钻孔机械臂控制体系硬件设计与实现

0绪论

工业机械臂（以下简称机械臂）是近代自动控制领域中出现的一项新技术，作为多学科融合的边沿学科，它是当今高技术发展最快的领域之一，并已成为现代机械制造生产系统中的一个重要组成部分。随着机器人系统设计应用的复杂化以及机器人系统对控制精度、实时性能、可靠性的要求不断变高，需要给机械设备装备嵌入式操作系统。嵌入式系统应用于机械的控制，将是机器控制领域的一个发展方向，为机器的智能控制的实现提供了广阔的平台。与传统的微处理器和DSP相比，ARM微处理器资源丰富，具有很好的通用性，其主要技术优点是高性能、低价格、低功耗，可以广泛的应用于各个领域，因此将ARM应用于机械臂控制系统不失为一种好的策略。

1机械臂功能设计

本文主要研究的是单臂式钻孔机械臂，这种机械臂需要完成的动作有：前行、后行、左行、右行、上行、下行。这些动作相互结合，完成相应的动作安排。根据上述动作要求，工艺流程如下：(1)本文研究的机器臂主要由底座(或躯干)、机械臂构成。底座的主要任务是支撑和完成手臂上下左右的移动，实现机械臂在工作空间中的活动；(2)机械臂的底座固定不动，机械臂的Y轴由伺服电机驱动在平行于底座的平面进行前后运动，即是在Y轴平面中的运动；(3)X轴在上位机对伺服驱动器发出指令后和Y轴同时移动，进行左右的运动，即在X轴平面中的运动，同时运动就可以实现机械臂在X-Y平面上的精确定位；(4)在X轴上安装一个气动式动力头，当在X-Y平面上精确定位之后，处理器通过控制电磁阀动力头进给，带动钻头旋转进行既定的钻孔。总结归纳可知，X-Y轴用于机械臂钻孔的定位，Z轴做往复运动进行钻孔；(5)机械臂完成上位机发出的脉冲指令，回到机械原点，等待下一次的指令。

工作过程如下：上位机对控制机发出脉冲指令，电机控制系统从控制器中获取指令数据，传感器系统检测在机械臂工作的范围之内有无障碍物，确定无障碍后开始动作，在系统运行中与电机同轴度编码器实时反馈机械臂所到达的位置，以判断是否完成规定动作。当控制器接受编码器反馈的数据判断出规定动作完成后系统暂停动作，等待下一次指令。为了使机械臂在接受到指令后高速准确的完成动作，本设计在硬件上采用了伺服驱动系统，软件上采用模糊控制算法。电机驱动系统由ARM处理器及其相关硬件和电机驱动器组成，ARM处理器发出指令脉冲下达给伺服驱动器，电机驱动器驱动电机运转，运行期间，ARM处理器根据编码器反馈的信息判断机械臂的运动状态，实现实时跟踪定位和位置定位。

2模糊控制算法在ARM控制系统中的实现

2.1输入量模糊化

模糊控制算法用在ARM中,则需使用在ARM中可以运行的软件实现模糊控制，这样就把能将原来的数字控制器改成模糊控制器，从而构成了一个基于ARM的模糊控制系统。由此可见，这种模糊控制器在本质上只是一种控制算法与硬件的结合，与其它的模糊算法的差别在于用ARM的语言来实现模糊化、模糊推理决策以及反模糊化过程。这种模糊控制器的优点是资源消耗少，灵活性高，通用性强，应用范围广等。必须注意的是设计过程中要考虑到ARM的内存空间，运算速度，以及模糊算法的执行效率和系统的实时性要求。在模糊控制器中，给定目标为r，将光电编码器检测到的电机转速作为反馈输入。然后计算得到转速偏差e(k)和转速偏差变化率Δe(k)，量化和模糊化后作为模糊控制器的两个输入信号，反模糊后得到精确的PID参数，经过PID运算得到电机控制信号，此控制信号经过进一步的转换，可得到PWM控制寄存器的设定值，写入PWM寄存器后，从ARM的PWM输出端口将得到相应的PWM控制信号，经过驱动器驱动伺服电机，使钻孔机械臂达到计算机的控制运动要求。在机械臂硬件平台控制系统中,计算机通过串口与ARM处理器通信,发送控制命令控制机械臂的运动状态。用编码器检测电机的旋转速度。

电机转速的误差:式中：n是当前电机转速；n0是t0时刻对应的电机转速;当上次的电机转速为e(k-1)时，当前电机转速的误差变化为：根据e(k),Δe(k)的隶属度函数可知，我们必须把由上式计算得到的误差和误差变化率进行处理,使他们的值落在[-3,3]区间,再进行模糊化处理,才能进行模糊控制器运算。经过反复的试验,可以得到e(k),Δe(k)的最大值,分别为em,Δem由此我们进行归一化公式:当出现测量值大于我们的最大值时，我们就将其视为最大值em的值，所以以上公式是普适用的。

2.2建立机械臂模糊控制规则表

模糊控制规则在模糊控制系统中，是一种根据控制量偏差和控制量偏差变化率而推断出输出量的推理规则。这些规则是由误差和误差变化率状态的不同而形成的一系列条件语句。在模糊控制器选用单变量二维最常见的结构形式，设定误差e,误差变化ec及控制量输出u的模糊子集为｛负大,负中,负小,零,正小,正中,正大｝，并简记为{NB,NM,NS,Z,PS,PM,PB}，论域均定为[-3,3],模糊子集NB,PB分别选为Z型隶属函数和S型隶属函数，其余选为灵敏度高且在论域范围内均匀分布，等距离的三角形隶属函数。由于三角形隶属函数简单易行，计算效率高，且仅与直线的形状有关，适合于实时控制和在线调整的控制，因此，本模糊控制器的输入输出隶属度函数曲线如图1所示。

3钻孔机械臂控制系统硬件设计与实现

3.1LPC2138处理器

ARM内核采用精简指令集计算机（RISC）体系结构，具有大量的通用寄存器，指令格式使用统一和长度固定，寻址方式简单，内含2套指令系统（ARM指令集和Thumb指令集）。极低的功耗，适合对功耗要求较高的应用，如便携式产品。能够提供0.9MIPS/MHz的三级流水线结构。

3.2传感器模块

本课题研究的钻孔机械臂是一个用于加工的机械装备，当上位机设定好要加工的参数且启动机械臂臂进行加工时，为了防止有意外的发生，需要加一些传感器进行保护，当检测到有人或物进入到机械臂加工的范围之内时，传感器将检测到的信号反馈给处理器，进行相应的动作。

（1）位置传感器：即行程开关，在X轴和Y轴上都装有3个行程开关，在Z轴的上下位置也装有两个行程开关，本系统中选用无触点感应式行程开关，两线制传感器，型号为TL-05MD1。原理：无触点行程开关又称接近开关，它可以代替有触头行程开关来完成行程控制和限位保护，还可用于高频计数、测速、液位控制、零件尺寸检测、加工程序的自动衔接等的非接触式开关。由于它具有非接触式触发、动作速度快、可在不同的检测距离内动作、发出的信号稳定无脉动、工作稳定可靠、寿命长、重复定位精度高以及能适应恶劣的工作环境等特点，所以在机床、纺织、印刷、塑料等工业生产中应用广泛。无触点行程开关分为有源型和无源型两种，多数无触点行程开关为有源型，主要包括检测元件、放大电路、输出驱动电路3部分，一般采用5V～24V的直流电流，或220V交流电源等。当被控物体到位,电子行程开关动作，常开组导通(闭合)常闭组截止,(断开)。完成相应的动作。

（2）光电编码器：由伺服电机驱动器独立控制。

（3）红外光栅传感器又称为安全性光栅安全性光栅是一种保护各种危险机械装备周围工作人员的先进技术。同传统的安全措施，比如机械栅栏、滑动门、回拉限制等来相比，安全性光栅更自由，更灵活，并且可以降低操作者疲劳程度。通过合理地减少对实体保护的需求，安全性光栅简化了那些常规任务，如设备的安装、维护以及维修。

4总结

本文在分析机械臂嵌入式控制体系的基础上，进行了以LPC2138为主控制器的嵌入式系统硬件平台设计。合理规划机械臂的任务模块，设计应用程序，实现对各功能子系统的数据通信、控制管理。本文只对机械臂底层控制系统进行研究设计并介绍。因此，真正的实现伺服电机的精确控制还需要进一步要有专业人员研究。