三轴机械手控制器设计

陈亚军 张洁 胡明达

摘  要：为进一步提高机械手在工业生产领域中的工作精度和效率，以STM32+专用DSP作为核心的运动控制器，结构包含PCI接口、通信接口、人机接口等模块。系统工作时传感器将采集的数据传递给专用DSP处理器，专用DSP处理器对数据分析处理、发出指令，同时与STM32处理器进行数据传输，从而修正伺服电机参数，提高机械手工作精度，实现准确定位。所设计的机械手控制器可实现独立工作模式和“PC+运动控制卡”工作模式。测试结果表明，该系统降低了操作误差，提高机械手的灵活度和效率。

关键词：STM32控制器;专用DSP微处理器;控制卡

中图分类号：TP241 文献标志码：A      文章编号：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

随着信息化社会的不断进步，计算机、网络等技术快速发展，世界正越来越走向智能化，随之而来的是机器人行业的飞速发展，机械手在加工行业中的应用越来越多，机械手作为模拟人手臂的机械结构，可以根据要求完成指定动作，代替人类劳动，完成复杂、危险的作业，它能取代人类的重复机械工作，降低生产成本，提高生产效率。三轴机械手作用在综合加工自动生产线上，可以不间断地开展工作，以降低人力资源和更准确地控制生产节奏，提高生产效率。智能三轴机械手的广泛应用，使其对运行控制的要求不断提高[1]，如对物体的准确定位，稳定的安装，焊接等。三轴机械手在实际生产过程要对目标物体精准定位，通过传感器将物体的位置参数等传递给控制中心，然后控制器对电机发出指令，机械臂做出相应的动作，实现机械自动化的过程。但机械手在取代人工生产时，既要保证生产速度，同时也要保证生产过程中的精度和机械灵活性[2]。普通单片机硬件只能实现简单的算法运算，无法处理机械手大量的输入数据，难以精密控制伺服电机的加工操作。为此，设计了基于STM32+DSP微处理器为核心控制的机电系统[3]，采用云平台利用数学模型分析修改参数，使用算法和硬件设计优化控制系统。系统可自动匹配最优参数，真正实现机械自动化，具有效率高、精度高、降低成本、操作简单等优点，对提高现有工业生产效率具有积极意义。

本文采用以STM32微处理器为控制核心，以专用DSP处理器为运动控制器，包括PCI接口、通信接口、人机交互接口等模块。利用专用DSP芯片对数据进行数字信号处理运算，做到快速有效地实现各种算法[4]。智能机械手臂通过传感器采集外界数据，将数据发送给专用DSP处理器，专用DSP处理器通过编写的程序解析数据，进行电机控制，确定修正参数，并将针对不同智能机械手臂的修正参数发送给嵌入式工业计算机，以此控制驱动器，伺服电机，传感器等工件工作，从而实现智能机械手臂高精度，多自由度的精确控制。STM32微处理器为控制核心，通过工业网络实时通信，连接其他设备如人机界面（操作台和上位机）、安全设备终端，形成一个智能机械手臂控制網络，并针对机械手臂工作中出现的问题，进行及时处理，大大提高智能机械手臂的控制精度，从而带动相关产业的技术提升。

1 三轴机械手结构原理

本文设计一种能在三自由度内实现高效、精确、稳定控制的智能机械手控制器，使其具有优良的性能。机械手由机械部分（X，Y，Z三自由度移动平台）、伺服驱动系统模块、传感器信息采集模块、互联网联网反馈模块、电源供能模块等组成，能够完成在三自由度坐标内精确定位，快速稳定到达指定的动作位置。本文设计的机械手为通用模块，通过机械手末端执行机构的更换可以改变其用途和功能，例如抓取，喷涂，焊接等功能。

如图1所示，三轴机械手的结构主要是由X，Y，Z三自由度移动平台、伺服电机及其驱动器、传感器、嵌入式工业计算机等组成，通过Internet与远端的云平台联网，将采集到的机械手相关参数传输给专用DSP微处理器，通过解析数据，从而修正机械手误差，提高准确性。

智能三轴机械手是通过反馈修改参数的多功能机器。以专用DSP处理器为运动控制器，应用伺服驱动、传感器监测、联网数据反馈等模块，并加入嵌入式工业计算机进行高效控制。定期将采集到的工作状态参数传送给专用DSP微处理器，使其修改机械手参数，使机械手工作参数最优，实现高精度、多自由度的智能控制，以满足准确定位、稳定工作，快速识别信号实现抓取及喷涂，焊接等工作要求。

2 控制系统总体结构

三轴机械手的控制系统总体结构图如图2所示。

本设计中采用以STM32+专用DSP为核心的运动控制器控制电机的运动[3]。专用DSP主要负责处理输入信号并控制伺服电机的运动，STM32控制器通过网口、USB接口、人机交互接口实现与外部数据的交互。计算机通过USB接口连接STM32核心控制器可以进行现场程序下载更新，方便技术员现场调试[4]。三轴机械手在末端安装三轴加速度计、姿态传感器、速度传感器和磁力计等，采集三轴机械手的转速、转矩、角速度、加速度、惯量等参数，对机械手的工作情况进行实时监测。采用PCI总线实现对三轴机械手的整体控制。采用的双口RAM是作为STM32和CH365双向通讯的缓冲存储。

3 系统硬件设计及工作原理

3.1 控制核心平台设计

控制卡控制核心采用STM32+DSP模式，STM32为核心控制器，外接网口、人机交互接口、USB接口，专用DSP控制电机运动。

STM32具体型号为STM32f429，该芯片作为控制卡的控制核心，以ARM Cortex-M4为内核，频率可达180MHz，拥有强大的数字处理器。除此之外，STM32f429还内置3个A/D转换器，24个通道，提高机械手的工作效率。

PCI接口采用双口RAM作为PC和STM32都可以访问的存储区，左端连接CH365可以显示其内存空间，右端连接STM32+专用DSP芯片，便于随时被访问。在STM32与CH365相互通信时，双口RAM可以作为缓冲芯片，提高控制系统的工作效率。

三轴机械手运动控制采用专用DSP芯片PCL6045B控制电机运动，可同时控制X、Y、Z轴的伺服电机。PCL6045B是一款功能强大的专用DSP，其数据处理能力强，运行速度快，最多可控制四轴运动，STM32f429将接收到的指令通过16位I/O总线接口向PCL6045B发送，PCL6045B通过产生脉冲信号进而控制伺服电机。将编码器等传感器采集到的信号和其它控制信号传递给PCL6045B，所有接口均采用光耦隔离。PCL6045B负责所有的运动控制算法，控制三轴机械手进行工作，可实现匀速、线形、S形加减速、连续、定长等输出动作。

当STM32F429通过接口接收数据并传递给PCL6045B后，PCL6045B接收数据通过控制程序控制伺服电机移动，并实时监控三轴机械手的运动信号。与此同时，PCL6045B内部的数据存储器和程序存储器保存控制参数和控制程序。当三轴机械手处于脱机工作状态时，PCL6045B利用控制算法在存储器里寻找最优参数，保证脱机状态下的工作精度。图3为控制结构图。

3.2 人机交互及通信接口

运动控制器采用了显示屏、键盘作为人机交互接口，通过显示屏了解机械手臂的工作状况和各项参数，并使用键盘输入修改参数。另外，设置了USB接口、网口通信接口适应多种需求以实现多种方式修改生产参数，保证了控制系统在不同生产环境下的应用，提高了工作精度。

4 控制卡工作模式

为适应不同的工作需求，设计的运动控制器可以实现两种工作模式：独立工作模式和“PC+运动控制卡”工作模式。

在独立工作模式下，传感器通过将采集的数据传递给专用DSP，由专用DSP根据相应的控制算法分别实现伺服電机X、Y、Z运动控制功能，电机之间相互独立，互不影响。STM32通过嵌入式操作系统FreeRTOS实现网络通信、USB通信以及人机交互等功能的调度管理。通过人机接口可以实现参数设置;通过网口接入工业局域网实现联网，便于实现多机器人统一协调控制。

在PC+运动控制卡工作模式下，通过PCI接口将控制卡插入PC插槽，由PC实现人机交互功能，向控制卡发送控制指令，控制卡根据采集的信息和接受指令通过相应的控制算法分别实现对伺服电机X、Y、Z轴的运动控制。

5 结束语

本设计中机械手臂通过传感器采集数据，将数据发送给STM32+DSP处理器，STM32+DSP处理器通过解析数据，确定修正参数，运行相应的算法程序，从而实现智能机械手臂高精度，多自由度的精确控制。嵌入式工业计算机通过网络与智能机械手臂实时通信，连接其他设备如人机界面（操作台和上位机）、安全设备终端，形成一个智能机械手臂控制网络，并针对机械手臂工作中出现的误差等问题，进行及时处理，大大提高智能机械手臂的控制精度，从而带动相关产业的技术提升。

参考文献：

[1]刘燕，邹萍，管文娟.基于PLC的三轴机械手控制系统的设计与实现[J].制造业自动化，2016，38（07）：21-24+36.

[2]熊毅，玉振明，陈炳忠.基于DSP宝石加工机械手控制系统设计与实现[J].组合机床与自动化加工技术，2011（08）：56-59+63.

[3]陈大亮，刘鹏，苏丹.ARM+PCL6045B的嵌入式运动控制器设计[J].单片机与嵌入式系统应用，2009（09）：62-65.

[4]李亚美.基于PCI总线的STM32运动控制卡的设计[J].电子设计工程，2013，21（01）：166-169.