基于IAP15W 的六軸機(jī)械手驅(qū)動模塊研究與設(shè)計(jì)

徐操喜, 馮 建, 董斯特, 李成章

(廣東交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院 信息學(xué)院, 廣州510800 )

0 引 言

在機(jī)械手控制系統(tǒng)中,工業(yè)計(jì)算機(jī)采用攝像頭對目標(biāo)物體進(jìn)行識別并三維定位,根據(jù)三維坐標(biāo)及每個(gè)機(jī)械臂長度,逆運(yùn)算出各控制舵機(jī)與水平面夾角［1］。 由于各機(jī)械手臂互相連接,上層只考慮每個(gè)機(jī)械臂相對于水平線的角度,而對于底層驅(qū)動,由于機(jī)械臂水平夾角互相影響,改變其中任何一個(gè)夾角,其余機(jī)械臂水平夾角也隨之牽連變化,從而要求底層驅(qū)動要在控制上進(jìn)行調(diào)整,定位到設(shè)定的三維空間位置。

系統(tǒng)包括了軟件控制系統(tǒng)以及電路控制系統(tǒng)兩部分。

1 硬件設(shè)計(jì)

硬件系統(tǒng)包括MCU 核心控制系統(tǒng)、電源降壓模塊、多路舵機(jī)控制模塊。

1.1 MCU 核心控制模塊選擇

MCU 采用宏晶公司的IAP15W4K58S4,此芯片采用8051 內(nèi)核,兼容傳統(tǒng)8051 指令系統(tǒng),一個(gè)時(shí)鐘周期可以執(zhí)行一條單字節(jié)指令,相比傳統(tǒng)12T,效率提高了12 倍,能滿足大部分小型系統(tǒng)控制要求,也完全能滿足本設(shè)計(jì)控制要求。

1.2 多路舵機(jī)控制模塊設(shè)計(jì)

一個(gè)機(jī)械手有多個(gè)機(jī)械臂,每個(gè)機(jī)械臂由1 個(gè)舵機(jī)控制。 本控制機(jī)械手模型如圖1 所示。 由于每個(gè)舵機(jī)需要采用1 路PWM 控制,而MCU 本身資源有限,通過軟件產(chǎn)生多路PWM 難度比較大,因此本方案采用舵機(jī)控制專用芯片PCA9685,PCA9685 可以輸出16 路舵機(jī)控制信號,采用I2C 總線與MCU通信交換數(shù)據(jù),每路輸出頻率可編程配置,從40 Hz到1 KHz,占空比從0%到100%。

圖1 機(jī)械手模型Fig. 1 Manipulator model

1.3 電源模塊

為了隔離舵機(jī)電磁噪聲對MCU 的干擾,系統(tǒng)對舵機(jī)及MCU 獨(dú)立供電,舵機(jī)電源轉(zhuǎn)換芯片采用DCDC 轉(zhuǎn)換芯片LM2575-5.0,MCU 供電采用LM2576-5.0 降壓到5 V,再采用線性降壓芯片AS1117-3.3 V降到3.3 V 后提供給MCU。 LM2576 采用PWM 控制方式輸出電壓,轉(zhuǎn)換效率根據(jù)輸入電壓可達(dá)75%～88%,輸出電流3 A,滿足系統(tǒng)電源功率要求。 為了兼顧電源轉(zhuǎn)換效率以及電源紋波干擾對MCU 的影響,LM2576-5.0 穩(wěn)壓到5 V 之后,采用線性穩(wěn)壓芯片AS1117-3.3 V 將5 V 降低到3.3 V,一方面提高電源轉(zhuǎn)換效率,另一方面紋波也得到控制,電源供電方案如圖2 所示。

圖2 電源供電方案Fig. 2 Power supply scheme

2 軟件設(shè)計(jì)

軟件控制系統(tǒng)包括了串行通信程序設(shè)計(jì)、雙機(jī)通信協(xié)議設(shè)計(jì)、控制命令合理性檢測、各舵機(jī)夾角關(guān)系分析、舵機(jī)控制程序設(shè)計(jì)。

2.1 串行通信程序設(shè)計(jì)

上位機(jī)與機(jī)械手模塊采用串行異步方式通信,上位機(jī)按雙方約定協(xié)議把控制參數(shù)傳到MCU,MCU收到數(shù)據(jù)后對數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn),無誤后按控制參數(shù)對舵機(jī)進(jìn)行控制。

IAP15W4K58S4 串行通信配置步驟：

(1)通過寄存器P＿SW1 配置使用IO 引腳；

(2)通過定時(shí)器配置串行通信口的波特率；

(3)開中斷；

初始配置代碼如下：

ACC = P＿SW1；

ACC ＆= ～(S1＿S0 | S1＿S1)； ／ ／配置發(fā)送接收對應(yīng)IO 引腳 P＿SW1 = ACC； ／ ／通過ACC把配置參數(shù)寫入P＿SW1

SCON = 0x50； ／ ／數(shù)據(jù)位為8 位,可變波特率

AUXR = 0x40； ／ ／定時(shí)器1 為1T 模式

TMOD = 0x20； ／ ／定時(shí)器1 為模式2(8 位自動重載)

TL1 = (256 - (FOSC／32／BAUD))； ／ ／設(shè)置波特率重裝值

TH1 = (256 - (FOSC／32／BAUD))；

TR1 = 1； ／ ／定時(shí)器1 開始工作

ES = 1； ／ ／使能串口中斷

EA = 1；／ ／開總中斷

2.2 雙機(jī)通信協(xié)議設(shè)計(jì)

通信協(xié)議是兩個(gè)系統(tǒng)正確通信的基礎(chǔ),通信協(xié)議字長設(shè)置為10 個(gè)字節(jié),包括起始字節(jié)以及結(jié)束字節(jié)。 中間包括有效數(shù)據(jù)位12,一個(gè)CRC 校驗(yàn)位,其結(jié)構(gòu)如圖3 如示。

圖3 通信協(xié)議Fig. 3 Communication protocol

其中,start 位為起始位0x55,end 為結(jié)束位0xAA,CRC 為data1 ～data12 的CRC 校驗(yàn)位,data1、data2 為舵機(jī)1 的16 位水平夾角(高8 位為data1 ,低8 位為data2),其余類推為data3、data4 為舵機(jī)2的16 位水平夾角,……data11、data12 為舵機(jī)6 的16 位水平夾角。

2.3 控制命令合理性檢測

機(jī)械手運(yùn)動由6 個(gè)舵機(jī)控制［3］, 實(shí)物如圖4 所示。 標(biāo)注1 為機(jī)械臂1,2 為機(jī)械臂2,3 為機(jī)械臂3,4 為機(jī)械臂4。 舵機(jī)1 控制機(jī)械手在Y 軸方向轉(zhuǎn)動,舵機(jī)2 控制機(jī)械臂2 繞機(jī)械臂1 轉(zhuǎn)動,舵機(jī)3 控制機(jī)械臂3 繞機(jī)械臂2 轉(zhuǎn)動,舵機(jī)4 控制機(jī)械臂4 原位置轉(zhuǎn)動,改變機(jī)械手姿態(tài),不改變空間坐標(biāo)。 舵機(jī)5 控制機(jī)械臂4 繞機(jī)械臂3 轉(zhuǎn)動。 舵機(jī)6 改變機(jī)械手姿態(tài),不改變空間位置。

圖4 機(jī)械手實(shí)物Fig. 4 Manipulatormaterial object

對轉(zhuǎn)動角度進(jìn)行測量標(biāo)定,得到數(shù)據(jù)如表1 所示。

表1 每個(gè)機(jī)械手測量標(biāo)定結(jié)果Tab. 1 Measurement and calibration results

2.4 各舵機(jī)夾角關(guān)系分析

機(jī)械手各機(jī)械臂是一個(gè)串連控制結(jié)構(gòu),由機(jī)械結(jié)構(gòu)分析可得知,它們水平夾角會傳遞影響,夾角α改變會引起夾角β、γ 改變,夾角β 改變會引起γ 改變。 MCU 在接收到上位機(jī)發(fā)送過來的角度時(shí),一方面需要考慮到夾角之間大小關(guān)系導(dǎo)致計(jì)算方法,另一方面需要考慮到水平夾角的傳遞影響。

設(shè)4 個(gè)夾角機(jī)械臂與水平面初始角度值為x,y,z,w,預(yù)定目標(biāo)角度為x1,y1,z1,w1,舵機(jī)2,舵機(jī)3,舵機(jī)5 實(shí)際所需要轉(zhuǎn)的角度為x2,y2,z2。 具體運(yùn)算方法如下：

2.5 舵機(jī)控制程序設(shè)計(jì)

MG996 舵機(jī)是一種位置伺服的驅(qū)動器,需要周期為20msPWM 信號控制,適用于那些需要角度不斷變化并可以保持的控制系統(tǒng),1.5ms 為基準(zhǔn)信號［2］。 其信號控制要求如圖5 所示。 MG996 將獲得的直流偏置電壓與電位器的電壓比較,獲得電壓差輸出。 最后,電壓差的正負(fù)輸出到電機(jī)驅(qū)動芯片,決定電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。 當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速一定時(shí),通過級聯(lián)減速齒輪帶動電位器旋轉(zhuǎn),使得電壓差為0,電機(jī)停止轉(zhuǎn)動。

圖5 舵機(jī)的控制要求Fig. 5 Steering gear control

舵機(jī)控制芯片PCA9685 對6 個(gè)舵機(jī)進(jìn)行控制,PCA9685 可以控制16 路舵機(jī),與MCU 通信采用I2C 總線。 每路輸出頻率可編程配置,從40 Hz 到1 KHz,占空比從0%到100%。 其最小核心板如圖6所示。 其中板上A0～A5 為PCA9685I2C 地址設(shè)置,默認(rèn)設(shè)置(右上角A0～A5 都不焊)地址為0X80,OE引腳為使能腳,低電平有效,VCC 為芯片電源,3.3 V～5 V。

圖6 PCA9686 舵機(jī)控制電路板Fig. 6 Steering gear control circuit board

V ＋為舵機(jī)供電電源引腳,5 V ～5. 5 V。PCA9685 每個(gè)輸出通道擁有4 個(gè)控制寄存器LEDx＿ON＿L、LEDx＿ON＿H、LEDx＿OFF＿L、LEDx＿OFF＿H。控制寄存器為8 位,儲存輸出通道高電平時(shí)間和低電平時(shí)間。

PCA9685 程序設(shè)計(jì)包括兩個(gè)關(guān)鍵步驟：

步驟1配置PCA9685 的PWM 輸出為50 Hz,此頻率剛好對應(yīng)MG996 的控制信號要求。 其關(guān)鍵代碼如下［3］：

f *= 0.92； ／ ／頻率設(shè)置中的過沖校正

prescal= 25000000；

prescal／ = 4096；

prescal ／ =；

prescal -= 1；

pres = floor(prescal＋0.5)；

begin()；

mode1 = I2C＿read(PCA9685＿M(jìn)ODE1)；

mode2 = (mode1＆0x7F) | 0x10；

I2C ＿write(PCA9685＿M(jìn)ODE1, mode2)；

I2C ＿write(PCA9685＿PRESCALE, pres)；

I2C ＿write(PCA9685＿M(jìn)ODE1, mode1)；delayms(2)；

I2C ＿write(PCA9685＿M(jìn)ODE1,mode1 | 0xa1)；

步驟2編 寫 函 數(shù)PCA9685 ＿ SET ＿ PWM(unsigned int n, unsigned int on, unsigned int off)用于設(shè)定不同通道的占空比,方便主函數(shù)對其調(diào)用控制,其中n 為所要控制通道,on 為信號高電平時(shí)間,off 為信號低電平時(shí)間,其關(guān)鍵代碼如下所示：

I2C ＿write(LED0＿ON＿L＋4*n,on＆0xff)；

I2C ＿write(LED0＿ON＿H＋4*n,on＞＞8)；

I2C ＿write(LED0＿OFF＿L＋4*n,off＆0xff)；

I2C ＿write(LED0＿OFF＿H＋4*n,off＞＞8)；

2.6 程序流程圖

程序運(yùn)行過程如下：開始運(yùn)行,控制機(jī)械臂轉(zhuǎn)到初始位置,記錄機(jī)械臂之間夾角。 等待上位發(fā)送控制命令,收到控制命令之后,計(jì)算得到實(shí)際轉(zhuǎn)動角度,把實(shí)際轉(zhuǎn)動角度與機(jī)械臂夾角進(jìn)行轉(zhuǎn)換運(yùn)算,判斷是否在機(jī)械臂夾角范圍內(nèi),如果在夾角允許范圍內(nèi),則輸出實(shí)際控制命令,如果不在允許范圍內(nèi),則返回錯(cuò)誤信息至上位機(jī)。 程序流程如圖7 所示。

圖7 程序流程圖Fig. 7 Programme flow diagram

3 測試結(jié)果及分析

測試前設(shè)置機(jī)械手初始位置,設(shè)機(jī)械臂初始水平角度為x=90,y=0,z=0。 機(jī)械臂1＆2 夾角為o,機(jī)械臂2＆3 夾角為p,機(jī)械臂3＆4 夾角為q。 在初始位置數(shù)據(jù)如表2 所示。

表2 機(jī)械手初始值化各參數(shù)Tab. 2 Initial value of manipulator parameters

測試4 組數(shù)據(jù),如表3 所示。 前兩組數(shù)據(jù)是普通常規(guī)值測試,后兩組接近連界測試,測試結(jié)果機(jī)械手都達(dá)到了預(yù)定角度,驗(yàn)證了系統(tǒng)設(shè)計(jì)可行性。

表3 測試數(shù)據(jù)Tab. 3 Test result

4 結(jié)束語

本文討論了使用舵機(jī)的驅(qū)動模塊設(shè)計(jì),舵機(jī)在應(yīng)用上具有低成本,控制簡單,在一些低端的AGV搬運(yùn)機(jī)器人、教學(xué)儀器、果園采摘上也有廣泛應(yīng)用,但由于設(shè)計(jì)局限,其精度低,難以適應(yīng)精度要求高的場合,在這些高精度要求場合一般要求步進(jìn)電機(jī)加上減速箱。