鉆孔機(jī)械臂控制體系硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

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0緒論

工業(yè)機(jī)械臂（以下簡(jiǎn)稱機(jī)械臂）是近代自動(dòng)控制領(lǐng)域中出現(xiàn)的一項(xiàng)新技術(shù)，作為多學(xué)科融合的邊沿學(xué)科，它是當(dāng)今高技術(shù)發(fā)展最快的領(lǐng)域之一，并已成為現(xiàn)代機(jī)械制造生產(chǎn)系統(tǒng)中的一個(gè)重要組成部分。隨著機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)用的復(fù)雜化以及機(jī)器人系統(tǒng)對(duì)控制精度、實(shí)時(shí)性能、可靠性的要求不斷變高，需要給機(jī)械設(shè)備裝備嵌入式操作系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用于機(jī)械的控制，將是機(jī)器控制領(lǐng)域的一個(gè)發(fā)展方向，為機(jī)器的智能控制的實(shí)現(xiàn)提供了廣闊的平臺(tái)。與傳統(tǒng)的微處理器和DSP相比，ARM微處理器資源豐富，具有很好的通用性，其主要技術(shù)優(yōu)點(diǎn)是高性能、低價(jià)格、低功耗，可以廣泛的應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，因此將ARM應(yīng)用于機(jī)械臂控制系統(tǒng)不失為一種好的策略。

1機(jī)械臂功能設(shè)計(jì)

本文主要研究的是單臂式鉆孔機(jī)械臂，這種機(jī)械臂需要完成的動(dòng)作有：前行、后行、左行、右行、上行、下行。這些動(dòng)作相互結(jié)合，完成相應(yīng)的動(dòng)作安排。根據(jù)上述動(dòng)作要求，工藝流程如下：(1)本文研究的機(jī)器臂主要由底座(或軀干)、機(jī)械臂構(gòu)成。底座的主要任務(wù)是支撐和完成手臂上下左右的移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂在工作空間中的活動(dòng)；(2)機(jī)械臂的底座固定不動(dòng)，機(jī)械臂的Y軸由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)在平行于底座的平面進(jìn)行前后運(yùn)動(dòng)，即是在Y軸平面中的運(yùn)動(dòng)；(3)X軸在上位機(jī)對(duì)伺服驅(qū)動(dòng)器發(fā)出指令后和Y軸同時(shí)移動(dòng)，進(jìn)行左右的運(yùn)動(dòng)，即在X軸平面中的運(yùn)動(dòng)，同時(shí)運(yùn)動(dòng)就可以實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂在X-Y平面上的精確定位；(4)在X軸上安裝一個(gè)氣動(dòng)式動(dòng)力頭，當(dāng)在X-Y平面上精確定位之后，處理器通過控制電磁閥動(dòng)力頭進(jìn)給，帶動(dòng)鉆頭旋轉(zhuǎn)進(jìn)行既定的鉆孔?？偨Y(jié)歸納可知，X-Y軸用于機(jī)械臂鉆孔的定位，Z軸做往復(fù)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行鉆孔；(5)機(jī)械臂完成上位機(jī)發(fā)出的脈沖指令，回到機(jī)械原點(diǎn)，等待下一次的指令。

工作過程如下：上位機(jī)對(duì)控制機(jī)發(fā)出脈沖指令，電機(jī)控制系統(tǒng)從控制器中獲取指令數(shù)據(jù)，傳感器系統(tǒng)檢測(cè)在機(jī)械臂工作的范圍之內(nèi)有無障礙物，確定無障礙后開始動(dòng)作，在系統(tǒng)運(yùn)行中與電機(jī)同軸度編碼器實(shí)時(shí)反饋機(jī)械臂所到達(dá)的位置，以判斷是否完成規(guī)定動(dòng)作。當(dāng)控制器接受編碼器反饋的數(shù)據(jù)判斷出規(guī)定動(dòng)作完成后系統(tǒng)暫停動(dòng)作，等待下一次指令。為了使機(jī)械臂在接受到指令后高速準(zhǔn)確的完成動(dòng)作，本設(shè)計(jì)在硬件上采用了伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，軟件上采用模糊控制算法。電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由ARM處理器及其相關(guān)外圍硬件和電機(jī)驅(qū)動(dòng)器組成，ARM處理器發(fā)出指令脈沖下達(dá)給伺服驅(qū)動(dòng)器，電機(jī)驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，運(yùn)行期間，ARM處理器根據(jù)編碼器反饋的信息判斷機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)跟蹤定位和位置定位。

2模糊控制算法在ARM控制系統(tǒng)中的實(shí)現(xiàn)

2.1輸入量模糊化

模糊控制算法用在ARM中,則需使用在ARM中可以運(yùn)行的軟件實(shí)現(xiàn)模糊控制，這樣就把能將原來的數(shù)字控制器改成模糊控制器，從而構(gòu)成了一個(gè)基于ARM的模糊控制系統(tǒng)。由此可見，這種模糊控制器在本質(zhì)上只是一種控制算法與硬件的結(jié)合，與其它的模糊算法的差別在于用ARM的語言來實(shí)現(xiàn)模糊化、模糊推理決策以及反模糊化過程。這種模糊控制器的優(yōu)點(diǎn)是資源消耗少，靈活性高，通用性強(qiáng)，應(yīng)用范圍廣等。必須注意的是設(shè)計(jì)過程中要考慮到ARM的內(nèi)存空間，運(yùn)算速度，以及模糊算法的執(zhí)行效率和系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求。在模糊控制器中，給定目標(biāo)為r，將光電編碼器檢測(cè)到的電機(jī)轉(zhuǎn)速作為反饋輸入。然后計(jì)算得到轉(zhuǎn)速偏差e(k)和轉(zhuǎn)速偏差變化率Δe(k)，量化和模糊化后作為模糊控制器的兩個(gè)輸入信號(hào)，反模糊后得到精確的PID參數(shù)，經(jīng)過PID運(yùn)算得到電機(jī)控制信號(hào)，此控制信號(hào)經(jīng)過進(jìn)一步的轉(zhuǎn)換，可得到PWM控制寄存器的設(shè)定值，寫入PWM寄存器后，從ARM的PWM輸出端口將得到相應(yīng)的PWM控制信號(hào)，經(jīng)過驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)，使鉆孔機(jī)械臂達(dá)到計(jì)算機(jī)的控制運(yùn)動(dòng)要求。在機(jī)械臂硬件平臺(tái)控制系統(tǒng)中,計(jì)算機(jī)通過串口與ARM處理器通信,發(fā)送控制命令控制機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。用編碼器檢測(cè)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度。

電機(jī)轉(zhuǎn)速的誤差:式中：n是當(dāng)前電機(jī)轉(zhuǎn)速；n0是t0時(shí)刻對(duì)應(yīng)的電機(jī)轉(zhuǎn)速;當(dāng)上次的電機(jī)轉(zhuǎn)速為e(k-1)時(shí)，當(dāng)前電機(jī)轉(zhuǎn)速的誤差變化為：根據(jù)e(k),Δe(k)的隸屬度函數(shù)可知，我們必須把由上式計(jì)算得到的誤差和誤差變化率進(jìn)行處理,使他們的值落在[-3,3]區(qū)間,再進(jìn)行模糊化處理,才能進(jìn)行模糊控制器運(yùn)算。經(jīng)過反復(fù)的試驗(yàn),可以得到e(k),Δe(k)的最大值,分別為em,Δem由此我們進(jìn)行歸一化公式:當(dāng)出現(xiàn)測(cè)量值大于我們的最大值時(shí)，我們就將其視為最大值em的值，所以以上公式是普適用的。

2.2建立機(jī)械臂模糊控制規(guī)則表

模糊控制規(guī)則在模糊控制系統(tǒng)中，是一種根據(jù)控制量偏差和控制量偏差變化率而推斷出輸出量的推理規(guī)則。這些規(guī)則是由誤差和誤差變化率狀態(tài)的不同而形成的一系列條件語句。在模糊控制器選用單變量二維最常見的結(jié)構(gòu)形式，設(shè)定誤差e,誤差變化ec及控制量輸出u的模糊子集為｛負(fù)大,負(fù)中,負(fù)小,零,正小,正中,正大｝，并簡(jiǎn)記為{NB,NM,NS,Z,PS,PM,PB}，論域均定為[-3,3],模糊子集NB,PB分別選為Z型隸屬函數(shù)和S型隸屬函數(shù)，其余選為靈敏度高且在論域范圍內(nèi)均勻分布，等距離的三角形隸屬函數(shù)。由于三角形隸屬函數(shù)簡(jiǎn)單易行，計(jì)算效率高，且僅與直線的形狀有關(guān)，適合于實(shí)時(shí)控制和在線調(diào)整的控制，因此，本模糊控制器的輸入輸出隸屬度函數(shù)曲線如圖1所示。

3鉆孔機(jī)械臂控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1LPC2138處理器

ARM內(nèi)核采用精簡(jiǎn)指令集計(jì)算機(jī)（RISC）體系結(jié)構(gòu)，具有大量的通用寄存器，指令格式使用統(tǒng)一和長(zhǎng)度固定，尋址方式簡(jiǎn)單，內(nèi)含2套指令系統(tǒng)（ARM指令集和Thumb指令集）。極低的功耗，適合對(duì)功耗要求較高的應(yīng)用，如便攜式產(chǎn)品。能夠提供0.9MIPS/MHz的三級(jí)流水線結(jié)構(gòu)。

3.2傳感器模塊

本課題研究的鉆孔機(jī)械臂是一個(gè)用于加工的機(jī)械裝備，當(dāng)上位機(jī)設(shè)定好要加工的參數(shù)且啟動(dòng)機(jī)械臂臂進(jìn)行加工時(shí)，為了防止有意外的發(fā)生，需要加一些傳感器進(jìn)行保護(hù)，當(dāng)檢測(cè)到有人或物進(jìn)入到機(jī)械臂加工的范圍之內(nèi)時(shí)，傳感器將檢測(cè)到的信號(hào)反饋給處理器，進(jìn)行相應(yīng)的動(dòng)作。

（1）位置傳感器：即行程開關(guān)，在X軸和Y軸上都裝有3個(gè)行程開關(guān)，在Z軸的上下位置也裝有兩個(gè)行程開關(guān)，本系統(tǒng)中選用無觸點(diǎn)感應(yīng)式行程開關(guān)，兩線制傳感器，型號(hào)為TL-05MD1。原理：無觸點(diǎn)行程開關(guān)又稱接近開關(guān)，它可以代替有觸頭行程開關(guān)來完成行程控制和限位保護(hù)，還可用于高頻計(jì)數(shù)、測(cè)速、液位控制、零件尺寸檢測(cè)、加工程序的自動(dòng)銜接等的非接觸式開關(guān)。由于它具有非接觸式觸發(fā)、動(dòng)作速度快、可在不同的檢測(cè)距離內(nèi)動(dòng)作、發(fā)出的信號(hào)穩(wěn)定無脈動(dòng)、工作穩(wěn)定可靠、壽命長(zhǎng)、重復(fù)定位精度高以及能適應(yīng)惡劣的工作環(huán)境等特點(diǎn)，所以在機(jī)床、紡織、印刷、塑料等工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用廣泛。無觸點(diǎn)行程開關(guān)分為有源型和無源型兩種，多數(shù)無觸點(diǎn)行程開關(guān)為有源型，主要包括檢測(cè)元件、放大電路、輸出驅(qū)動(dòng)電路3部分，一般采用5V～24V的直流電流，或220V交流電源等。當(dāng)被控物體到位,電子行程開關(guān)動(dòng)作，常開組導(dǎo)通(閉合)常閉組截止,(斷開)。完成相應(yīng)的動(dòng)作。

（2）光電編碼器：由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器獨(dú)立控制。

（3）紅外光柵傳感器又稱為安全性光柵安全性光柵是一種保護(hù)各種危險(xiǎn)機(jī)械裝備周圍工作人員的先進(jìn)技術(shù)。同傳統(tǒng)的安全措施，比如機(jī)械柵欄、滑動(dòng)門、回拉限制等來相比，安全性光柵更自由，更靈活，并且可以降低操作者疲勞程度。通過合理地減少對(duì)實(shí)體保護(hù)的需求，安全性光柵簡(jiǎn)化了那些常規(guī)任務(wù)，如設(shè)備的安裝、維護(hù)以及維修。

4總結(jié)

本文在分析機(jī)械臂嵌入式控制體系的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了以LPC2138為主控制器的嵌入式系統(tǒng)硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)。合理規(guī)劃?rùn)C(jī)械臂的任務(wù)模塊，設(shè)計(jì)應(yīng)用程序，實(shí)現(xiàn)對(duì)各功能子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信、控制管理。本文只對(duì)機(jī)械臂底層控制系統(tǒng)進(jìn)行研究設(shè)計(jì)并介紹。因此，真正的實(shí)現(xiàn)伺服電機(jī)的精確控制還需要進(jìn)一步要有專業(yè)人員研究。