近年來，隨著MEMS及相關(guan) 技術的發展，微機器人領域已越來越來受人關(guan) 注。但由於(yu) 零件的尺寸很小，微機器人組件的裝配需要很高的精確度，一般的裝配方法無法滿足要求。本文介紹了一個(ge) 可進行微零件裝配工作的機器人手臂控製係統的控製方法。

1 係統結構

考慮到多機器人手臂的使用，整個(ge) 機器人控製係統由上位機與(yu) 多個(ge) 下位機組成。下位機即是手臂控製器，每個(ge) 下位機控製一個(ge) 機械手臂的伸縮運動。上位機即為(wei) 控製終端，通過不同配件組裝方式生成每個(ge) 手臂的位置數據，並通過數據線傳(chuan) 輸給各個(ge) 下位機，由下位機控製手臂到達目標位置並進行目標操作。

1.1 機械結構

手臂控製器的機械結構由直流減速電機、手臂、螺杆、減速齒輪、角度傳(chuan) 感器組成。機器人手臂與(yu) 機械螺杆相連，螺杆與(yu) 直流減速電機通過減速齒輪耦合，各個(ge) 手臂控製器通過控製電機轉動來達到控製手臂位置的目的。同時，手臂控製器具有手動調節旋柄與(yu) 螺杆相連，需要時可通過手動調節，改變手臂位置。

1.2 電路結構

手臂控製器由使用ARM內(nei) 核的PHLIPS LPC2138係列微處理器控製，電路結構主要分為(wei) 主控製模塊、測量反饋模塊和通信模塊，如圖3所示。通過主控製模塊控製電機狀態，通過測量反饋模塊得到螺杆移動距離和位置，在達到規定位置後停止電機。而通信模塊則完成與(yu) 上位機之間的數據交換。

2 電機控製

電機控製由主控製模塊和測量反饋模塊共同完成。

2.1 主控製模塊

主控製器使用PHLIPS LPC2138微處理器，其具有64個(ge) 引腳，31個(ge) 雙向I／O口，2個(ge) 8路10們(men) A／D轉換器，能夠進行電壓測量的工作，符合設計要求，其引腳分配如表1 所示。電機使用RA-20GM-SD3 型直流減速電機，其減速箱的減速比達到了1／1000，在減速後，電機轉速為(wei) 4.5+／-0.9 rpm，在與(yu) 1／2減速齒輪組進一步耦合後，螺杆轉速為(wei) 2.25 rpm，在所用螺杆齒距為(wei) 1mm時，手臂移動述牢為(wei) 3.75×10-2mm／s。

由於(yu) 本設計中電機需要正反轉動，故選用了橋路驅動芯片TA8409，其具有兩(liang) 個(ge) 輸入口，兩(liang) 個(ge) 輸出口。微處理器通過控製輸入電平組合即可控製電機的不同狀態，包括正轉、反轉、刹車減速和停止狀態。

它的輸出電壓與(yu) 電機工作電壓相符，即可直接驅動電機，不用增加放大電路。

2.2 測量反饋模塊

角度傳(chuan) 感器采用了Midori的CP-2FC，它的機械角度範圍為(wei) 360度無限，傳(chuan) 感器把角度變化量轉化為(wei) 電壓量並通過電壓測量電路反饋回微處理器A／D 轉換口，通過電壓的變化量可計算得到螺杆的移動距離，這樣就可以得知手臂位置，並以這個(ge) 為(wei) 標準對電機驅動器發送命令。

電壓測量電路包含由運算放人器構成的電壓跟隨電路，它既可隔離電路，又可以完成電壓跟隨。

3 通信模塊

3.1 RS-422通信標準

RS-422標準的數據信號采用差分傳(chuan) 輸方式，也稱作平衡傳(chuan) 輸，其全稱是“平衡電壓數字接口電路的電氣特性”。

其接收器采用高輸入阻抗，發送驅動器有比RS232更強的驅動能力，故允許在相同傳(chuan) 輸線上連接多個(ge) 接收節點，最多可接10個(ge) 節點。即一個(ge) 主設備(Master)，其餘(yu) 為(wei) 從(cong) 設備(Salve)，從(cong) 發備之間不能通信，所以RS-422支持點對多的雙向通信。

RS-422的最大傳(chuan) 輸距離為(wei) 4000英尺(約1219m)，最大傳(chuan) 輸速率為(wei) 10Mbit／s。

3.2 數據交換功能實現

本係統通信模塊采用RS-422標準，線路長度約為(wei) 200m，故通信的可靠性可得到保證。差分線路驅動器使用AM26LS31芯片，差分接受器使用 AM26LS32芯片，微處理器的串行輸出口和輸入口分別與(yu) 驅動器輸入和接收器輸出相連，並使用差分開路自動故障保險終端連接配置。

從(cong) 而在發送器輸出端為(wei) 高阻狀態時保證接受器輸入有至少200mV的電壓信號，使輸出不會(hui) 出現未知的狀態，提高可靠性，完成與(yu) 上位機間的數據交換工作。另外，考慮到多機器人手臂的應用情況，在手臂控製器中設有撥碼開關(guan) 來設定編號，與(yu) 上位機的數據交換必須包含該編號，並由此來判斷通信時目標控製器的具體(ti) 位置。

4 軟件設計

在設計了手臂控製器硬件的基礎上，我們(men) 設計了運行在微處理器上的軟件應用程序。

在控製器上電後，首先讀入撥碼開關(guan) 的控製器編號，然後進入等待模式。程序設定了UART中斷，當上位機有數據傳(chuan) 送過來時，中斷發生。此時核對數據包中的控製器編號，若傳(chuan) 送編號與(yu) 小控製器編號相符，則把數據讀入，並計算得到電機運行方向和手臂移動距離。在電機運行時，不斷讀取傳(chuan) 感器反饋電壓，並進行計算，判斷手臂是否接近目標位置和是否進行刹車停車操作。電機停止後，即手臂到達目標位置，此時控製器對上位機回複工作完成(通信時始終附帶控製器編號)，並再次進入等待狀態。

本係統中，可使用兩(liang) 種算法來決(jue) 定電機的減速停止命令的發送時機。

第一種是剛好是在測量得到手臂到達目標位置之時發送減速停止命令，此算法執行較為(wei) 簡單，但不可避免會(hui) 存在電機停止時螺杆位置偏離了目標位置的情況。不過工作時手臂移動速度很低，已經可以保證控製精度。第二種算法，即在接近目標位置時進行預測算法，在手臂到達目標位置前發送刹車減速命令，使得螺杆停止位置與(yu) 目標位置差距更小，此算法雖較為(wei) 複雜，但精度較第一種更高，在本設計中，我們(men) 使用第二種算法從(cong) 而保證更高的控製精度。

手臂控製器程序是通過不斷讀取傳(chuan) 感器反饋值得到手臂位置的，雖然經過預測算法提高算法精度，但由於(yu) 傳(chuan) 感器本身也有一定的誤差，手臂停止位置不免會(hui) 有偏差，但由於(yu) 高精度的硬件設計，此誤差不會(hui) 影響機械手臂大多數的工作。

5 結束語

本章設計了一個(ge) 基於(yu) ARM核微處理器的機器人手臂控製係統，對控製器的硬件設計進行了詳細的敘述，並給出了係統結構圖和部分電路的原理圖；介紹了控製軟件的設計並給出了程序的流程圖。由於(yu) 使用了高減速比的減速箱來調整電機速度並配合了改良的算法，本手臂控製器的定位精度是比較高的。若在此基礎上加裝可控夾鉗，即可完成簡單可靠的裝配工作。