鉆孔機械臂控制體系硬件設計與實現

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0緒論

工業機械臂（以下簡稱機械臂）是近代自動控制領域中出現的一項新技術，作為多學科融合的邊沿學科，它是當今高技術發展最快的領域之一，并已成為現代機械制造生產系統中的一個重要組成部分。隨著機器人系統設計應用的復雜化以及機器人系統對控制精度、實時性能、可靠性的要求不斷變高，需要給機械設備裝備嵌入式操作系統。嵌入式系統應用于機械的控制，將是機器控制領域的一個發展方向，為機器的智能控制的實現提供了廣闊的平臺。與傳統的微處理器和DSP相比，ARM微處理器資源豐富，具有很好的通用性，其主要技術優點是高性能、低價格、低功耗，可以廣泛的應用于各個領域，因此將ARM應用于機械臂控制系統不失為一種好的策略。

1機械臂功能設計

本文主要研究的是單臂式鉆孔機械臂，這種機械臂需要完成的動作有：前行、后行、左行、右行、上行、下行。這些動作相互結合，完成相應的動作安排。根據上述動作要求，工藝流程如下：(1)本文研究的機器臂主要由底座(或軀干)、機械臂構成。底座的主要任務是支撐和完成手臂上下左右的移動，實現機械臂在工作空間中的活動；(2)機械臂的底座固定不動，機械臂的Y軸由伺服電機驅動在平行于底座的平面進行前后運動，即是在Y軸平面中的運動；(3)X軸在上位機對伺服驅動器發出指令后和Y軸同時移動，進行左右的運動，即在X軸平面中的運動，同時運動就可以實現機械臂在X-Y平面上的精確定位；(4)在X軸上安裝一個氣動式動力頭，當在X-Y平面上精確定位之后，處理器通過控制電磁閥動力頭進給，帶動鉆頭旋轉進行既定的鉆孔。總結歸納可知，X-Y軸用于機械臂鉆孔的定位，Z軸做往復運動進行鉆孔；(5)機械臂完成上位機發出的脈沖指令，回到機械原點，等待下一次的指令。

工作過程如下：上位機對控制機發出脈沖指令，電機控制系統從控制器中獲取指令數據，傳感器系統檢測在機械臂工作的范圍之內有無障礙物，確定無障礙后開始動作，在系統運行中與電機同軸度編碼器實時反饋機械臂所到達的位置，以判斷是否完成規定動作。當控制器接受編碼器反饋的數據判斷出規定動作完成后系統暫停動作，等待下一次指令。為了使機械臂在接受到指令后高速準確的完成動作，本設計在硬件上采用了伺服驅動系統，軟件上采用模糊控制算法。電機驅動系統由ARM處理器及其相關外圍硬件和電機驅動器組成，ARM處理器發出指令脈沖下達給伺服驅動器，電機驅動器驅動電機運轉，運行期間，ARM處理器根據編碼器反饋的信息判斷機械臂的運動狀態，實現實時跟蹤定位和位置定位。

2模糊控制算法在ARM控制系統中的實現

2.1輸入量模糊化

模糊控制算法用在ARM中,則需使用在ARM中可以運行的軟件實現模糊控制，這樣就把能將原來的數字控制器改成模糊控制器，從而構成了一個基于ARM的模糊控制系統。由此可見，這種模糊控制器在本質上只是一種控制算法與硬件的結合，與其它的模糊算法的差別在于用ARM的語言來實現模糊化、模糊推理決策以及反模糊化過程。這種模糊控制器的優點是資源消耗少，靈活性高，通用性強，應用范圍廣等。必須注意的是設計過程中要考慮到ARM的內存空間，運算速度，以及模糊算法的執行效率和系統的實時性要求。在模糊控制器中，給定目標為r，將光電編碼器檢測到的電機轉速作為反饋輸入。然后計算得到轉速偏差e(k)和轉速偏差變化率Δe(k)，量化和模糊化后作為模糊控制器的兩個輸入信號，反模糊后得到精確的PID參數，經過PID運算得到電機控制信號，此控制信號經過進一步的轉換，可得到PWM控制寄存器的設定值，寫入PWM寄存器后，從ARM的PWM輸出端口將得到相應的PWM控制信號，經過驅動器驅動伺服電機，使鉆孔機械臂達到計算機的控制運動要求。在機械臂硬件平臺控制系統中,計算機通過串口與ARM處理器通信,發送控制命令控制機械臂的運動狀態。用編碼器檢測電機的旋轉速度。

電機轉速的誤差:式中：n是當前電機轉速；n0是t0時刻對應的電機轉速;當上次的電機轉速為e(k-1)時，當前電機轉速的誤差變化為：根據e(k),Δe(k)的隸屬度函數可知，我們必須把由上式計算得到的誤差和誤差變化率進行處理,使他們的值落在[-3,3]區間,再進行模糊化處理,才能進行模糊控制器運算。經過反復的試驗,可以得到e(k),Δe(k)的最大值,分別為em,Δem由此我們進行歸一化公式:當出現測量值大于我們的最大值時，我們就將其視為最大值em的值，所以以上公式是普適用的。

2.2建立機械臂模糊控制規則表

模糊控制規則在模糊控制系統中，是一種根據控制量偏差和控制量偏差變化率而推斷出輸出量的推理規則。這些規則是由誤差和誤差變化率狀態的不同而形成的一系列條件語句。在模糊控制器選用單變量二維最常見的結構形式，設定誤差e,誤差變化ec及控制量輸出u的模糊子集為｛負大,負中,負小,零,正小,正中,正大｝，并簡記為{NB,NM,NS,Z,PS,PM,PB}，論域均定為[-3,3],模糊子集NB,PB分別選為Z型隸屬函數和S型隸屬函數，其余選為靈敏度高且在論域范圍內均勻分布，等距離的三角形隸屬函數。由于三角形隸屬函數簡單易行，計算效率高，且僅與直線的形狀有關，適合于實時控制和在線調整的控制，因此，本模糊控制器的輸入輸出隸屬度函數曲線如圖1所示。

3鉆孔機械臂控制系統硬件設計與實現

3.1LPC2138處理器

ARM內核采用精簡指令集計算機（RISC）體系結構，具有大量的通用寄存器，指令格式使用統一和長度固定，尋址方式簡單，內含2套指令系統（ARM指令集和Thumb指令集）。極低的功耗，適合對功耗要求較高的應用，如便攜式產品。能夠提供0.9MIPS/MHz的三級流水線結構。

3.2傳感器模塊

本課題研究的鉆孔機械臂是一個用于加工的機械裝備，當上位機設定好要加工的參數且啟動機械臂臂進行加工時，為了防止有意外的發生，需要加一些傳感器進行保護，當檢測到有人或物進入到機械臂加工的范圍之內時，傳感器將檢測到的信號反饋給處理器，進行相應的動作。

（1）位置傳感器：即行程開關，在X軸和Y軸上都裝有3個行程開關，在Z軸的上下位置也裝有兩個行程開關，本系統中選用無觸點感應式行程開關，兩線制傳感器，型號為TL-05MD1。原理：無觸點行程開關又稱接近開關，它可以代替有觸頭行程開關來完成行程控制和限位保護，還可用于高頻計數、測速、液位控制、零件尺寸檢測、加工程序的自動銜接等的非接觸式開關。由于它具有非接觸式觸發、動作速度快、可在不同的檢測距離內動作、發出的信號穩定無脈動、工作穩定可靠、壽命長、重復定位精度高以及能適應惡劣的工作環境等特點，所以在機床、紡織、印刷、塑料等工業生產中應用廣泛。無觸點行程開關分為有源型和無源型兩種，多數無觸點行程開關為有源型，主要包括檢測元件、放大電路、輸出驅動電路3部分，一般采用5V～24V的直流電流，或220V交流電源等。當被控物體到位,電子行程開關動作，常開組導通(閉合)常閉組截止,(斷開)。完成相應的動作。

（2）光電編碼器：由伺服電機驅動器獨立控制。

（3）紅外光柵傳感器又稱為安全性光柵安全性光柵是一種保護各種危險機械裝備周圍工作人員的先進技術。同傳統的安全措施，比如機械柵欄、滑動門、回拉限制等來相比，安全性光柵更自由，更靈活，并且可以降低操作者疲勞程度。通過合理地減少對實體保護的需求，安全性光柵簡化了那些常規任務，如設備的安裝、維護以及維修。

4總結

本文在分析機械臂嵌入式控制體系的基礎上，進行了以LPC2138為主控制器的嵌入式系統硬件平臺設計。合理規劃機械臂的任務模塊，設計應用程序，實現對各功能子系統的數據通信、控制管理。本文只對機械臂底層控制系統進行研究設計并介紹。因此，真正的實現伺服電機的精確控制還需要進一步要有專業人員研究。