基于PICmicro智能换刀机械手控制系统的设计

张继红

四川职业技术学院，四川遂宁

0 引言

机器人控制系统需完成对关节机械手臂的各关节及末端执行器电机的力、加速度、位姿等的控制。控制系统的核心在于控制芯片的选择，有选用DSP系列的芯片并应用于足球机器人、自平衡两轮电动车，选用C51用于搬运机器人，选用PMAC用于行架机器人，选用FANUC用于焊接机器人。本文选用Microchip公司生产的PICmicro微型控制器为换刀机械手的核心设计机器人控制系统。

1 机械手的本体结构

机械手控制系统必须准确控制其位置和姿势，位置可以由基准坐标的位置矢量（x，y，z）来描述，而姿势表示了手部抓持刀具的方向，由方向矢量（α，β，γ）来描述。多关节机器人的本体结构是由机体结构和传动系统组成，主要有机器人的机座、腰部关节转动装置、大臂及大臂转动装置、小臂及小臂转动装置、手腕及手腕关节转动装置、末端执行器几个部分。

2 机械手的控制系统硬件设计

2.1 微控制器

微芯公司PICmicro微型控制器是最受欢迎的机器人控制芯片之一。其特点在于系统配置易于操作，系统时钟、系统复位、系统输入/输出可选，易于编程和多中断源中断等。例如PIC16控制器产品是总线型微控制器，有三个定时器、最高时钟33 MHz、多中断矢量、I/O引脚增强、并行编程等。

2.2 控制系统硬件设计

该机械手控制系统由PICmicro微型控制器PIC16F877构成的核心控制单元和以PC为上位机及控制速度和位移的伺服控制系统组成，硬件框图见图1。

作为上位机的微型计算机PC主要完成系统管理、故障诊断、机器语言的编辑和编译等功能。通过接口RS-232把PC与示教盒连在一起，由示教盒完成示教程序输入，亦可由键盘完成指令的输入。

图 2 PIC机械手最小控制系统

控制器PIC16一方面接受上位机的指令，另一方面通过数模转换完成对机械手各关节伺服控制电机的速度、位移的控制。PIC的外围通信电路是微控制器PIC与微机的通信接口电路RS-232。将PIC16串口的I/O与MAX232串口接口相联。PIC芯片构成的机械手伺服控制系统是用来控制以增量式为位置元件的直流电机伺服系统，具有较强的实时控制能力。指令丰富，由上位机PC编程控制，与其他功能器件构成伺服控制系统。

基于PICmicro智能换刀机械手最小控制系统如图2所示。

图 3 控制系统软件流程图

3 机械手的控制系统软件设计

控制系统软件设计包括两方面，一方面是上位机PC的软件开发，例如启动、清零、确定坐标起点、进行示教、计算与检验、动作的再现等；另一方面是微控制器PIC的数字伺服控制软件的开发及仿真。包括汇编程序、解释程序、编译器、仿真器等。

图3为控制系统软件开发的流程图。初始化是定时器、显示器、接口等的初始化，以及内存数据区清零。示教编程就是操作人员输入指令确定机械手末端运动轨迹。示教要根据坐标种类来示教。轨迹插补计算就是在坐标系中通过直线插补、圆弧插补等原理完成轨迹计算。现代的机械手具有视觉定位，触觉抓举等先进控制功能。

微控制器PIC的软件开发利用了HI-TFCH Software公司的PICC Lite编译器和Microchip公司的MPLAB IDE完成程序编写。

这些应用软件开发工具都是面向微软操作系统设计的，可以用于Windows 2000、Windows XP等系统，操作及应用很方便。

4 结论

自动换刀机械手要准确、灵活地完成换刀，就必须对控制系统进行设计计算，以解决各关节与末端速度、位置、力等量的控制。该机械手的控制系统设计是以PICmicro微型控制器为换刀机械手的核心，上与计算机PC通信，下与关节机器人各关节直流伺服电机控制系统相联的完整机器人控制系统。在设计的硬件、软件上通过PC输入的程序参数，或者示教的方式，能按要求的轨迹准确完成加工中心刀库与机床主轴两点之间的换刀任务。