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　　如前所述ARM核CPU的機器人肩膀的掌控系統(tǒng)

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　　先進制造 ◇ 系列技術(shù)講座

　　1月11日13:30-17:00 2023 Ansys中國機器人行業(yè)典型研討會

　　引言：

　　肩膀掌控器的機械結(jié)構(gòu)由三相減速電機、肩膀、鉆頭、減速曲軸、視角感應器共同組成。機器人肩膀與機械鉆頭相相連，鉆頭與三相減速電機透過減速曲軸諧振，各肩膀掌控器透過掌控電機旋轉(zhuǎn)來達至掌控肩膀邊線的目的。

　　近年來，隨著MEMS及相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，微機器人領域已越來越來受人關(guān)注。但由于零件的尺寸很小，微機器人組件的換裝須要很高的精確度，一般的換裝方法無法辦到。本文介紹了一個可展開微零件換裝工作的機器人肩膀掌控系統(tǒng)的掌控方法。

　　1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

考慮到多機器人肩膀的選用，整個機器人掌控系統(tǒng)由楊瑞麟機與數(shù)個腹面機共同組成。腹面機即是肩膀掌控器，每一腹面機掌控一個機械肩膀的伸縮運動。楊瑞麟機即為掌控終端產(chǎn)品，透過不同配件組裝方式生成每一肩膀的邊線數(shù)據(jù)，并透過充電器數(shù)據(jù)傳輸給各腹面機，由腹面機掌控肩膀到達目標邊線并展開目標操作。

　　1.1 機械結(jié)構(gòu)

　　肩膀掌控器的機械結(jié)構(gòu)由三相減速電機、肩膀、鉆頭、減速曲軸、視角感應器共同組成。機器人肩膀與機械鉆頭相相連，鉆頭與三相減速電機透過減速曲軸諧振，各肩膀掌控器透過掌控電機旋轉(zhuǎn)來達至掌控肩膀邊線的目的。同時，肩膀掌控器具有全自動控制旋柄與鉆頭相相連，須要時可透過全自動控制，改變肩膀邊線。

　　1.2 電阻結(jié)構(gòu)

肩膀掌控器由選用ARM內(nèi)核的PHLIPS LPC2138系列中央CPU掌控，電阻結(jié)構(gòu)主要分為主掌控組件、量測

　　意見反饋組件和通訊組件，如圖3所示。透過主掌控組件掌控電機狀況，透過量測意見反饋組件獲得鉆頭終端產(chǎn)品距和邊線，在達至規(guī)定邊線后暫停電機。而通訊組件則完成與楊瑞麟機之間的數(shù)據(jù)傳輸。

　　2 電機掌控

　　電機掌控由主掌控組件和量測意見反饋組件共同完成。

　　2.1 主掌控組件

主掌控器選用PHLIPS LPC2138中央CPU，其具有64個插口，31個雙向I／O口，2個8路10們A／D轉(zhuǎn)換器，能夠展開電流量測的工作，符合設計要求，其插口分配如表1所示。電機選用RA-20GM-SD3 型三相減速電機，其減速箱的減速比達至了1／1000，在減速后，電機轉(zhuǎn)速為4.5+／-0.9 rpm，在與1／2減速曲軸組進一步諧振后，鉆頭轉(zhuǎn)速為2.25 rpm，在所用鉆頭齒距為1mm時，肩膀終端產(chǎn)品述牢為3.75×10-2mm／s。

　　由于本設計中電機須要正反旋轉(zhuǎn)，故選用了BT5512C00驅(qū)動力晶片TA8409，其具有兩個輸出口，兩個輸出口。中央CPU透過掌控輸出阻抗組合方可掌控電機的不同狀況，包括正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、剎車減速和暫停狀況。

　　它的輸出電流與電機工作電流相符，方可直接驅(qū)動力電機，不用增加放大電阻。

　　2.2 量測意見反饋組件

視角感應器選用了Midori的CP-2FC，它的機械視角范圍為360度無限，感應器把視角變化量轉(zhuǎn)化為電流量并透過電流量測電阻意見反饋回中央CPUA／D轉(zhuǎn)換口，透過電流的變化量可計算獲得鉆頭的終端產(chǎn)品距，這樣就可以得知肩膀邊線，并以這個為標準對電機磁盤推送命令。

　　電流量測電阻包含由運算放人器構(gòu)成的電流追隨電阻，它既可隔離電阻，又可以完成電流追隨。

　　3 通訊組件

　　3.1 RS-422通訊標準

　　RS-422標準的接收端選用脈沖響應數(shù)據(jù)傳輸方式，也稱作均衡數(shù)據(jù)傳輸，其全稱是“均衡電流數(shù)字接口電阻的電氣特性”。

　　其接收機選用高輸出阻抗，推送磁盤有比RS232更強的驅(qū)動力能力，故允許在相同數(shù)據(jù)導線上相連數(shù)個接收結(jié)點，最多可接10個結(jié)點。即一個主設備(Master)，其余為從設備(Salve)，從發(fā)備之間不能通訊，所以RS-422支持點對多的雙向通訊。

RS-422的最大數(shù)據(jù)傳輸距為4000英尺(約1219m)，最大傳輸速率為10Mbit／s。

　　3.2 數(shù)據(jù)傳輸功能實現(xiàn)

　　本系統(tǒng)通訊組件選用RS-422標準，公交線路長度約為200m，故通訊的可靠性可獲得確保。脈沖響應公交線路磁盤選用AM26LS31晶片，脈沖響應受器選用AM26LS32晶片，中央CPU的串行輸出口和輸出口分別與磁盤輸出和接收機輸出相相連，并選用脈沖響應開路自動故障保險終端產(chǎn)品相連配置。

從而在推送器輸出端為高阻狀況時確保受器輸出有至少200mV的電流信號，使輸出不會出現(xiàn)未知的狀況，提高可靠性，完成與楊瑞麟機間的數(shù)據(jù)傳輸工作。另外，考慮到多機器人肩膀的應用情況，在肩膀掌控器中設有撥碼開關(guān)來設定編號，與楊瑞麟機的數(shù)據(jù)傳輸必須包含該編號，并由此來判斷通訊時目標掌控器的具體邊線。

　　4 軟件設計

　　在設計了肩膀掌控器硬件的基礎上，我們設計了運行在中央CPU上的軟件應用程序。

　　在掌控器上電后，首先讀入撥碼開關(guān)的掌控器編號，然后進入等待模式。程序設定了UART中斷，當楊瑞麟機有數(shù)據(jù)傳送過來時，中斷發(fā)生。此時核對數(shù)據(jù)包中的掌控器編號，若傳送編號與小掌控器編號相符，則把數(shù)據(jù)讀入，并計算獲得電機運行方向和肩膀終端產(chǎn)品距。在電機運行時，不斷讀取感應器意見反饋電流，并展開計算，判斷肩膀是否接近目標邊線和是否展開剎車停車操作。電機暫停后，即肩膀到達目標邊線，此時掌控器對楊瑞麟機回復工作完成(通訊時始終附帶掌控器編號)，并再次進入等待狀況。

　　本系統(tǒng)中，可選用兩種算法來決定電機的減速暫停命令的推送時機。

第一種是剛好是在量測獲得肩膀到達目標邊線之時推送減速暫停命令，此算法執(zhí)行較為簡單，但不可避免會存在電機暫停時鉆頭邊線偏離了目標邊線的情況。不過工作時肩膀終端產(chǎn)品速度很低，已經(jīng)可以確保掌控精度。第二種算法，即在接近目標邊線時展開預測算法，在肩膀到達目標邊線前推送剎車減速命令，使得鉆頭暫停邊線與目標邊線差距更小，此算法雖較為復雜，但精度較第一種更高，在本設計中，我們選用第二種算法從而確保更高的掌控精度。

　　肩膀掌控器程序是透過不斷讀取感應器意見反饋值獲得肩膀邊線的，雖然經(jīng)過預測算法提高算法精度，但由于感應器本身也有一定的誤差，肩膀暫停邊線不免會有偏差，但由于高精度的硬件設計，此誤差不會影響機械肩膀大多數(shù)的工作。

5 結(jié)束語

　　本章設計了一個如前所述ARM核中央CPU的機器人肩膀掌控系統(tǒng)，對掌控器的硬件設計展開了詳細的敘述，并給出了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖和部分電阻的原理圖；介紹了掌控軟件的設計并給出了程序的流程圖。由于選用了高減速比的減速箱來調(diào)整電機速度并配合了改良的算法，本肩膀掌控器的定位精度是比較高的。若在此基礎上加裝可控夾鉗，方可完成簡單可靠的換裝工作。

　　( 文章來源：互聯(lián)網(wǎng) )

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