盧桂萍， 鄭文鐸， 陳增霖

（北京理工大學(xué)珠海學(xué)院工業(yè)自動(dòng)化學(xué)院，廣東 珠海 519088）

基于單片機(jī)的桌面型并聯(lián)機(jī)器人的設(shè)計(jì)

盧桂萍， 鄭文鐸， 陳增霖

（北京理工大學(xué)珠海學(xué)院工業(yè)自動(dòng)化學(xué)院，廣東 珠海 519088）

傳統(tǒng)的并聯(lián)機(jī)器人采用PLC等工業(yè)控制器控制，體積相對(duì)較大，成本高。文中設(shè)計(jì)將使用STM32單片機(jī)取代PLC作為整個(gè)并聯(lián)機(jī)器人系統(tǒng)的控制核心，并和C#編寫的電腦上位機(jī)軟件通訊，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力，實(shí)現(xiàn)并聯(lián)機(jī)器人的示教與再現(xiàn)等功能。

并聯(lián)機(jī)器人;桌面型;單片機(jī);上位機(jī);步進(jìn)電動(dòng)機(jī)

0 引言

近幾年來，全球范圍內(nèi)工業(yè)機(jī)器人的速度增長(zhǎng)超過10%，僅2012年全球的工業(yè)機(jī)器人的總裝機(jī)量就超過了120萬臺(tái)，其中我國(guó)裝機(jī)量接近10萬臺(tái)，僅占全球裝機(jī)總量的8%。而從機(jī)器人的使用密度來看，2014年，全球工業(yè)機(jī)器人使用密度最高的國(guó)家是韓國(guó)，每一萬名工人擁有的機(jī)器人數(shù)量達(dá)到347臺(tái)，日本以339臺(tái)/萬人僅次于韓國(guó)，德國(guó)以251臺(tái)/萬人排第三，而我國(guó)只有21臺(tái)/萬人，這樣的水平甚至不到國(guó)際水平55臺(tái)/萬人的1/2。目前看來，我國(guó)制造業(yè)的自動(dòng)化程度相對(duì)較低，仍有很大的發(fā)展空間。另外，我國(guó)的工業(yè)機(jī)器人市場(chǎng)多為國(guó)外占據(jù)，如ABB、發(fā)那科、庫(kù)卡和安川四大家占據(jù)了我國(guó)工業(yè)機(jī)器人市場(chǎng)的85%，而中國(guó)的工業(yè)機(jī)器人制造公司起步較晚，市場(chǎng)份額小，規(guī)模也小，一直被外國(guó)企業(yè)壓制。技術(shù)上，工業(yè)機(jī)器人的核心技術(shù)及關(guān)鍵部件的制造技術(shù)一直被國(guó)外壟斷，像伺服電動(dòng)機(jī)及伺服驅(qū)動(dòng)器，還有RV減速器等關(guān)鍵零部件國(guó)內(nèi)無法生產(chǎn)，長(zhǎng)期依賴進(jìn)口，所以我們要加快工業(yè)機(jī)器人的研究，以推進(jìn)中國(guó)工業(yè)的自動(dòng)化生產(chǎn)及智能制造的發(fā)展[1]。

如果本設(shè)計(jì)能實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)，將有以下意義：1）降低機(jī)器人成本；2）減小并聯(lián)機(jī)器人整體系統(tǒng)的體積；3）促進(jìn)高校的工業(yè)機(jī)器人類課程的教學(xué)改革。

1 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 需要解決的問題

STM32單片機(jī)作為控制核心是本設(shè)計(jì)最為重要的部分。如何讓STM32輸出指定頻率的PWM，靈活控制通用輸入輸出IO的狀態(tài)和如何利用定時(shí)器計(jì)算STM32輸出的脈沖數(shù)，是整個(gè)作品能否完成的關(guān)鍵。

機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。尺寸和公差，粗糙度的選擇和計(jì)算，減速比的計(jì)算，同步帶的選擇和各種零部件的材料選擇。

電路的設(shè)計(jì)。包括控制模塊，驅(qū)動(dòng)模塊，傳感檢測(cè)模塊。

上位機(jī)的程序和算法設(shè)計(jì)。如何運(yùn)用C#編寫上位機(jī)，機(jī)器人控制平臺(tái)所需要的功能，要顯示的數(shù)據(jù)，界面的設(shè)計(jì)。

串口通訊技術(shù)。本設(shè)計(jì)中電腦上位機(jī)和STM32之間傳遞的數(shù)據(jù)雖然不多，但是上位機(jī)和單片機(jī)之間的數(shù)據(jù)交互傳輸非常頻繁，幾乎每一步的操作都需要兩者的通訊來確認(rèn)，所以需要安排好數(shù)據(jù)發(fā)送和接收的時(shí)間，按照其重要性分配優(yōu)先級(jí)。還有上位機(jī)和單片機(jī)通過串口每次只能發(fā)送一個(gè)8位的數(shù)據(jù)，要保持信息的準(zhǔn)確性需要編寫數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換算法，同時(shí)也要提高傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性。

1.2 總體方案

本設(shè)計(jì)將系統(tǒng)的工作模式分為示教模式和再現(xiàn)運(yùn)行模式，具體的實(shí)現(xiàn)方案如下。

1.2.1 示教模式

示教模式是用戶通過直接操作機(jī)器人控制平臺(tái)來手動(dòng)調(diào)整機(jī)器人的末端位置，并記錄下機(jī)器人當(dāng)前的坐標(biāo)，最終形成一段記錄機(jī)器人再現(xiàn)運(yùn)行的軌跡的程序。在示教模式下，用戶先點(diǎn)擊機(jī)器人控制平臺(tái)上方向控制界面的虛擬按鍵，包括有X+、X-、Y+、Y-、Z+、Z-六個(gè)按鍵分別代表著機(jī)器人末端向X、Y、Z三個(gè)坐標(biāo)軸的正反方向移動(dòng)，當(dāng)移動(dòng)機(jī)器人末端向某個(gè)方向移動(dòng)，到達(dá)目標(biāo)位置在該方向上的坐標(biāo)值時(shí)，按下獲取示教點(diǎn)按鈕，獲取機(jī)器人末端的位置坐標(biāo)，然后再控制機(jī)器人在其他方向上的移動(dòng)，依次記錄直到機(jī)器人末端到達(dá)目標(biāo)位置。

1.2.2 再現(xiàn)運(yùn)行模式

再現(xiàn)運(yùn)行是要求機(jī)器人系統(tǒng)在已有程序的情況下，讓機(jī)器人末端根據(jù)程序里記錄的點(diǎn)位，一步步運(yùn)行，形成一段軌跡。在示教完成后，點(diǎn)擊示教按鍵，示教按鍵的內(nèi)容由“示教”切換為“再現(xiàn)運(yùn)行”，此時(shí)機(jī)器人控制平臺(tái)會(huì)彈出一個(gè)提示框，提示“是否再現(xiàn)運(yùn)行”，此時(shí)點(diǎn)擊“確定”，則系統(tǒng)開始執(zhí)行程序，機(jī)器人末端開始沿著記錄的點(diǎn)位運(yùn)行。如果點(diǎn)擊“取消”，則不進(jìn)行再現(xiàn)運(yùn)行。

圖1 控制系統(tǒng)圖

從圖1可以看到，在本設(shè)計(jì)系統(tǒng)中，用戶通過上位機(jī)界面輸入，直接操作機(jī)器人控制平臺(tái)，上位機(jī)會(huì)記錄并儲(chǔ)存操作的一些數(shù)據(jù)，同時(shí)跟STM32之間進(jìn)行串口通訊，交換數(shù)據(jù)，STM32根據(jù)上位機(jī)傳遞來的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算并輸出相應(yīng)的信號(hào)給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，從而使機(jī)器人末端根據(jù)要求運(yùn)動(dòng)。

2 控制核心的選擇

2.1 對(duì)控制核心的要求

根據(jù)整個(gè)設(shè)計(jì)的要求，主控芯片要能和電腦之間進(jìn)行通訊，所以要求主控芯片有串口的發(fā)送和接收功能。還有要求主控芯片能輸出3路符合要求的PWM，并且能夠進(jìn)行計(jì)時(shí)來計(jì)算輸出的脈沖量，這就要求芯片有足夠多的定時(shí)器。并且要有一定數(shù)量的通用IO來滿足傳感器，驅(qū)動(dòng)器的使用及一些其他需求。另外，并聯(lián)機(jī)器人的算法比較復(fù)雜，程序量大，實(shí)時(shí)性高，所以要求芯片具有較高的運(yùn)算速度。

2.2 單片機(jī)選型

市面上普遍采用的并聯(lián)機(jī)器人主控造價(jià)都比較昂貴，而且開發(fā)的難度相對(duì)較大。本設(shè)計(jì)采用STM32F103ZET6作為整個(gè)系統(tǒng)的主控芯片，該芯片是基于ARM Cortex-M3核心的32位微控制器,LQFP-144封裝，具有豐富的外設(shè)[2]。

2.3 機(jī)器人控制平臺(tái)設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)的并聯(lián)機(jī)器人控制平臺(tái)將在個(gè)人電腦上完成，采用了C#編程語(yǔ)言，C#是由微軟公司發(fā)布的一種面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)語(yǔ)言。C#作為一種現(xiàn)代的、通用的編程語(yǔ)言，其容易學(xué)習(xí)、結(jié)構(gòu)化和高效率使其成為一種廣泛應(yīng)用的語(yǔ)言[3]。

根據(jù)本設(shè)計(jì)的要求，控制平臺(tái)要有以下功能：1）STM32單片機(jī)與電腦通訊設(shè)置；2）并聯(lián)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制；3）示教與再現(xiàn)運(yùn)行的設(shè)置；4）相關(guān)參數(shù)的顯示。

所以，本設(shè)計(jì)的并聯(lián)機(jī)器人的控制平臺(tái)分為4個(gè)模塊，分別是串口設(shè)置、方向控制、示教與再現(xiàn)窗口和數(shù)據(jù)顯示[4]。最終設(shè)計(jì)的控制平臺(tái)界面如圖2所示。

圖2 并聯(lián)機(jī)器人控制平臺(tái)界面

3 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)整體要求

機(jī)械結(jié)構(gòu)作為并聯(lián)機(jī)器人的硬件，對(duì)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)精度有著至關(guān)重要的影響，所以對(duì)機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)有以下的基本要求：

1）基于本設(shè)計(jì)的定位，首先必須滿足運(yùn)動(dòng)精度、運(yùn)動(dòng)范圍、經(jīng)濟(jì)性等要求[5]；2）滿足機(jī)器人運(yùn)動(dòng)精度對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)的剛性、變形量的要求；3）在經(jīng)濟(jì)性許可的前提下應(yīng)該盡可能縮短傳動(dòng)鏈，簡(jiǎn)化傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，提高傳動(dòng)的精度和效率；4）出于經(jīng)濟(jì)性的考慮，部分部件將采用手動(dòng)加工，所以應(yīng)該將個(gè)人手動(dòng)加工的能力范圍考慮到部分結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和選型中；5）應(yīng)方便加工和裝配，對(duì)于加工的誤差應(yīng)該有機(jī)構(gòu)或者措施進(jìn)行調(diào)整補(bǔ)償，使得可以降低零部件的加工精度要求；6）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可靠合理，符合加工的可行性。

3.2 機(jī)械結(jié)構(gòu)整體布局

本設(shè)計(jì)的并聯(lián)機(jī)器人一共3個(gè)自由度，根據(jù)并聯(lián)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)要求，每個(gè)自由度控制的機(jī)械臂互成120°，由步進(jìn)電動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力來源，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)通過減速裝置和主機(jī)械臂相連，主機(jī)械臂再和副機(jī)械臂相連，最后副機(jī)械臂的另一端通過抓具中心連接，形成整個(gè)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)部分的機(jī)械本體，如圖3所示。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)和減速機(jī)構(gòu)直接固定在基板上，考慮到機(jī)械零部件加工的精度，基板和步進(jìn)電動(dòng)機(jī)等零件的裝配必須位置可調(diào)[6]。

圖3 并聯(lián)機(jī)器人工作范圍

圖4 傳動(dòng)系統(tǒng)

3.3 傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

考慮到成本與體積問題，還有機(jī)器人使用的負(fù)載不會(huì)太大，所以使用的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)力矩和傳動(dòng)系統(tǒng)減速比不要求太大。同步帶傳動(dòng)具有傳動(dòng)比準(zhǔn)確、對(duì)軸作用力小、結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點(diǎn)，但是減速比沒辦法像減速箱一樣大，且體積較大，占空間，考慮到并聯(lián)機(jī)器人的主要搬運(yùn)對(duì)象是重量較輕的物體，所以選用同步帶減速是可行的[7]。所以本設(shè)計(jì)選用同步帶進(jìn)行減速，考慮到帶輪的直徑，選用減速比為1:4，主動(dòng)輪齒數(shù)為10，從動(dòng)輪齒數(shù)40，如圖4所示。

圖5 機(jī)械臂結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

3.4 機(jī)械臂設(shè)計(jì)

并聯(lián)機(jī)器人的機(jī)械臂分為主機(jī)械臂和副機(jī)械臂，如圖5所示，主副機(jī)械臂一共3對(duì)，一個(gè)主機(jī)械臂和一個(gè)副機(jī)械臂相連，最后每個(gè)副機(jī)械臂的另一端通過抓具中心相連[8]。

圖6 主機(jī)械臂往下運(yùn)動(dòng)

圖7 軸承座和步進(jìn)電動(dòng)機(jī)支架相對(duì)位置

圖8 軸承座和步進(jìn)電動(dòng)機(jī)安裝孔設(shè)計(jì)

圖9 機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)裝配圖

3.5 基板設(shè)計(jì)

基板是并聯(lián)機(jī)器人的主要結(jié)構(gòu)，要承受整個(gè)機(jī)器人本體大部分結(jié)構(gòu)的重量，在本設(shè)計(jì)中，包括整個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)都是安裝在基板上，所以基板的設(shè)計(jì)合理性尤為重要。

我們的并聯(lián)機(jī)器人指的是Delta機(jī)器人，從字面上理解就可知道這種機(jī)器人的外觀呈三角形，所以基板的外觀也是三角形，使整個(gè)作品更加美觀。因?yàn)閭鲃?dòng)系統(tǒng)安裝在基板上，所以主機(jī)械臂也在基板上方，但是由于主機(jī)械臂將跟著帶輪軸旋轉(zhuǎn)，基板將阻礙到主機(jī)械臂往下方轉(zhuǎn)動(dòng)，所以，基板上應(yīng)該開一個(gè)槽，使得主機(jī)械臂能順利通過基板。如圖6所示。

另外，本設(shè)計(jì)使用同步帶作為減速機(jī)構(gòu)，同步帶在使用一定時(shí)間后會(huì)出現(xiàn)松弛現(xiàn)象，且由于制造精度的問題，每個(gè)同步帶實(shí)際周長(zhǎng)都不一定等于設(shè)計(jì)周長(zhǎng)，所以，同步帶的張緊就要依靠調(diào)節(jié)主從動(dòng)輪之間的中心距來實(shí)現(xiàn)，所以就要求軸承座和步進(jìn)電動(dòng)機(jī)支架之間的距離可調(diào)[9-15]，如圖8所示。由于軸承座的位置將決定主機(jī)械臂的位置，且每個(gè)主機(jī)械臂之間互成120°，所以，軸承座的位置應(yīng)該確定下來，通過調(diào)整步進(jìn)電動(dòng)機(jī)支架的位置來調(diào)整二者之間的中心距。如圖8所示，在基板上安裝步進(jìn)電動(dòng)機(jī)支架的地方銑出兩道比電動(dòng)機(jī)支架安裝螺栓略大的槽，支架在基板上可以左右運(yùn)動(dòng)，從而達(dá)到調(diào)整中心距的目的。

最后設(shè)計(jì)完成的機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)如圖9所示，其中機(jī)器人的支架隱藏處理。

4 結(jié) 論

本設(shè)計(jì)驗(yàn)證了利用單片機(jī)作為控制核心實(shí)現(xiàn)并聯(lián)機(jī)器人基本功能的可能性，可作為繼續(xù)研究并完善桌面型并聯(lián)機(jī)器人的基礎(chǔ)，本設(shè)計(jì)中的并聯(lián)機(jī)器人一些功能還有待改進(jìn)及完善。本設(shè)計(jì)中使用的主控芯片STM32單片機(jī)的性能及配置只能滿足目前相對(duì)簡(jiǎn)單的機(jī)器人功能使用，在后續(xù)的研究設(shè)計(jì)中，需要更換性能更高的主控芯片，并且需要引入操作系統(tǒng)方能滿足設(shè)計(jì)要求。

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Design of Desktop Parallel Robot Based on Single-chip Computer

LU Guiping,ZHENG Wenduo,CHEN Zenglin
（School ofIndustrial Automation,BeijingInstitute ofTechnology（Zhuhai）,Zhuhai 519088,China）

The traditional parallel robot is controlled by PLC and other industrial controller,which has the disadvantages of relatively large volume and high cost.This paper designs a parallel robot which uses STM32 MCU to replace PLC as control core,which communicates with PC software written by C#software.Step motor is used as driver to realize functions of the parallel robot teaching and representation.

parallel robot;desktop;single chip microcomputer;PC;stepper motor

TP 242

A

1002－2333（2018）01－0008－04

珠海市重點(diǎn)項(xiàng)目（3200030／070／001／001）;廣東省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)計(jì)劃2016年省級(jí)項(xiàng)目（DC201673）

（編輯立 明）

盧桂萍（1976—），女，碩士，副教授，研究方向?yàn)闄C(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

2017-04-18