三軸機械手控制器設計

陳亞軍 張潔 胡明達

摘? 要：為進一步提高機械手在工業生產領域中的工作精度和效率，以STM32+專用DSP作為核心的運動控制器，結構包含PCI接口、通信接口、人機接口等模塊。系統工作時傳感器將采集的數據傳遞給專用DSP處理器，專用DSP處理器對數據分析處理、發出指令，同時與STM32處理器進行數據傳輸，從而修正伺服電機參數，提高機械手工作精度，實現準確定位。所設計的機械手控制器可實現獨立工作模式和“PC+運動控制卡”工作模式。測試結果表明，該系統降低了操作誤差，提高機械手的靈活度和效率。

關鍵詞：STM32控制器;專用DSP微處理器;控制卡

中圖分類號：TP241 文獻標志碼：A? ? ? 文章編號：2095-2945（2019）32-0028-03

Abstract： In order to further improve the accuracy and efficiency of the manipulator in the field of industrial production， STM32 and special DSP is used as the motion controller. The structure includes PCI interface， communication interface， man-machine interface and other modules. When the system works， the sensor transfers the collected data to the special DSP processor， which processes the data and sends out instructions. At the same time， the special DSP processor transmits data to the STM32 processor， so as to modify the parameters of the servo motor， improve the working accuracy of the manipulator and achieve accurate positioning. The designed manipulator controller can work independently and in the mode of "PC + motion control card". The test results show that the system reduces the operating error and improves the flexibility and efficiency of the manipulator.

Keywords： STM32 controller; special DSP microprocessor; control card

引言

隨著信息化社會的不斷進步，計算機、網絡等技術快速發展，世界正越來越走向智能化，隨之而來的是機器人行業的飛速發展，機械手在加工行業中的應用越來越多，機械手作為模擬人手臂的機械結構，可以根據要求完成指定動作，代替人類勞動，完成復雜、危險的作業，它能取代人類的重復機械工作，降低生產成本，提高生產效率。三軸機械手作用在綜合加工自動生產線上，可以不間斷地開展工作，以降低人力資源和更準確地控制生產節奏，提高生產效率。智能三軸機械手的廣泛應用，使其對運行控制的要求不斷提高[1]，如對物體的準確定位，穩定的安裝，焊接等。三軸機械手在實際生產過程要對目標物體精準定位，通過傳感器將物體的位置參數等傳遞給控制中心，然后控制器對電機發出指令，機械臂做出相應的動作，實現機械自動化的過程。但機械手在取代人工生產時，既要保證生產速度，同時也要保證生產過程中的精度和機械靈活性[2]。普通單片機硬件只能實現簡單的算法運算，無法處理機械手大量的輸入數據，難以精密控制伺服電機的加工操作。為此，設計了基于STM32+DSP微處理器為核心控制的機電系統[3]，采用云平臺利用數學模型分析修改參數，使用算法和硬件設計優化控制系統。系統可自動匹配最優參數，真正實現機械自動化，具有效率高、精度高、降低成本、操作簡單等優點，對提高現有工業生產效率具有積極意義。

本文采用以STM32微處理器為控制核心，以專用DSP處理器為運動控制器，包括PCI接口、通信接口、人機交互接口等模塊。利用專用DSP芯片對數據進行數字信號處理運算，做到快速有效地實現各種算法[4]。智能機械手臂通過傳感器采集外界數據，將數據發送給專用DSP處理器，專用DSP處理器通過編寫的程序解析數據，進行電機控制，確定修正參數，并將針對不同智能機械手臂的修正參數發送給嵌入式工業計算機，以此控制驅動器，伺服電機，傳感器等工件工作，從而實現智能機械手臂高精度，多自由度的精確控制。STM32微處理器為控制核心，通過工業網絡實時通信，連接其他設備如人機界面（操作臺和上位機）、安全設備終端，形成一個智能機械手臂控制網絡，并針對機械手臂工作中出現的問題，進行及時處理，大大提高智能機械手臂的控制精度，從而帶動相關產業的技術提升。

1 三軸機械手結構原理

本文設計一種能在三自由度內實現高效、精確、穩定控制的智能機械手控制器，使其具有優良的性能。機械手由機械部分（X，Y，Z三自由度移動平臺）、伺服驅動系統模塊、傳感器信息采集模塊、互聯網聯網反饋模塊、電源供能模塊等組成，能夠完成在三自由度坐標內精確定位，快速穩定到達指定的動作位置。本文設計的機械手為通用模塊，通過機械手末端執行機構的更換可以改變其用途和功能，例如抓取，噴涂，焊接等功能。

如圖1所示，三軸機械手的結構主要是由X，Y，Z三自由度移動平臺、伺服電機及其驅動器、傳感器、嵌入式工業計算機等組成，通過Internet與遠端的云平臺聯網，將采集到的機械手相關參數傳輸給專用DSP微處理器，通過解析數據，從而修正機械手誤差，提高準確性。

智能三軸機械手是通過反饋修改參數的多功能機器。以專用DSP處理器為運動控制器，應用伺服驅動、傳感器監測、聯網數據反饋等模塊，并加入嵌入式工業計算機進行高效控制。定期將采集到的工作狀態參數傳送給專用DSP微處理器，使其修改機械手參數，使機械手工作參數最優，實現高精度、多自由度的智能控制，以滿足準確定位、穩定工作，快速識別信號實現抓取及噴涂，焊接等工作要求。

2 控制系統總體結構

三軸機械手的控制系統總體結構圖如圖2所示。

本設計中采用以STM32+專用DSP為核心的運動控制器控制電機的運動[3]。專用DSP主要負責處理輸入信號并控制伺服電機的運動，STM32控制器通過網口、USB接口、人機交互接口實現與外部數據的交互。計算機通過USB接口連接STM32核心控制器可以進行現場程序下載更新，方便技術員現場調試[4]。三軸機械手在末端安裝三軸加速度計、姿態傳感器、速度傳感器和磁力計等，采集三軸機械手的轉速、轉矩、角速度、加速度、慣量等參數，對機械手的工作情況進行實時監測。采用PCI總線實現對三軸機械手的整體控制。采用的雙口RAM是作為STM32和CH365雙向通訊的緩沖存儲。

3 系統硬件設計及工作原理

3.1 控制核心平臺設計

控制卡控制核心采用STM32+DSP模式，STM32為核心控制器，外接網口、人機交互接口、USB接口，專用DSP控制電機運動。

STM32具體型號為STM32f429，該芯片作為控制卡的控制核心，以ARM Cortex-M4為內核，頻率可達180MHz，擁有強大的數字處理器。除此之外，STM32f429還內置3個A/D轉換器，24個通道，提高機械手的工作效率。

PCI接口采用雙口RAM作為PC和STM32都可以訪問的存儲區，左端連接CH365可以顯示其內存空間，右端連接STM32+專用DSP芯片，便于隨時被訪問。在STM32與CH365相互通信時，雙口RAM可以作為緩沖芯片，提高控制系統的工作效率。

三軸機械手運動控制采用專用DSP芯片PCL6045B控制電機運動，可同時控制X、Y、Z軸的伺服電機。PCL6045B是一款功能強大的專用DSP，其數據處理能力強，運行速度快，最多可控制四軸運動，STM32f429將接收到的指令通過16位I/O總線接口向PCL6045B發送，PCL6045B通過產生脈沖信號進而控制伺服電機。將編碼器等傳感器采集到的信號和其它控制信號傳遞給PCL6045B，所有接口均采用光耦隔離。PCL6045B負責所有的運動控制算法，控制三軸機械手進行工作，可實現勻速、線形、S形加減速、連續、定長等輸出動作。

當STM32F429通過接口接收數據并傳遞給PCL6045B后，PCL6045B接收數據通過控制程序控制伺服電機移動，并實時監控三軸機械手的運動信號。與此同時，PCL6045B內部的數據存儲器和程序存儲器保存控制參數和控制程序。當三軸機械手處于脫機工作狀態時，PCL6045B利用控制算法在存儲器里尋找最優參數，保證脫機狀態下的工作精度。圖3為控制結構圖。

3.2 人機交互及通信接口

運動控制器采用了顯示屏、鍵盤作為人機交互接口，通過顯示屏了解機械手臂的工作狀況和各項參數，并使用鍵盤輸入修改參數。另外，設置了USB接口、網口通信接口適應多種需求以實現多種方式修改生產參數，保證了控制系統在不同生產環境下的應用，提高了工作精度。

4 控制卡工作模式

為適應不同的工作需求，設計的運動控制器可以實現兩種工作模式：獨立工作模式和“PC+運動控制卡”工作模式。

在獨立工作模式下，傳感器通過將采集的數據傳遞給專用DSP，由專用DSP根據相應的控制算法分別實現伺服電機X、Y、Z運動控制功能，電機之間相互獨立，互不影響。STM32通過嵌入式操作系統FreeRTOS實現網絡通信、USB通信以及人機交互等功能的調度管理。通過人機接口可以實現參數設置;通過網口接入工業局域網實現聯網，便于實現多機器人統一協調控制。

在PC+運動控制卡工作模式下，通過PCI接口將控制卡插入PC插槽，由PC實現人機交互功能，向控制卡發送控制指令，控制卡根據采集的信息和接受指令通過相應的控制算法分別實現對伺服電機X、Y、Z軸的運動控制。

5 結束語

本設計中機械手臂通過傳感器采集數據，將數據發送給STM32+DSP處理器，STM32+DSP處理器通過解析數據，確定修正參數，運行相應的算法程序，從而實現智能機械手臂高精度，多自由度的精確控制。嵌入式工業計算機通過網絡與智能機械手臂實時通信，連接其他設備如人機界面（操作臺和上位機）、安全設備終端，形成一個智能機械手臂控制網絡，并針對機械手臂工作中出現的誤差等問題，進行及時處理，大大提高智能機械手臂的控制精度，從而帶動相關產業的技術提升。

參考文獻：

[1]劉燕，鄒萍，管文娟.基于PLC的三軸機械手控制系統的設計與實現[J].制造業自動化，2016，38（07）：21-24+36.

[2]熊毅，玉振明，陳炳忠.基于DSP寶石加工機械手控制系統設計與實現[J].組合機床與自動化加工技術，2011（08）：56-59+63.

[3]陳大亮，劉鵬，蘇丹.ARM+PCL6045B的嵌入式運動控制器設計[J].單片機與嵌入式系統應用，2009（09）：62-65.

[4]李亞美.基于PCI總線的STM32運動控制卡的設計[J].電子設計工程，2013，21（01）：166-169.