基于ARM的多自由度机械手设计.docx

基于AＲM的多自由度机械手设计孙捷，刘瑄，刘楚，徐莲辉摘要:机械手选用AＲM芯片作为控制核心，主要是基于其运算能力强，外设接口丰富，可扩展成串行、并行、高速和低速等各种接口，也能很容易扩展成网络接口，便于机械手组网协同工作。特别是AＲM芯片的LCD接口和存储器扩展接口能大大提高机械手的智能化程度，扩展LCD后能提供友好的人机交互界面，便于编程、维护和故障指示;大容量存储器可为复杂运算和大数据存储提供方便。AＲM的这些优点为机械手的高度智能化提供了最有效的保证。关键词:机械手;AＲM芯片;伺服电机;嵌入式;控制系统引言机器人应用情况是展现一个国家工业自动化水平的重要标志。工业自动化中机械手发挥了相当大的作用，生产中应用机械手可以减轻劳动强度、保证产品质量、实现安全生产;尤其在高温、高压、易爆、有放射性或有毒性污染的场合中，机械手能代替人进行正常的工作。特别是近些年人工成本越来越高，企业都迫切需要采用一些自动化设备来降低人工成本，工业机械手在这方面有着广阔的应用前景。常用的机械手多为6个自由度以下的。一般的专用机械手只有2～4个自由度，而通用机械手则多数为3～6个自由度。目前大多数工业机械手基本上都是采用单片机、PLC或DSP等控制的，单片机只能控制简单的3个自由度以下的机械手;PLC控制的成本高，运算能力很差，对机械手运动轨迹控制能力差;应用DSP控制运算能力强，但其外设接口没有AＲM丰富，并且成本也比AＲM高，一片DSP控制的机械手自由度也有限，6个自由度的、复杂一点的机械手都需要多个DSP芯片协同才能较好地完成控制。1机械部分设计与安装1．14个自由度设计机械抓手选用型号为42HD2401-100L，两相4线步进电机，丝杆电机的行程为100mm，步距角为1．8°，电流1．5AN1504。利用其不同的行程可以设计不同力矩大小的抓手或夹具，此部分通过加工的一个连接轴，用螺丝锁定在型号为42BYG行星减速步进电机上，配48mm步进电机，减速比5．18∶1，这样控制机械抓手在360°范围内旋转。也就是机械手的第一自由度控制。第二自由度装置负责将前面第一自由度的电机固定，并且控制运动一定的角度范围，根据选用的蜗轮减速装置结构，角度范围为0～130°。电机为57步进电机57BYG250H，转矩2．8NM，步距角1．8°，机身长112mm，蜗轮蜗杆减速机NMＲV030，减速比1∶20。第三自由度使用的电机型号为86HS45-80，两相步进，步距角1．8°，机身长度78mm，电流4A，保持转矩4．24NM。配备蜗轮减速装置ＲV040，减速比1∶20。第四自由度主要负责平面内360°旋转，采用与第二自由度一样的电机，减速装置的减速比为1∶30。该电机安装在底座上。1．2电机驱动器选型及机械部分总成机械手有4个自由度和1个机械抓手，共使用了5个不同规格步进电机，其中86型号的电机使用的是F－MD860，其他的都使用DM542型，配备了两个24V功率为图1四自由度机械手实物图250W的电源分别供电。所有机械部分安装完成后的实物图如图1所示，底座采用镀锌方管焊接成100mm×100mm的双层铁架构成，最下面的电机用角铁固定，全部用自喷漆喷涂一遍用于防锈，将导线用伸缩塑胶管封固定，以防导线缠绕或损坏。2机械手控制系统硬件设计机械手的控制核心采用功能强大的AＲM芯片来进行设计，芯片型号为STM32F103C8T6，引脚数48。控制板接收上位机的串口通信数据，并根据数据协议转变为控制步进电机的脉冲信号去驱动各个步进电机，控制板采用双排针将所有GPIO全部引出，可以灵活扩展。原理图使用的是AltiumDesigned10软件进行绘制，AＲM控制板CPU部分电路原理图如图2所示，时钟、复位、电源电路原理图如图3所示，串口与JTAG电路原理图如图4所示。机械手的具体指标参数如下:机构材料采用全金属材料;驱动方式为步进伺服混合驱动;操作方式采用可编程单机工作/联机工作;重复定位精度为±5mm;最大展开半径为600mm;高度为1000mm;本体重量≤50kg;电源为单相220V;最大功率＜200W;动作范围为第1自由度转动－180°～180°，速度范围在0．5°/s～50°/s;第2自由度转动－65°～65°，速度范围在0．5°/s～30°/s;第3自由度转动－65°～65°，速度范围在0．5°/s～30°/s;第4自由度转动－180°～180°，速度范围在0．5°/s～40°/s。3机械手控制系统软件设计3．1AＲM控制板软件的设计开发环境使用的是KeiluVision3+MDK3．50，AＲM控制板上的程序主要包括串口通信的控制和脉冲波形的产生，主控程序流程图如图5所示。STM32F103首先要进行初始化，主要有如下初始化内容:ＲCC_Configuratio