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　　如前所述ARM核CPU的機(jī)器人肩膀的掌控系統(tǒng)

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　　先進(jìn)制造 ◇ 系列技術(shù)講座

　　1月11日13:30-17:00 2023 Ansys中國(guó)機(jī)器人行業(yè)典型研討會(huì)

　　引言：

　　肩膀掌控器的機(jī)械結(jié)構(gòu)由三相減速電機(jī)、肩膀、鉆頭、減速曲軸、視角感應(yīng)器共同組成。機(jī)器人肩膀與機(jī)械鉆頭相相連，鉆頭與三相減速電機(jī)透過(guò)減速曲軸諧振，各肩膀掌控器透過(guò)掌控電機(jī)旋轉(zhuǎn)來(lái)達(dá)至掌控肩膀邊線的目的。

　　近年來(lái)，隨著MEMS及相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，微機(jī)器人領(lǐng)域已越來(lái)越來(lái)受人關(guān)注。但由于零件的尺寸很小，微機(jī)器人組件的換裝須要很高的精確度，一般的換裝方法無(wú)法辦到。本文介紹了一個(gè)可展開(kāi)微零件換裝工作的機(jī)器人肩膀掌控系統(tǒng)的掌控方法。

　　1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

考慮到多機(jī)器人肩膀的選用，整個(gè)機(jī)器人掌控系統(tǒng)由楊瑞麟機(jī)與數(shù)個(gè)腹面機(jī)共同組成。腹面機(jī)即是肩膀掌控器，每一腹面機(jī)掌控一個(gè)機(jī)械肩膀的伸縮運(yùn)動(dòng)。楊瑞麟機(jī)即為掌控終端產(chǎn)品，透過(guò)不同配件組裝方式生成每一肩膀的邊線數(shù)據(jù)，并透過(guò)充電器數(shù)據(jù)傳輸給各腹面機(jī)，由腹面機(jī)掌控肩膀到達(dá)目標(biāo)邊線并展開(kāi)目標(biāo)操作。

　　1.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)

　　肩膀掌控器的機(jī)械結(jié)構(gòu)由三相減速電機(jī)、肩膀、鉆頭、減速曲軸、視角感應(yīng)器共同組成。機(jī)器人肩膀與機(jī)械鉆頭相相連，鉆頭與三相減速電機(jī)透過(guò)減速曲軸諧振，各肩膀掌控器透過(guò)掌控電機(jī)旋轉(zhuǎn)來(lái)達(dá)至掌控肩膀邊線的目的。同時(shí)，肩膀掌控器具有全自動(dòng)控制旋柄與鉆頭相相連，須要時(shí)可透過(guò)全自動(dòng)控制，改變肩膀邊線。

　　1.2 電阻結(jié)構(gòu)

肩膀掌控器由選用ARM內(nèi)核的PHLIPS LPC2138系列中央CPU掌控，電阻結(jié)構(gòu)主要分為主掌控組件、量測(cè)

　　意見(jiàn)反饋組件和通訊組件，如圖3所示。透過(guò)主掌控組件掌控電機(jī)狀況，透過(guò)量測(cè)意見(jiàn)反饋組件獲得鉆頭終端產(chǎn)品距和邊線，在達(dá)至規(guī)定邊線后暫停電機(jī)。而通訊組件則完成與楊瑞麟機(jī)之間的數(shù)據(jù)傳輸。

　　2 電機(jī)掌控

　　電機(jī)掌控由主掌控組件和量測(cè)意見(jiàn)反饋組件共同完成。

　　2.1 主掌控組件

主掌控器選用PHLIPS LPC2138中央CPU，其具有64個(gè)插口，31個(gè)雙向I／O口，2個(gè)8路10們A／D轉(zhuǎn)換器，能夠展開(kāi)電流量測(cè)的工作，符合設(shè)計(jì)要求，其插口分配如表1所示。電機(jī)選用RA-20GM-SD3 型三相減速電機(jī)，其減速箱的減速比達(dá)至了1／1000，在減速后，電機(jī)轉(zhuǎn)速為4.5+／-0.9 rpm，在與1／2減速曲軸組進(jìn)一步諧振后，鉆頭轉(zhuǎn)速為2.25 rpm，在所用鉆頭齒距為1mm時(shí)，肩膀終端產(chǎn)品述牢為3.75×10-2mm／s。

　　由于本設(shè)計(jì)中電機(jī)須要正反旋轉(zhuǎn)，故選用了BT5512C00驅(qū)動(dòng)力晶片TA8409，其具有兩個(gè)輸出口，兩個(gè)輸出口。中央CPU透過(guò)掌控輸出阻抗組合方可掌控電機(jī)的不同狀況，包括正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、剎車減速和暫停狀況。

　　它的輸出電流與電機(jī)工作電流相符，方可直接驅(qū)動(dòng)力電機(jī)，不用增加放大電阻。

　　2.2 量測(cè)意見(jiàn)反饋組件

視角感應(yīng)器選用了Midori的CP-2FC，它的機(jī)械視角范圍為360度無(wú)限，感應(yīng)器把視角變化量轉(zhuǎn)化為電流量并透過(guò)電流量測(cè)電阻意見(jiàn)反饋回中央CPUA／D轉(zhuǎn)換口，透過(guò)電流的變化量可計(jì)算獲得鉆頭的終端產(chǎn)品距，這樣就可以得知肩膀邊線，并以這個(gè)為標(biāo)準(zhǔn)對(duì)電機(jī)磁盤推送命令。

　　電流量測(cè)電阻包含由運(yùn)算放人器構(gòu)成的電流追隨電阻，它既可隔離電阻，又可以完成電流追隨。

　　3 通訊組件

　　3.1 RS-422通訊標(biāo)準(zhǔn)

　　RS-422標(biāo)準(zhǔn)的接收端選用脈沖響應(yīng)數(shù)據(jù)傳輸方式，也稱作均衡數(shù)據(jù)傳輸，其全稱是“均衡電流數(shù)字接口電阻的電氣特性”。

　　其接收機(jī)選用高輸出阻抗，推送磁盤有比RS232更強(qiáng)的驅(qū)動(dòng)力能力，故允許在相同數(shù)據(jù)導(dǎo)線上相連數(shù)個(gè)接收結(jié)點(diǎn)，最多可接10個(gè)結(jié)點(diǎn)。即一個(gè)主設(shè)備(Master)，其余為從設(shè)備(Salve)，從發(fā)備之間不能通訊，所以RS-422支持點(diǎn)對(duì)多的雙向通訊。

RS-422的最大數(shù)據(jù)傳輸距為4000英尺(約1219m)，最大傳輸速率為10Mbit／s。

　　3.2 數(shù)據(jù)傳輸功能實(shí)現(xiàn)

　　本系統(tǒng)通訊組件選用RS-422標(biāo)準(zhǔn)，公交線路長(zhǎng)度約為200m，故通訊的可靠性可獲得確保。脈沖響應(yīng)公交線路磁盤選用AM26LS31晶片，脈沖響應(yīng)受器選用AM26LS32晶片，中央CPU的串行輸出口和輸出口分別與磁盤輸出和接收機(jī)輸出相相連，并選用脈沖響應(yīng)開(kāi)路自動(dòng)故障保險(xiǎn)終端產(chǎn)品相連配置。

從而在推送器輸出端為高阻狀況時(shí)確保受器輸出有至少200mV的電流信號(hào)，使輸出不會(huì)出現(xiàn)未知的狀況，提高可靠性，完成與楊瑞麟機(jī)間的數(shù)據(jù)傳輸工作。另外，考慮到多機(jī)器人肩膀的應(yīng)用情況，在肩膀掌控器中設(shè)有撥碼開(kāi)關(guān)來(lái)設(shè)定編號(hào)，與楊瑞麟機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸必須包含該編號(hào)，并由此來(lái)判斷通訊時(shí)目標(biāo)掌控器的具體邊線。

　　4 軟件設(shè)計(jì)

　　在設(shè)計(jì)了肩膀掌控器硬件的基礎(chǔ)上，我們?cè)O(shè)計(jì)了運(yùn)行在中央CPU上的軟件應(yīng)用程序。

　　在掌控器上電后，首先讀入撥碼開(kāi)關(guān)的掌控器編號(hào)，然后進(jìn)入等待模式。程序設(shè)定了UART中斷，當(dāng)楊瑞麟機(jī)有數(shù)據(jù)傳送過(guò)來(lái)時(shí)，中斷發(fā)生。此時(shí)核對(duì)數(shù)據(jù)包中的掌控器編號(hào)，若傳送編號(hào)與小掌控器編號(hào)相符，則把數(shù)據(jù)讀入，并計(jì)算獲得電機(jī)運(yùn)行方向和肩膀終端產(chǎn)品距。在電機(jī)運(yùn)行時(shí)，不斷讀取感應(yīng)器意見(jiàn)反饋電流，并展開(kāi)計(jì)算，判斷肩膀是否接近目標(biāo)邊線和是否展開(kāi)剎車停車操作。電機(jī)暫停后，即肩膀到達(dá)目標(biāo)邊線，此時(shí)掌控器對(duì)楊瑞麟機(jī)回復(fù)工作完成(通訊時(shí)始終附帶掌控器編號(hào))，并再次進(jìn)入等待狀況。

　　本系統(tǒng)中，可選用兩種算法來(lái)決定電機(jī)的減速暫停命令的推送時(shí)機(jī)。

第一種是剛好是在量測(cè)獲得肩膀到達(dá)目標(biāo)邊線之時(shí)推送減速暫停命令，此算法執(zhí)行較為簡(jiǎn)單，但不可避免會(huì)存在電機(jī)暫停時(shí)鉆頭邊線偏離了目標(biāo)邊線的情況。不過(guò)工作時(shí)肩膀終端產(chǎn)品速度很低，已經(jīng)可以確保掌控精度。第二種算法，即在接近目標(biāo)邊線時(shí)展開(kāi)預(yù)測(cè)算法，在肩膀到達(dá)目標(biāo)邊線前推送剎車減速命令，使得鉆頭暫停邊線與目標(biāo)邊線差距更小，此算法雖較為復(fù)雜，但精度較第一種更高，在本設(shè)計(jì)中，我們選用第二種算法從而確保更高的掌控精度。

　　肩膀掌控器程序是透過(guò)不斷讀取感應(yīng)器意見(jiàn)反饋值獲得肩膀邊線的，雖然經(jīng)過(guò)預(yù)測(cè)算法提高算法精度，但由于感應(yīng)器本身也有一定的誤差，肩膀暫停邊線不免會(huì)有偏差，但由于高精度的硬件設(shè)計(jì)，此誤差不會(huì)影響機(jī)械肩膀大多數(shù)的工作。

5 結(jié)束語(yǔ)

　　本章設(shè)計(jì)了一個(gè)如前所述ARM核中央CPU的機(jī)器人肩膀掌控系統(tǒng)，對(duì)掌控器的硬件設(shè)計(jì)展開(kāi)了詳細(xì)的敘述，并給出了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖和部分電阻的原理圖；介紹了掌控軟件的設(shè)計(jì)并給出了程序的流程圖。由于選用了高減速比的減速箱來(lái)調(diào)整電機(jī)速度并配合了改良的算法，本肩膀掌控器的定位精度是比較高的。若在此基礎(chǔ)上加裝可控夾鉗，方可完成簡(jiǎn)單可靠的換裝工作。

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