裝配機械手控制系統模塊化設計研究

姚慶，謝星，于瑋，管圖華

(南通大學工程訓練中心，江蘇南通226000)

0 引言

裝配機械手是用于裝配生產線上對零件或部件進行裝配作業的工業機器人之一，是一種逐步實用化的裝配機器人，是裝配生產線上必不可少的設備［1］。裝配機械手是模擬人手臂的部分動作，按預定的程序、軌跡和要求實現抓取、搬運和裝配工作的自動化裝置，在減輕人的勞動強度，提高裝配質量和提高效率方面所起的作用是顯而易見的［2］。針對S195的柴油機連桿軸套的壓入裝配作業研制一臺平面關節型機械手，以改善工人的工作環境，提高企業生產效率，同時為了適應多種工況的要求對機械手進行模塊化控制系統設計。前期工作已完成模塊化裝配機械手機械本體的設計和制作。在實驗室搭建了裝配機械手原理樣機，如圖1所示。

圖1 實驗室搭建的裝配機械手工作情況圖

1 基于嵌入式模塊化控制系統的總體架構

基于嵌入式模塊化控制系統研究的思想主要體現在三方面:

1)硬件系統的模塊化設計。硬件設計以功能特征作為劃分模塊的依據，分為基本功能模塊和預留功能模塊兩部分。考慮到硬件設計的獨特性，增設了輔助功能模塊。其中觸摸屏作為硬件和軟件交互、人機交互的平臺。

2)軟件系統的模塊化設計。在程序設計中采用模塊設計的方法。整體上軟件設計以功能特征作為劃分模塊的依據，分為基本功能模塊和預留功能模塊兩大部分。程序中的各個模塊在C語言中用函數來實現。劃分模塊時體現模塊的獨立性，即使用一個模塊完成一項功能，耦合性越少越好［3］。

3)軟硬件交互工具——觸摸屏的設計。命令按鈕設置是模塊切換，模塊調用的關鍵。觸摸屏作為載體，通過命令按鈕采用如同VB式的事件觸發機制調用設計完成的功能模塊。由于選用的C8051F020單片機有64K字節在系統編程的FLASH存儲空間有充分的存儲空間編寫程序，由Keil uVision4軟件自動分配空間。此單片機有可尋址64K字節地址空間的外部數據存儲器，所以程序、數據存儲空間都是充裕的［4］。

系統總體模塊設計通過觸摸屏與單片機的串口通信，驅動外圍硬件電路，實現裝配機械手的功能:主要完成步進電機的驅動，實現裝配機械手大小臂的旋轉，立柱的升降，末端執行器的抓取、放置等功能，如圖2所示。

圖2 控制系統總體結構框圖

2 控制系統的硬件模塊化設計研究及實現

硬件上C8051F020單片機作為主控芯片，基本功能模塊部分分為串口電路模塊、JTAG接口模塊、步進電機驅動兩關節模塊，輸出端子口J1模塊。預留功能模塊部分設計了12位電路轉換模塊、輸入端子口模塊、輸出端子口模塊、驅動三關節模塊等。其中12位模數轉換電路模塊的設計考慮到采集的視頻信號的輸入與轉換。輸入端子口模塊電路的預留是方便用開關按鍵對機械手的控制。輸出端子口的設計考慮到若手動按鍵時LCD可以顯示機械手運動過程中的相關參數等。步進電機驅動三關節是模塊化機械本體已設定的要求。輔助功能模塊部分有電源電路模塊和晶振復位電路模塊。硬件模塊化設計框圖，電路原理圖如圖3、圖4所示。

圖3 硬件模塊化設計框圖

圖4 裝配機械手控制系統電路原理圖

電路原理圖設計的目的是要制成一塊相應的PCB板。當基本電路原理圖完成后，要進行PCB板的設計。本次PCB設計中采用雙面板。包括頂層(Top Layer)和底層(Bottom Layer)的電路板。制作完成的PCB如圖5所示。

圖5 制成的PCB板

3 控制系統的軟件模塊化設計研究及實現

模塊化軟件設計就是把大型軟件按照規定的原則劃分成若干個較小的，相對獨立但又相互關聯的模塊。用C語言在Keil環境下編寫模塊化程序關鍵是編寫好相應的函數。理想的模塊化應該可以看成是一個黑盒子，即只關心模塊提供的功能，而不注重模塊內部的實現細節。軟件模塊的劃分應滿足低耦合，高內聚的要求。程序總體上有基本模塊和預留模塊兩部分組成。所有的模塊都寫在主程序main.C中，軟件模塊化設計框圖如圖6所示。

圖6 軟件模塊化設計框圖

4 基于觸摸屏的人機交互平臺功能架構

本控制系統中觸摸屏作為整個控制系統人機交互的核心，同時也是軟硬件模塊交互的核心。通過觸摸屏發送命令給單片機調用單片機內部的功能模塊，完成相應動作，達到控制要求。所以觸摸屏是整個控制系統的關鍵。

觸摸屏使用北京迪文科技有限公司的以工業應用為主的T系列203mm(8吋)800×600(分辨率)觸摸屏，型號為DMG80600T080_01W。觸摸屏兩根串口線與單片機相連，一根電源線［5］。

觸摸屏功能架構是根據模塊化機械手本體來設定的，通過設計觸摸屏的界面和命令按鈕來達到。界面設計包括參數的設定，關節模式的選擇，工作方式選擇等界面。其中關節模式有兩關節模式和三關節模式，參數的設定是大小臂長度的設定，裝配點，抓取點位置的設定，工作方式有手動和自動等。在設計觸摸屏的同時是與硬件模塊化相互參照，協同設計，從而達到觸摸屏的界面和命令按鈕與硬件模塊相互吻合，實現預想的控制功能。設計完成的觸摸屏效果如圖7所示。

圖7 觸摸屏效果圖

5 模塊化控制系統的調試實驗

在完成控制系統總體設計，軟硬件模塊化設計后的重要工作就是實驗調試與結果觀察。

a)硬件連接

將步進電機安裝到機械手本體預留好的位置上，步進電機與驅動器，觸摸屏與PCB板上串口的輸出端子等一系列相關接線連好。人機交互部分使用觸摸屏，啟動觸摸屏，先單獨測試觸摸屏的命令按鈕是否能按照設計的流程出現相關界面，再由PC機上Keil uVision4軟件通過USB串口與適配器再與設計好的PCB板相連。因為JTAG強大的調試功能可以方便地進行調試。

b)軟件調試

軟件調試有功能模塊子程序和主程序調試。

1)首先調試各功能模塊子程序。包括觸摸屏與單片機通信程序模塊、步進電機驅動、繼電器使能等程序模塊，同時也要調試預留的相關程序。

2)聯機主程序調試:在所有相關的子程序模塊調試完畢后，還要將它們連在一起作為一個整體形成main.C()主程序。子程序模塊以頭文件.h形式調用到主程序中。只有通過整體的主程序調試才能檢查出各個模塊是否相互影響。主程序調試可以采用逐步加入的方法，每次增加一個子程序功能模塊，在調試達到要求后再加入下一個模塊，直至所有程序模塊加入，整體通過調試則說明軟件系統設計基本正確。若不能通過，則需要將加入出現錯誤的子程序模塊獨立出來重新測試并修改，直到發現錯誤原因，加以改正。

6 結語

本文主要介紹裝配機械手控制系統的軟硬件模塊化設計與研究。首先采用模塊化設計思想完成軟硬件總設計方案，然后具體設計各個軟硬件模塊，其中軟硬件的交互，程序模塊的調用是通過觸摸屏界面設計和按鈕設置完成的。最后進行硬件連接和軟件調試，進行各模塊程序調試后再聯機調試，查看裝配機械手實現兩臂、三臂、夾持器抓夾、搬運動作的情況，發現程序執行順暢，裝配機械手運轉正常。

［1］倪驍驊，趙忠偉.嵌入式系統在裝配機器人控制中的應用［J］.鹽城工學院學報，2009，22(2):8-11.

［2］丁慶振.基于ARM與FPGA的機械手自動控制系統的研究［D］.北京:中國農業大學，2007.

［3］譚浩強.C程序設計(第三版)［M］.北京:清華大學出版社，2007.

［4］張俊謨.Soc單片機原理與應用-基于C8051F系列［M］.北京:北京航天航空大學出版社，2009.

［5］北京迪文科技有限公司.觸控觸控界面使用說明書［EB/OL］.http://www.dwin.com.cn/Upfile/觸控觸控界面使用說明書.html，2011-8-8.