平衡傳輸珍剑，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死陆，發(fā)送驅(qū)動(dòng)器有比RS232更強(qiáng)的驅(qū)動(dòng)能力招拙，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)措译。即一個(gè)主設(shè)備(Master)别凤，其余為從設(shè)備(Salve)，從發(fā)備之間不能通信翼辱，所以RS-422支持點(diǎn)對(duì)多的雙向通信乃描。
        RS-422的最大傳輸距離為4000英尺(約1219m)，最大傳輸速率為10Mbit／s吴烹。
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)斯凑，線路長(zhǎng)度約為200m，故通信的可靠性可得到保證绊寞。差分線路驅(qū)動(dòng)器使用AM26LS31芯片界赦，差分接受器使用AM26LS32芯片诬忱，微處理器的串行輸出口和輸入口分別與驅(qū)動(dòng)器輸入和接收器輸出相連条赚，并使用差分開路自動(dòng)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(hào)疚编，使輸出不會(huì)出現(xiàn)未知的狀態(tài)递思，提高可靠性，完成與上位機(jī)間的數(shù)據(jù)交換工作在膏。另外毕删，考慮到多機(jī)器人手臂的應(yīng)用情況镜会，在手臂控制器中設(shè)有撥碼開關(guān)來(lái)設(shè)定編號(hào)，與上位機(jī)的數(shù)據(jù)交換必須包含該編號(hào)终抽，并由此來(lái)判斷通信時(shí)目標(biāo)控制器的具體位置戳表。
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?cè)O(shè)計(jì)了運(yùn)行在微處理器上的軟件應(yīng)用程序昼伴。 
       在控制器上電后匾旭，首先讀入撥碼開關(guān)的控制器編號(hào)，然后進(jìn)入等待模式圃郊。程序設(shè)定了UART中斷价涝，當(dāng)上位機(jī)有數(shù)據(jù)傳送過來(lái)時(shí)，中斷發(fā)生持舆。此時(shí)核對(duì)數(shù)據(jù)包中的控制器編號(hào)色瘩，若傳送編號(hào)與小控制器編號(hào)相符，則把數(shù)據(jù)讀入逸寓，并計(jì)算得到電機(jī)運(yùn)行方向和手臂移動(dòng)距離居兆。在電機(jī)運(yùn)行時(shí)，不斷讀取傳感器反饋電壓竹伸，并進(jìn)行計(jì)算史辙，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)停止后袄优，即手臂到達(dá)目標(biāo)位置鹏愚，此時(shí)控制器對(duì)上位機(jī)回復(fù)工作完成(通信時(shí)始終附帶控制器編號(hào))，并再次進(jìn)入等待狀態(tài)紫掷。 
        本系統(tǒng)中味羡，可使用兩種算法來(lái)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(cè)量得到手臂到達(dá)目標(biāo)位置之時(shí)發(fā)送減速停止命令伯梧，此算法執(zhí)行較為簡(jiǎn)單院蜘，但不可避免會(huì)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(dòng)速度很低惊眠，已經(jīng)可以保證控制精度纳傍。第二種算法，即在接近目標(biāo)位置時(shí)進(jìn)行預(yù)測(cè)算法尖鲜，在手臂到達(dá)目標(biāo)位置前發(fā)送剎車減速命令拧亡，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)雜宣璧，但精度較第一種更高谤碳，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溢豆。
        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蜒简，雖然經(jīng)過預(yù)測(cè)算法提高算法精度瘸羡，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)有偏差搓茬，但由于高精度的硬件設(shè)計(jì)犹赖，此誤差不會(huì)影響機(jī)械手臂大多數(shù)的工作。
5 結(jié)束語(yǔ)
        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)卷仑，對(duì)控制器的硬件設(shè)計(jì)進(jìn)行了詳細(xì)的敘述冷尉，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系枪。由于使用了高減速比的減速箱來(lái)調(diào)整電機(jī)速度并配合了改良的算法雀哨，本手臂控制器的定位精度是比較高的。若在此基礎(chǔ)上加裝可控夾鉗私爷，即可完成簡(jiǎn)單可靠的裝配工作雾棺。

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