某碼垛機(jī)器人的機(jī)械臂控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)案例目錄TOC\o"1-3"\h\u10375某碼垛機(jī)器人的機(jī)械臂控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)案例 113885第一章機(jī)械臂控制系統(tǒng)的總體方案 1134491.1機(jī)械臂控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu) 1201761.2機(jī)械臂控制系統(tǒng)的控制策略 2241031.3機(jī)械臂控制系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn) 231883第四章機(jī)械臂控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 4182602.1主控模塊設(shè)計(jì) 450022.1.1主控芯片的選擇 435572.1.2復(fù)位電路 550742.1.3時(shí)鐘源電路 6115882.2電源模塊設(shè)計(jì) 71752.3步進(jìn)電機(jī)與驅(qū)動(dòng)芯片設(shè)計(jì) 87262.1.1步進(jìn)電機(jī)簡(jiǎn)介 8133422.1.3步進(jìn)電機(jī)的選型 8128642.1.4步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片選擇 957232.4其他輔助模塊 10207912.2.1LCD1602顯示模塊 1089712.2.2按鍵 11160062.2.3限位開關(guān) 12第一章機(jī)械臂控制系統(tǒng)的總體方案1.1機(jī)械臂控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)本次設(shè)計(jì)的機(jī)械臂控制系統(tǒng)的控制核心為stm32微控制器，驅(qū)動(dòng)裝置則使用步進(jìn)電機(jī)?？刂葡到y(tǒng)中械臂原點(diǎn)位置則利用限位開關(guān)來確定，確定好原點(diǎn)位置是機(jī)械臂能夠到達(dá)設(shè)定坐標(biāo)位置點(diǎn)的先決條件。為了讓機(jī)械臂的運(yùn)行數(shù)據(jù)可視化，決定使用LCD顯示器。為了機(jī)械臂能執(zhí)行不同的動(dòng)作或停止運(yùn)動(dòng)則使用不同的按鍵來控制。從算法的層面上來看，利用逆運(yùn)動(dòng)學(xué)方程來求解目標(biāo)位置來讓機(jī)械臂到達(dá)到達(dá)設(shè)定坐標(biāo)點(diǎn)，而求解逆運(yùn)動(dòng)學(xué)方程才能得到控制步進(jìn)電機(jī)的參數(shù)（脈沖個(gè)數(shù)、轉(zhuǎn)動(dòng)方向）。利用這些硬件模塊與算法部分構(gòu)成的一套完整、高效的機(jī)械臂控制系統(tǒng)，才能使機(jī)械臂完成制定的命令。圖3-1機(jī)械臂控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖1.2機(jī)械臂控制系統(tǒng)的控制策略利用正負(fù)限位開關(guān)來讓三個(gè)機(jī)械臂回到各自的原點(diǎn)位置，正負(fù)限位開關(guān)的中點(diǎn)處為各關(guān)節(jié)處的原點(diǎn)位置。用整個(gè)運(yùn)動(dòng)過程中步進(jìn)電機(jī)所需的脈沖數(shù)來表示每個(gè)機(jī)械臂的工作行程，所以從一側(cè)極限位置到另一側(cè)極限位置步進(jìn)電機(jī)所需要輸入的脈沖個(gè)數(shù)的一半就是機(jī)械臂的行程中點(diǎn)位置，利用限位開關(guān)就能控制機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)到原點(diǎn)位置。利用目標(biāo)位置求解程序就能得到每個(gè)關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度，步進(jìn)電機(jī)的控制參數(shù)就用所求的角度來確定，其轉(zhuǎn)動(dòng)的方向就由所求角度的正負(fù)來決定，角度的大小就能決定步進(jìn)電機(jī)所需的脈沖數(shù)。本次論文中的控制系統(tǒng)就是通過控制步進(jìn)電機(jī)來實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)。1.3機(jī)械臂控制系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)本次設(shè)計(jì)中的機(jī)械臂控制系統(tǒng)具有多個(gè)優(yōu)點(diǎn)，具體如下：控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單相對(duì)簡(jiǎn)單并且性能也足夠強(qiáng)大。因?yàn)榭刂菩酒x用的是STM32微控制器，復(fù)雜的逆運(yùn)動(dòng)學(xué)方程也能快速準(zhǔn)確的求解出來。因?yàn)轵?qū)動(dòng)電機(jī)選用的是步進(jìn)電機(jī)，給定所需的脈沖數(shù)和轉(zhuǎn)動(dòng)方向即可驅(qū)動(dòng)機(jī)械臂完成任務(wù)動(dòng)作，所以不需要復(fù)雜的閉環(huán)控制系統(tǒng)也能滿足需求還降低了使用的成本?？刂葡到y(tǒng)功能完善。為機(jī)械臂添加了按鍵、LCD顯示器、限位開關(guān)等輔助模塊后既能有效降低操作機(jī)械臂的難度還能提高運(yùn)行過程中的安全性?？刂葡到y(tǒng)模塊化特點(diǎn)突出。因控制系統(tǒng)中大部分功能都由模塊提供，還能根據(jù)實(shí)際需求更換部分模塊，而不會(huì)破壞整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。第四章機(jī)械臂控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)在本次設(shè)計(jì)中，機(jī)械臂控制系統(tǒng)硬件主要由主控制模塊、電源模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊和輔助模塊四個(gè)模塊組成。整個(gè)控制系統(tǒng)的核心是主控制模塊，它主要負(fù)責(zé)的功能有如下三種：通過運(yùn)行目標(biāo)位置求解程序從而計(jì)算三個(gè)步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)角；通過運(yùn)行原點(diǎn)程序來確定三個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的原點(diǎn)位置；通過控制引腳高低電平輸出進(jìn)而控制其他模塊。電源模塊除了為控制系統(tǒng)硬件供電外，還能穩(wěn)壓電路進(jìn)而實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的電壓輸出來確保各模塊正常工作。三個(gè)關(guān)節(jié)處的步進(jìn)電機(jī)和其驅(qū)動(dòng)芯片共同構(gòu)成了驅(qū)動(dòng)模塊，主要工作是使機(jī)械臂能夠運(yùn)動(dòng)到指定的位置。輔助模塊則由開關(guān)、按鍵、LCD液晶顯示器構(gòu)成。在選用機(jī)械臂控制系統(tǒng)的硬件時(shí)，會(huì)考慮以下幾個(gè)方面：所選用的硬件既能滿足基本性能要求還能控制機(jī)械臂到達(dá)設(shè)定的位置；所選用的硬件需要保證一定的穩(wěn)定性來確保機(jī)械臂能夠長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行而不發(fā)生故障。所選用的硬件在保證機(jī)械臂性能的同時(shí)也要盡可能的降低成本。選用硬件時(shí)盡可能的增加系統(tǒng)的可開發(fā)性，方便之后機(jī)械臂的功能拓展，比如通過更換末端執(zhí)行器及其驅(qū)動(dòng)模塊從而使機(jī)械臂能夠執(zhí)行不同的任務(wù)。2.1主控模塊設(shè)計(jì)主控模塊對(duì)于控制系統(tǒng)來說就是“大腦”。逆運(yùn)動(dòng)方程算法的求解、步進(jìn)電機(jī)的控制均由主控模塊來負(fù)責(zé)。為了滿足機(jī)械臂的工作性能，本設(shè)計(jì)中主控模塊主要由STM32芯片、時(shí)鐘電路、復(fù)位電路等構(gòu)成。2.1.1主控芯片的選擇目前有兩種主流的三自由度機(jī)械臂的主控芯片，分別是基于51單片機(jī)的MCU和基于STM32的MCU。結(jié)合本次機(jī)械臂設(shè)計(jì)要求和主體控制方案，最終選用了具體芯片型號(hào)為STM32F103ZET6的STM32微處理器，理由如下：STM32F103ZET6芯片擁有32位ARM?Cortex?-M3內(nèi)核，令其數(shù)據(jù)處理能力比51單片機(jī)所使用的8位MCU要高上不少。因?yàn)榭紤]到在本次設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)中關(guān)鍵部分在于求解出逆運(yùn)動(dòng)學(xué)方程的解。所以需要一款性能強(qiáng)悍的控制芯片。STM32官方設(shè)計(jì)的固件庫資料比較完整，所以可以直接調(diào)用庫函數(shù)來編寫程序，并且程序會(huì)有更強(qiáng)的可讀性和移植性。STM32單片機(jī)對(duì)比51單片機(jī)會(huì)有更多的輸入輸出引腳并且功耗較低，更多的因?yàn)橛休^多的的引腳，所以控制系統(tǒng)能夠控制多個(gè)傳感器和電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。STM32單片機(jī)的優(yōu)點(diǎn)相較于其他會(huì)更適用于控制多個(gè)自由度機(jī)械臂。2.1.2復(fù)位電路單片機(jī)最小系統(tǒng)中必不可少的部分就是復(fù)位電路，復(fù)位電路對(duì)于主控模塊具有十分重要的作用。在主控模塊中，把微控制器內(nèi)部各個(gè)寄存器置于初始狀態(tài)就需要用到復(fù)位電路，它讓硬件和軟件都能從一個(gè)確定的、唯一的零點(diǎn)位置開始工作，并且遇到故障還能重置系統(tǒng)。在本次設(shè)計(jì)中，復(fù)位電路采用的是由按鍵來實(shí)現(xiàn)復(fù)位，工作原理如下：當(dāng)控制系統(tǒng)通電時(shí)，C15電容進(jìn)入充電狀態(tài)，此時(shí)復(fù)位引腳持續(xù)一段高電平直到電容充電階段結(jié)束，單片機(jī)復(fù)位。當(dāng)按下復(fù)位按鍵時(shí)，電容放電使得復(fù)位引腳保持一段時(shí)間高電平狀態(tài)，單片機(jī)復(fù)位。如果機(jī)械臂在運(yùn)行過程中出現(xiàn)故障，按下復(fù)位鍵則將重置STM32上的所有外設(shè)，也會(huì)重新開始計(jì)算運(yùn)動(dòng)學(xué)算法部分。圖4-1復(fù)位電路圖2.1.3時(shí)鐘源電路時(shí)鐘電路的主要功能是為單片機(jī)提供一個(gè)節(jié)拍，在這個(gè)節(jié)拍的控制下單片機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)各種操作。本次設(shè)計(jì)采用的STM32微處理器在進(jìn)行系統(tǒng)時(shí)鐘配置時(shí)可以采用以下時(shí)鐘源：HSI、HSE。HSE是高速的外部時(shí)鐘，可以由頻率從4-16MHZ不等的有源晶振、無源晶振提供。在本次設(shè)計(jì)中，HSE使用的是頻率為8M的無源晶振。通常情況下會(huì)使用HSE作為系統(tǒng)時(shí)鐘來源，其晶振頻率過低的問題可以通過設(shè)置PLL的倍頻因子對(duì)PLL的時(shí)鐘來源（一般是HSE）進(jìn)行倍頻，精確配置出系統(tǒng)需要的運(yùn)行頻率。HSI是低速的外部時(shí)鐘，一旦HSE發(fā)生故障，系統(tǒng)的時(shí)鐘源就是HSI。圖4-2高速外部時(shí)鐘HSE電路圖圖4-3低速外部時(shí)鐘HSI電路圖2.2電源模塊設(shè)計(jì)電源模塊在整個(gè)控制系統(tǒng)中起到了至關(guān)重要的左右，它d能為控制系額統(tǒng)各個(gè)硬件模塊進(jìn)行供電。但對(duì)于硬件模塊而言，輸入電壓過大就有可能導(dǎo)致整個(gè)硬件電路被燒毀，輸入電壓過小則會(huì)驅(qū)動(dòng)不了硬件模塊進(jìn)行正常工作。控制系統(tǒng)各硬件能否正常、穩(wěn)定地工作都由電源模塊來決定。在本次設(shè)計(jì)的機(jī)械臂控制系統(tǒng)中，各個(gè)硬件模塊所需要的驅(qū)動(dòng)電壓大多不同，比如步進(jìn)電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)芯片正常工作需要的驅(qū)動(dòng)電壓為+12V，STM32芯片的驅(qū)動(dòng)電壓是+1.3V，LCD1602顯示器則需要+5V電壓驅(qū)動(dòng)。所以選用電壓轉(zhuǎn)換芯片來使各模塊正常的工作，它能將+12V的輸入電壓轉(zhuǎn)換為各模塊所需的驅(qū)動(dòng)電壓。綜合電源轉(zhuǎn)換效率、穩(wěn)定性、性價(jià)比等方面考慮，選用了LM2596-5.0和LM1117-1.3電壓調(diào)節(jié)芯片。其中LM2596-5.0芯片負(fù)責(zé)將輸入電壓降為+5V以驅(qū)動(dòng)LCD1602顯示器等需要+5V供壓的硬件，LM1117-1.3芯片負(fù)責(zé)將+5V電壓再降為+1.3V以驅(qū)動(dòng)STM32芯片等等需要+1.3V供壓硬件。圖4-4LM2596-5.0芯片穩(wěn)壓電路圖圖4-5LM1117-1.3芯片穩(wěn)壓電路2.3步進(jìn)電機(jī)與驅(qū)動(dòng)芯片設(shè)計(jì)2.1.1步進(jìn)電機(jī)簡(jiǎn)介步進(jìn)電機(jī)需要將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰?。所以單片機(jī)不能對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行直接控制，所以步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)需要配備驅(qū)動(dòng)芯片。單片機(jī)通過驅(qū)動(dòng)芯片的脈沖輸入端口發(fā)送脈沖信號(hào)從而驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)固定角度，因?yàn)椴竭M(jìn)電機(jī)需要靠固定規(guī)律的脈沖信號(hào)來進(jìn)行工作，所以步進(jìn)電機(jī)非常適合在開環(huán)控制系統(tǒng)中使用，這也是本次設(shè)計(jì)采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的原因。圖4-6步進(jìn)電機(jī)的構(gòu)造2.1.3步進(jìn)電機(jī)的選型選擇步進(jìn)電機(jī)時(shí)主要考慮以下幾個(gè)性能指標(biāo)：最大轉(zhuǎn)速、定位精度和輸出轉(zhuǎn)矩。由于本次設(shè)計(jì)的機(jī)械臂主要應(yīng)用于低負(fù)載場(chǎng)合，也不需要擁有較高的線速度，所以最大轉(zhuǎn)速和輸出轉(zhuǎn)矩沒有特殊要求。但機(jī)械臂控制系統(tǒng)為開環(huán)控制系統(tǒng)，所以需要定位精度較高的步進(jìn)電機(jī)。同時(shí)考慮到機(jī)械臂的工作相對(duì)穩(wěn)定，所以對(duì)步進(jìn)電機(jī)的穩(wěn)定性并無過分要求。綜合以上幾個(gè)方面考慮，本次設(shè)計(jì)采用了42HS4813A4XG10的兩相四線混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。表4-1步進(jìn)電機(jī)參數(shù)表電機(jī)型號(hào)42HS4813A4XG10額定工作電流1.2A額定工作電壓12V步距角1.8°步距角精度1.8°±0.09°2.1.4步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片選擇選用的A4988是一款帶轉(zhuǎn)換器和過流保護(hù)的DMOS微步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片，主要用于操作雙極步進(jìn)電機(jī)。在步進(jìn)模式下，輸出驅(qū)動(dòng)的能力為35V和±2A。A4988只需給驅(qū)動(dòng)芯片的脈沖輸入端口發(fā)送一定周期、數(shù)目的脈沖信號(hào)就可以控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，使得編寫程序的難度下降，還降低了對(duì)微處理器性能的要求。該驅(qū)動(dòng)芯片還具有以下特點(diǎn)：控制簡(jiǎn)單。只需要控制“STEP”與“DIR”兩個(gè)端口。“STEP”端口輸入脈沖的數(shù)目決定了步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)角度，“DIR”端口輸入的高低電平狀態(tài)決定了步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)方向。精度調(diào)整。擁有全、半、1/4、1/8、1/16共五種步進(jìn)模式，在不同的模式下步進(jìn)電機(jī)的接受一個(gè)脈沖所轉(zhuǎn)動(dòng)的角度不同。例如全模式時(shí)，一個(gè)脈沖使步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)的角度為1.8°。而在1/2模式時(shí)，一個(gè)脈沖使步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)的角度為0.9°。通過調(diào)節(jié)電位器可以改變輸出電流大小，從而獲得不同的步進(jìn)率。兼容1.3V和5V邏輯輸入。表4-2步進(jìn)模式表MS1MS2MS3步進(jìn)模式LLL全HLL半LHL1/4HHL1/8HHL1/16在本次設(shè)計(jì)中MS1，MS2，MS3全部接地，引腳狀態(tài)全為低電平，由表可知步進(jìn)模式為全模式。通過步進(jìn)電機(jī)參數(shù)可知，在全模式下一個(gè)脈沖信號(hào)驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)1.8°。由于設(shè)計(jì)中選擇的步進(jìn)電機(jī)相數(shù)為兩項(xiàng)，則1A和1B接電機(jī)同相的兩端，2A和2B接電機(jī)另外一相的兩端。圖4-7A4988控制原理圖2.4其他輔助模塊2.2.1LCD1602顯示模塊顯示模塊選用的是LCD1602液晶顯示器，主要用于顯示漢字、數(shù)字和符號(hào)等。LCD1602一個(gè)最多可以顯示32個(gè)字符，分為兩行每行顯示16個(gè)字符。具有顯示效果好、體積功耗小、價(jià)格低廉等優(yōu)勢(shì)。圖4-8LCD1602原理圖2.2.2按鍵在控制系統(tǒng)中，按鍵能夠使人更加方便的輸入控制信號(hào)來讓機(jī)械臂執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作，極大地提高了機(jī)械臂的可操作性。在本設(shè)計(jì)中一共設(shè)計(jì)了三個(gè)按鍵，分別是KEY0、WK_UP和KEY1。他們的具體作用如下：按下WK_UP按鍵，機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)到設(shè)定的原點(diǎn)位置；按下KEY0按鍵，機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)至