基于PICmicro智能換刀機(jī)械手控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

張繼紅

四川職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川遂寧

0 引言

機(jī)器人控制系統(tǒng)需完成對關(guān)節(jié)機(jī)械手臂的各關(guān)節(jié)及末端執(zhí)行器電機(jī)的力、加速度、位姿等的控制。控制系統(tǒng)的核心在于控制芯片的選擇，有選用DSP系列的芯片并應(yīng)用于足球機(jī)器人、自平衡兩輪電動(dòng)車，選用C51用于搬運(yùn)機(jī)器人，選用PMAC用于行架機(jī)器人，選用FANUC用于焊接機(jī)器人。本文選用Microchip公司生產(chǎn)的PICmicro微型控制器為換刀機(jī)械手的核心設(shè)計(jì)機(jī)器人控制系統(tǒng)。

1 機(jī)械手的本體結(jié)構(gòu)

機(jī)械手控制系統(tǒng)必須準(zhǔn)確控制其位置和姿勢，位置可以由基準(zhǔn)坐標(biāo)的位置矢量（x，y，z）來描述，而姿勢表示了手部抓持刀具的方向，由方向矢量（α，β，γ）來描述。多關(guān)節(jié)機(jī)器人的本體結(jié)構(gòu)是由機(jī)體結(jié)構(gòu)和傳動(dòng)系統(tǒng)組成，主要有機(jī)器人的機(jī)座、腰部關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)裝置、大臂及大臂轉(zhuǎn)動(dòng)裝置、小臂及小臂轉(zhuǎn)動(dòng)裝置、手腕及手腕關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)裝置、末端執(zhí)行器幾個(gè)部分。

2 機(jī)械手的控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 微控制器

微芯公司PICmicro微型控制器是最受歡迎的機(jī)器人控制芯片之一。其特點(diǎn)在于系統(tǒng)配置易于操作，系統(tǒng)時(shí)鐘、系統(tǒng)復(fù)位、系統(tǒng)輸入/輸出可選，易于編程和多中斷源中斷等。例如PIC16控制器產(chǎn)品是總線型微控制器，有三個(gè)定時(shí)器、最高時(shí)鐘33 MHz、多中斷矢量、I/O引腳增強(qiáng)、并行編程等。

2.2 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

該機(jī)械手控制系統(tǒng)由PICmicro微型控制器PIC16F877構(gòu)成的核心控制單元和以PC為上位機(jī)及控制速度和位移的伺服控制系統(tǒng)組成，硬件框圖見圖1。

作為上位機(jī)的微型計(jì)算機(jī)PC主要完成系統(tǒng)管理、故障診斷、機(jī)器語言的編輯和編譯等功能。通過接口RS-232把PC與示教盒連在一起，由示教盒完成示教程序輸入，亦可由鍵盤完成指令的輸入。

圖 2 PIC機(jī)械手最小控制系統(tǒng)

控制器PIC16一方面接受上位機(jī)的指令，另一方面通過數(shù)模轉(zhuǎn)換完成對機(jī)械手各關(guān)節(jié)伺服控制電機(jī)的速度、位移的控制。PIC的外圍通信電路是微控制器PIC與微機(jī)的通信接口電路RS-232。將PIC16串口的I/O與MAX232串口接口相聯(lián)。PIC芯片構(gòu)成的機(jī)械手伺服控制系統(tǒng)是用來控制以增量式為位置元件的直流電機(jī)伺服系統(tǒng)，具有較強(qiáng)的實(shí)時(shí)控制能力。指令豐富，由上位機(jī)PC編程控制，與其他功能器件構(gòu)成伺服控制系統(tǒng)。

基于PICmicro智能換刀機(jī)械手最小控制系統(tǒng)如圖2所示。

圖 3 控制系統(tǒng)軟件流程圖

3 機(jī)械手的控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)包括兩方面，一方面是上位機(jī)PC的軟件開發(fā)，例如啟動(dòng)、清零、確定坐標(biāo)起點(diǎn)、進(jìn)行示教、計(jì)算與檢驗(yàn)、動(dòng)作的再現(xiàn)等；另一方面是微控制器PIC的數(shù)字伺服控制軟件的開發(fā)及仿真。包括匯編程序、解釋程序、編譯器、仿真器等。

圖3為控制系統(tǒng)軟件開發(fā)的流程圖。初始化是定時(shí)器、顯示器、接口等的初始化，以及內(nèi)存數(shù)據(jù)區(qū)清零。示教編程就是操作人員輸入指令確定機(jī)械手末端運(yùn)動(dòng)軌跡。示教要根據(jù)坐標(biāo)種類來示教。軌跡插補(bǔ)計(jì)算就是在坐標(biāo)系中通過直線插補(bǔ)、圓弧插補(bǔ)等原理完成軌跡計(jì)算。現(xiàn)代的機(jī)械手具有視覺定位，觸覺抓舉等先進(jìn)控制功能。

微控制器PIC的軟件開發(fā)利用了HI-TFCH Software公司的PICC Lite編譯器和Microchip公司的MPLAB IDE完成程序編寫。

這些應(yīng)用軟件開發(fā)工具都是面向微軟操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)的，可以用于Windows 2000、Windows XP等系統(tǒng)，操作及應(yīng)用很方便。

4 結(jié)論

自動(dòng)換刀機(jī)械手要準(zhǔn)確、靈活地完成換刀，就必須對控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，以解決各關(guān)節(jié)與末端速度、位置、力等量的控制。該機(jī)械手的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)是以PICmicro微型控制器為換刀機(jī)械手的核心，上與計(jì)算機(jī)PC通信，下與關(guān)節(jié)機(jī)器人各關(guān)節(jié)直流伺服電機(jī)控制系統(tǒng)相聯(lián)的完整機(jī)器人控制系統(tǒng)。在設(shè)計(jì)的硬件、軟件上通過PC輸入的程序參數(shù)，或者示教的方式，能按要求的軌跡準(zhǔn)確完成加工中心刀庫與機(jī)床主軸兩點(diǎn)之間的換刀任務(wù)。