宋東亞

摘 要： 基于PLC的機(jī)械臂運(yùn)行軌跡控制系統(tǒng)通過(guò)PLC采集現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)及輸出信號(hào)的狀態(tài)變化實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂運(yùn)行軌跡的控制，不能實(shí)現(xiàn)多自由度機(jī)械臂控制。設(shè)計(jì)基于單片機(jī)的機(jī)械臂運(yùn)行軌跡在線控制系統(tǒng)，系統(tǒng)硬件由上位機(jī)PC在線控制、主控制板和機(jī)械臂舵機(jī)控制板構(gòu)成，通過(guò)光電編碼器位移傳感器實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂位置、位移感覺(jué)，利用舵機(jī)控制板采用Arduino舵機(jī)擴(kuò)展板和D?H理論，構(gòu)建機(jī)械臂結(jié)構(gòu)模型，實(shí)現(xiàn)多自由度機(jī)械臂的控制。系統(tǒng)軟件主要由上位機(jī)在線控制部分、主控制板控制程序和舵機(jī)控制板程序組成，由主控板控制程序和上位機(jī)在線控制程序兩部分實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂控制，通過(guò)單片機(jī)系統(tǒng)時(shí)鐘初始化提高系統(tǒng)的運(yùn)行速度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)能夠穩(wěn)定、快速地實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂軌跡控制，并且準(zhǔn)確度高。

關(guān)鍵詞： 單片機(jī)； 機(jī)械臂； 運(yùn)行軌跡； 舵機(jī)控制； 光電編碼器； 位移傳感器

中圖分類號(hào)： TN876?34； TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2018）18?0174?04

Design of manipulator movement trajectory online control system based on SCM

SONG Dongya

（Zhengzhou University of Industry Technology， Xinzheng 451150， China）

Abstract： The manipulator movement trajectory control system based on PLC implements trajectory control of manipulator movement by utilizing the PLC to collect status variations of site signals and output signals， and cannot implement control of the multi?degree?of?freedom manipulator. Therefore， a manipulator movement trajectory online control system based on single chip microcomputer （SCM） is designed. The hardware of the system is composed of the upper computer online control of PCs， main control board， and actuator control board of the manipulator. The photoelectric encoder and displacement sensor are adopted to realize sensing of the position and displacement of the manipulator. The structure model of the manipulator is constructed by using the Arduino extension actuator control board and the D?H theory to realize control of the multi?degree?of?freedom manipulator. The software of the system is mainly composed of the online control part of the upper computer， the control program of the main control board， and the program of the actuator control board. The control program of the main control board and the online control program of the upper computer are used to realize control of the manipulator. The running speed of the system is improved by means of clock initialization of the SCM system. The experimental results show that the designed system can implement stable and fast control of manipulator trajectory， and has a high accuracy.

Keywords： SCM； manipulator； movement trajectory； actuator control； photoelectric encoder； displacement sensor

隨著當(dāng)代社會(huì)信息技術(shù)和生產(chǎn)自動(dòng)化程度的突飛猛進(jìn)，機(jī)械人也隨之步入高度自動(dòng)化、智能化的階段，它替代傳統(tǒng)的人工作業(yè)方式，減輕勞動(dòng)量的同時(shí)，還可以提高生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)成本，并且使因人工疏忽導(dǎo)致的安全事故得到極大的減少[1]，在生產(chǎn)、生活中扮演著越來(lái)越重要的角色，已成為現(xiàn)代化生產(chǎn)中至關(guān)重要的環(huán)節(jié)。在機(jī)械人技術(shù)領(lǐng)域中，機(jī)械臂通過(guò)自動(dòng)控制具有操作功能和移動(dòng)功能[2]，可以通過(guò)編程來(lái)完成各種作業(yè)，廣泛的應(yīng)用在設(shè)備裝配、自動(dòng)噴漆、自動(dòng)化生產(chǎn)線、教育研究等領(lǐng)域。傳統(tǒng)的基于PLC的機(jī)械臂運(yùn)行軌跡控制系統(tǒng)不能實(shí)現(xiàn)多自由度控制，并且存在穩(wěn)定性差以及精度低的缺點(diǎn)。針對(duì)這種情況，本文設(shè)計(jì)了基于單片機(jī)的機(jī)械臂運(yùn)行軌跡在線控制系統(tǒng)。

1 基于單片機(jī)的機(jī)械臂運(yùn)行軌跡在線控制系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的硬件主要包括上位機(jī)PC在線控制、主控制板和機(jī)械臂舵機(jī)控制板三部分。系統(tǒng)的核心控制器也就是Arduino主控板使用ATmega1280單片機(jī)，連同包括顯示模塊、無(wú)線收發(fā)模塊在內(nèi)的五個(gè)硬件模塊共同組成系統(tǒng)控制器部分。

Arduino主控板經(jīng)由接口RS 232實(shí)現(xiàn)同PC機(jī)之間的互通，并于在線控制計(jì)算機(jī)上進(jìn)行功能選擇，控制信息經(jīng)由RS 232通信協(xié)議傳輸至主控板。利用主控板對(duì)將實(shí)施的運(yùn)行操作和不同參數(shù)進(jìn)行控制，將結(jié)果利用RF無(wú)線收發(fā)模塊傳輸至舵機(jī)控制板，生成脈寬調(diào)制信號(hào)[3]。為達(dá)到多個(gè)伺服舵機(jī)互相協(xié)作實(shí)現(xiàn)指定操作，需要對(duì)傳輸?shù)男盘?hào)施加有差異的時(shí)間控制。

1.2 ATmega1280單片機(jī)選擇

機(jī)械臂運(yùn)行軌跡在線控制系統(tǒng)的核心控制器選擇ATmega1280單片機(jī)，它是8位微控制器，其特點(diǎn)是能耗小、性能高，片上資源充足。ATmega1280單片機(jī)內(nèi)含86個(gè)I/O、16個(gè)模擬信號(hào)輸入接口、4個(gè)串口、E2PROM儲(chǔ)存芯片的同時(shí)，還有JTAG模擬等作用，為系統(tǒng)的編程提供便利。

1.3 光電編碼器位移傳感器設(shè)計(jì)

機(jī)械臂正常運(yùn)作在核心控制器的基礎(chǔ)上還需要有最基本的位置感覺(jué)和位移感覺(jué)，而感覺(jué)則需要利用傳感器實(shí)現(xiàn)。本文設(shè)計(jì)的機(jī)械臂運(yùn)行軌跡在線控制系統(tǒng)采用基于增量式光電編碼器的位移傳感器，此傳感器屬于非接觸型傳感器中的絕對(duì)型，具有分辨率高、速度快的特點(diǎn)。使用這種傳感器，機(jī)械臂關(guān)節(jié)不需要校準(zhǔn)，只要對(duì)該傳感器進(jìn)行通電設(shè)置[4]，控制系統(tǒng)就可以根據(jù)編碼器提供的線性或者旋轉(zhuǎn)位置知道實(shí)際的關(guān)節(jié)位置，編碼器的工作原理如圖1所示。

1.4 舵機(jī)控制板設(shè)計(jì)

本文系統(tǒng)選擇專為調(diào)控多自由度機(jī)械臂開(kāi)發(fā)的Arduino擴(kuò)展板作為舵機(jī)控制板，實(shí)現(xiàn)多自由度機(jī)械臂的控制[5]。此擴(kuò)展板能夠同時(shí)控制16路舵機(jī)，分辨率達(dá)到0.09°，不僅能夠使用USB通信接口，還可以使用TTL通信，方便擴(kuò)展板與主控制板之間的互連。

機(jī)械臂運(yùn)行軌跡在線控制系統(tǒng)硬件構(gòu)建完成后，依據(jù)D?H理論在空間內(nèi)對(duì)機(jī)械臂的各連桿塑造對(duì)應(yīng)坐標(biāo)系統(tǒng)，得到連桿同機(jī)械臂底座的相對(duì)坐標(biāo)系，獲取各連桿位置以及方向[6]，得到機(jī)械臂結(jié)構(gòu)圖模型，見(jiàn)圖2。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

機(jī)械臂運(yùn)行軌跡在線控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)過(guò)程中，為了保持思路清晰，提高移植性并方便修改，本文選擇區(qū)別作用的模塊化的設(shè)計(jì)方式設(shè)計(jì)的系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)，如圖3所示。軟件系統(tǒng)由上位機(jī)在線控制程序、主控制板程序和舵機(jī)控制板程序三部分組成。

2.1 機(jī)械臂控制系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)

機(jī)械臂運(yùn)行軌跡在線控制系統(tǒng)軟件控制部分為主控板控制程序及上位機(jī)在線控制程序。機(jī)械臂主程序分為三種模式：?jiǎn)巫杂啥裙δ苣Ｊ健⒍嘧杂啥裙δ苣Ｊ揭约败壽E規(guī)劃功能模式。不同模式間的調(diào)用可以利用鍵盤模塊的按鍵或上位機(jī)在線控制軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)[7]。機(jī)械臂自由度協(xié)作狀態(tài)可以利用不同的功能模式得到全部體現(xiàn)[8]。

本文使用LabVIEW軟件設(shè)計(jì)機(jī)械臂上位機(jī)在線控制軟件，實(shí)現(xiàn)上位機(jī)對(duì)機(jī)械臂的在線控制[9]。合格的在線控制界面是利用LabVIEW軟件，基于不同的條件科學(xué)對(duì)相應(yīng)的控件實(shí)施架構(gòu)得到。在本文系統(tǒng)的在線控制界面中包括六個(gè)舵機(jī)的數(shù)據(jù)在線控制轉(zhuǎn)盤、速度更改工具以及按鍵工具等。依據(jù)RS 232通信協(xié)議，本文系統(tǒng)的在線控制軟件能夠?qū)Ω髯杂啥绒D(zhuǎn)角、方向進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，其中舵機(jī)轉(zhuǎn)盤上的數(shù)值為脈寬值，表示舵機(jī)進(jìn)行更改的角度范圍。

2.2 單片機(jī)系統(tǒng)時(shí)鐘初始化

一般情況下，單片機(jī)為使自身CPU的運(yùn)行速度和系統(tǒng)的電磁兼容性能得到提升，會(huì)利用鎖相環(huán)提高片內(nèi)時(shí)鐘頻率，使其大于片外振蕩器的頻率。通過(guò)對(duì)片內(nèi)鎖相環(huán)電路初始化給系統(tǒng)提供更高的時(shí)鐘信號(hào)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)運(yùn)行速度及電磁兼容性能的提升[10]。本文系統(tǒng)選擇外部振蕩源為16 MHz，SYNR值和REFDV值能夠預(yù)設(shè)，則鎖相環(huán)PLL輸出時(shí)鐘頻率（單位：MHz）為：

[PLLCLK=2×OSCCLK×SYNR+1REFDV+1 =2×16×4+11+1=80] （1）

式中：SYNR表示時(shí)鐘合成寄存器；REFDV表示時(shí)鐘分頻寄存器；OSCCLK表示外部晶振（16 MHz）。則可以得到PLLCLK輸出時(shí)鐘頻率是80 MHz，總線時(shí)鐘選擇寄存器用OSCCLK描述，初始化是[0×8B]內(nèi)的位PLLSEL=0B1，所以總線時(shí)鐘頻率（單位：MHz）可表示為：

[Bus Clcok=PLLCLK/2=802=40] （2）

式中，Bus Clock表示總線時(shí)鐘頻率，即本文系統(tǒng)單片機(jī)正常運(yùn)行的總線時(shí)鐘頻率是40 MHz。具體流程如圖4所示。

3 實(shí)驗(yàn)分析

實(shí)驗(yàn)為驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)的基于單片機(jī)的機(jī)械臂運(yùn)行軌跡在線控制系統(tǒng)的有效性，進(jìn)行軌跡控制功能模式的仿真。在圖板上設(shè)置A（0，0，0）和B（3，2，0）兩點(diǎn)，使用本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)控制機(jī)械臂末端夾持器從A點(diǎn)開(kāi)始畫(huà)直線到B點(diǎn)結(jié)束，計(jì)算關(guān)節(jié)角并參考笛卡爾直線插補(bǔ)算法獲取直線。使用本文系統(tǒng)前、后的直線軌跡的對(duì)比如圖5所示。

分析圖5能夠得到，使用本文系統(tǒng)后，機(jī)械臂能夠根據(jù)預(yù)設(shè)的軌跡從A點(diǎn)出發(fā)，經(jīng)b，c，d，e點(diǎn)到達(dá)B點(diǎn)，說(shuō)明本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)能夠有效地實(shí)現(xiàn)軌跡控制功能。

實(shí)驗(yàn)為驗(yàn)證本文系統(tǒng)穩(wěn)定性，設(shè)置機(jī)械臂期望運(yùn)行時(shí)間是7.27 s，獲取本文系統(tǒng)與基于PLC的機(jī)械臂運(yùn)行軌跡控制系統(tǒng)完成機(jī)械臂運(yùn)行軌跡控制工作所用時(shí)間，如圖6所示。

通過(guò)分析圖6得到，由于基于PLC的機(jī)械臂運(yùn)行軌跡控制系統(tǒng)在進(jìn)行各目標(biāo)點(diǎn)的操作內(nèi)都存在停頓現(xiàn)象，而且限定時(shí)間減少后，其被動(dòng)加速導(dǎo)致機(jī)械臂關(guān)節(jié)運(yùn)行出現(xiàn)“加速?停頓?加速”的現(xiàn)象。而本文系統(tǒng)存在緩沖區(qū)，可以確保機(jī)械臂關(guān)節(jié)持續(xù)運(yùn)行。實(shí)驗(yàn)證明，通過(guò)本文系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)械臂穩(wěn)定、快速的運(yùn)行。

實(shí)驗(yàn)為驗(yàn)證本文系統(tǒng)的實(shí)行性，針對(duì)梯形軌跡和3次多項(xiàng)式軌跡進(jìn)行功能測(cè)試，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖7。

通過(guò)圖7能夠得到：梯形軌跡測(cè)試內(nèi)，除穩(wěn)定階段外，提升及下落階段軌跡控制都存在偏差，偏差小于0.3°，符合條件；3次多項(xiàng)式測(cè)試內(nèi)，軌跡控制效果良好，軌跡控制偏差小于0.4°，符合條件。實(shí)驗(yàn)證明，本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)進(jìn)行機(jī)械臂運(yùn)行軌跡控制時(shí)精度較高。

4 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)基于單片機(jī)的機(jī)械臂運(yùn)行軌跡在線控制系統(tǒng)，系統(tǒng)的硬件主要包括上位機(jī)PC在線控制、以ATmega1280單片機(jī)為核心控制器的主控制板以及實(shí)現(xiàn)多自由度機(jī)械臂控制的機(jī)械臂舵機(jī)控制板三部分；通過(guò)光電編碼器位移傳感器能夠?qū)崿F(xiàn)位置、位移感覺(jué)，為機(jī)械臂有效運(yùn)行提供基礎(chǔ)，舵機(jī)控制板通過(guò)D?H理論，構(gòu)建機(jī)械臂結(jié)構(gòu)模型，實(shí)現(xiàn)多自由度機(jī)械臂的控制。系統(tǒng)軟件主要由上位機(jī)在線控制程序和主控板控制程序以及舵機(jī)控制板程序組成。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)械臂穩(wěn)定、快速、準(zhǔn)確的運(yùn)行，在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)學(xué)等諸多領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

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