基于PICmicro智能換刀機械手控制系統的設計

張繼紅

四川職業技術學院，四川遂寧

0 引言

機器人控制系統需完成對關節機械手臂的各關節及末端執行器電機的力、加速度、位姿等的控制。控制系統的核心在于控制芯片的選擇，有選用DSP系列的芯片并應用于足球機器人、自平衡兩輪電動車，選用C51用于搬運機器人，選用PMAC用于行架機器人，選用FANUC用于焊接機器人。本文選用Microchip公司生產的PICmicro微型控制器為換刀機械手的核心設計機器人控制系統。

1 機械手的本體結構

機械手控制系統必須準確控制其位置和姿勢，位置可以由基準坐標的位置矢量（x，y，z）來描述，而姿勢表示了手部抓持刀具的方向，由方向矢量（α，β，γ）來描述。多關節機器人的本體結構是由機體結構和傳動系統組成，主要有機器人的機座、腰部關節轉動裝置、大臂及大臂轉動裝置、小臂及小臂轉動裝置、手腕及手腕關節轉動裝置、末端執行器幾個部分。

2 機械手的控制系統硬件設計

2.1 微控制器

微芯公司PICmicro微型控制器是最受歡迎的機器人控制芯片之一。其特點在于系統配置易于操作，系統時鐘、系統復位、系統輸入/輸出可選，易于編程和多中斷源中斷等。例如PIC16控制器產品是總線型微控制器，有三個定時器、最高時鐘33 MHz、多中斷矢量、I/O引腳增強、并行編程等。

2.2 控制系統硬件設計

該機械手控制系統由PICmicro微型控制器PIC16F877構成的核心控制單元和以PC為上位機及控制速度和位移的伺服控制系統組成，硬件框圖見圖1。

作為上位機的微型計算機PC主要完成系統管理、故障診斷、機器語言的編輯和編譯等功能。通過接口RS-232把PC與示教盒連在一起，由示教盒完成示教程序輸入，亦可由鍵盤完成指令的輸入。

圖 2 PIC機械手最小控制系統

控制器PIC16一方面接受上位機的指令，另一方面通過數模轉換完成對機械手各關節伺服控制電機的速度、位移的控制。PIC的外圍通信電路是微控制器PIC與微機的通信接口電路RS-232。將PIC16串口的I/O與MAX232串口接口相聯。PIC芯片構成的機械手伺服控制系統是用來控制以增量式為位置元件的直流電機伺服系統，具有較強的實時控制能力。指令豐富，由上位機PC編程控制，與其他功能器件構成伺服控制系統。

基于PICmicro智能換刀機械手最小控制系統如圖2所示。

圖 3 控制系統軟件流程圖

3 機械手的控制系統軟件設計

控制系統軟件設計包括兩方面，一方面是上位機PC的軟件開發，例如啟動、清零、確定坐標起點、進行示教、計算與檢驗、動作的再現等；另一方面是微控制器PIC的數字伺服控制軟件的開發及仿真。包括匯編程序、解釋程序、編譯器、仿真器等。

圖3為控制系統軟件開發的流程圖。初始化是定時器、顯示器、接口等的初始化，以及內存數據區清零。示教編程就是操作人員輸入指令確定機械手末端運動軌跡。示教要根據坐標種類來示教。軌跡插補計算就是在坐標系中通過直線插補、圓弧插補等原理完成軌跡計算。現代的機械手具有視覺定位，觸覺抓舉等先進控制功能。

微控制器PIC的軟件開發利用了HI-TFCH Software公司的PICC Lite編譯器和Microchip公司的MPLAB IDE完成程序編寫。

這些應用軟件開發工具都是面向微軟操作系統設計的，可以用于Windows 2000、Windows XP等系統，操作及應用很方便。

4 結論

自動換刀機械手要準確、靈活地完成換刀，就必須對控制系統進行設計計算，以解決各關節與末端速度、位置、力等量的控制。該機械手的控制系統設計是以PICmicro微型控制器為換刀機械手的核心，上與計算機PC通信，下與關節機器人各關節直流伺服電機控制系統相聯的完整機器人控制系統。在設計的硬件、軟件上通過PC輸入的程序參數，或者示教的方式，能按要求的軌跡準確完成加工中心刀庫與機床主軸兩點之間的換刀任務。