六軸工業機械手電機控制系統設計

倪植，張興華，劉卓霖，黃玥，莊國銳

（廣東白云學院機電工程學院，廣東 廣州 510450）

六軸工業機械手電機控制系統設計

倪植，張興華，劉卓霖，黃玥，莊國銳

（廣東白云學院機電工程學院，廣東 廣州 510450）

控制電路由6個STC12C5A60S2單片機及其他外圍電路組成，每個單片機通過編碼器反饋控制電機的轉角，通過PID算法可以準確的控制關節的轉動速度及位置。該設計能有效地降低工業機械手的成本，取代人力進行物料搬運與放置。

六軸；機械手；電機；控制

0 引言

在需要做重復搬運或者給機床做上下料的場合，可以用工業機械手來取代人工勞動。但是工業機械手的成本普遍比較高。本設計采用無刷直流電機驅動。可以抓取800mm范圍內的2kg物體，取代人工進行物料搬運,是一種工業機械手低成本的解決方案。

1 六軸機械手機械設計圖與實物圖（圖1、2）

圖1 六軸機械手設計圖

圖2 六軸機械手實物圖

2 單片機選擇與控制架構

本設計采用STC12C5A60S2型號貼片封裝的單片機作為控制芯片。

STC12C5A60S2是一款具有A/D轉換功能的新一代8051單片機，指令代碼完全兼容傳統8051，但速度快8～12倍。具有8路高速10位輸入型A/D轉換（250k/s），可做溫度檢測、電池電壓檢測、按鍵掃描、頻譜檢測等。用戶可將任何一路設置為A/D轉換，不需作為A/D使用的口可繼續作為I/O口使用。

為了減輕單片機的工作負擔，每個單片機控制一個關節上的電機，并由一個主單片機控制，即一個單片機主機控制各關節的單片機從機，各單片機從機再控制各關節電機。

單片機從機產生PWM信號給直流電機伺服器，直流電機伺服器驅動直流無刷電機，電機上面的增量式編碼器反饋信號給單片機從機，從機再把位置信號經過處理反饋給主機。

3 單片機最小系統設計

STC12C5A60S2最小系統主要有上電復位電路，晶振時鐘電路組成。晶振時鐘電路是單片機的心臟，單片機各功能模塊的運行都是以時鐘頻率為基準，按照時鐘周期一步一步的工作。因此，時鐘頻率直接影響單片機的速度，時鐘電路的質量也直接影響單片機系統的穩定性。

4 5V穩壓電源電路設計

本設計中5V穩壓電源電路采用LM7805三端穩壓電源模塊，LM7805額定輸出電流1.5A，最大輸入電壓35V，適合本設計的要求。而且LM7805的外圍電路相對簡單，可靠性高。

圖3 電機驅動電路

圖4 D/A轉換電路

5 電機驅動電路

本設計為了提高PWM信號的負載能力，采用了74HC244三態數據緩沖器作為直流伺服驅動器的驅動芯片，提高單片機工作的穩定性（圖3）。

6 D/A轉換電路

由于本設計所使用的直流無刷伺服驅動器的輸入信號是模擬信號，所以單片機輸入的PWM需要轉換成模擬信號。D/A轉換電路是通過二階RC低通濾波電路將PWM信號轉換成模擬信號。如圖4。

7 六軸機械手控制系統電路PCB設計

本設計中首先應考慮的是與機械尺寸有關、體積大的元器件和核心IC的布局，然后考慮的才是外圍元器件的布局與調整。PCB元器件布局結束后，就對電路板進行布線工作。PCB的布線方式有兩種：自動布線和手工布線。

對于不同的電路，布線要求一般是不同的，就算是同一塊電路板，不同的網絡其布線大小和方向也不同。

比如，電源線和電源接地線通過的電流較大，要求布線的線寬要大點、回路要短；耦合或邏輯電路只用于傳輸信號，因此布線相對可以細些。 所以為了減少PCB過孔的數量，在對電路影響不大的情況下整體線寬設置相對較小。

在本設計中，優先對電源線和電源接地線進行手工布線，線寬設置為15mil；然后鎖定已經手工布線的走線，再進行自動布線，線寬設置為8mil。對制作好的PCB進行元器件焊接、測試。上電后對電源電路、單片機串口燒錄和D/A轉換電路的測試，各模塊電路工作正常。

8 機械手控制程序編程算法

光電編碼器是高精度控制系統常用的位移檢測傳感器。當控制對象發生位置變化時，光電編碼器便會發出A、B兩路相位差90b的數字脈沖信號。正轉的時候A超前B為90°，反轉的時候B超前A為90°。

脈沖的個數與位移量成比例關系，因此，通過對脈沖計數就能計算出相應的位移。編碼器的A相輸出端接到單片機的外部中斷INT0，B相輸出端接到I/O端口P0.7。

當系統工作時，首先要把中斷0初始化成下降沿觸發，并開相應中斷。當有效脈沖觸發中斷時，執行中斷處理程序，判別B相輸出端是高電平還是低電平。若是高電平，則編碼器正轉，加1計數；若是低電平，則編碼器反轉，減1計數。

電機的速度由PWM信號控制。速度控制程序主要控制電機軟啟動、軟制動和動作時的速度，位置控制程序主要控制回機械原點、執行關節動作到設定的位置。其中為了速度控制中速度能平滑的過渡和快速響應，在控制程序使用了增量式PID算法，經過參數調試，速度控制達到了非常好的效果。經過各關節大量調試，已對每個關節的PID參數有對應合理設定值，如大臂關節控制程序中的PID參數分別為：Kp=0.4；Ki=0.1；Kd=0。程序就可以精準控制關節轉到設定的位置。

9 結語

控制電路由6個STC12C5A60S2單片機及其他外圍電路組成，每個單片機通過編碼器反饋控制電機的轉角，通過PID算法可以準確的控制關節的轉動速度及位置。

該設計能有效地降低工業機械手的成本，實現取代人工進行物料搬運與放置。

TP241.2

A

1671-0711（2016）11（下）-0097-02

廣東省大學生科技創新培育專項資金資助項目，編號pdjh2016b0816。