基于ARM的机械手运动控制系统设计
基于ARM处理器的钻孔机械臂控制系统.
基于ARM处理器的钻孔机械臂控制系统工业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。
所谓工业机械臂是一种能按给定的程序或要求自动完成物件(如材料、工件、零件或工具等)传送或操作作业的机械装置,它能部分地代替人的手工劳动。
较高级型式的机械臂,还能模拟人的手臂动作,完成较复杂的作业。
本课题所研究的机械臂是用于在工业生产上钻孔的机械设备。
它可根据预先给定的任务,用编程的方式规定好机械臂要行进的路线,自动完成其行为控制,完成整个生产过程中的钻孔工作。
本论文中的主要工作涉及以下方面:(1)以钻孔机械臂为研究对象,进行了以LPC2138为主控制器的嵌入式系统硬件平台设计,以及LPC2138与伺服驱动电路、液晶显示电路、键盘扫描电路等的接口设计,且着重对机械臂执行机构交流伺服电机的驱动进行了设计研究;(2)针对μC/OS-II操作系统精小、稳定、可靠、易移植等特点,对μC/OS- II操作系统进行修改,并移植到主控制系统的处理器中。
在操作系统之上,将机械臂的任务模块划分为:主程序模块、键盘扫描和液晶显示任务模块、传感器采集和控制信号发送任务模块、脉冲指令与方向信号发送任务模块,并设计出应用程序,将各部分整合到一起完成机械臂定位和钻孔工作。
(3)论文中应用模糊控制算法,用于控制和调节机械臂的钻孔工作。
且对常规PID控制与模糊控制进行了仿真对比,选择了最优控制方案,使系统提升钻孔定位的响应时间,快速到达钻孔的目标,同时移动速度快且不超调。
在论文的最后,给予了简要的总结和展望。
同主题文章[1].武屹. 嵌入式系统在家居智能领域的应用' [J]. 科技创新导报. 2009.(19)[2].张腾飞,顾亦然,王瑾. 电气类专业嵌入式实践教学内容与方法的改革探索' [J]. 中国电力教育. 2009.(14)[3].Altium发布最新智能开发环境,无需编写HDL即可开发FPGA' [J]. 中国电子商情(基础电子). 2009.(10)[4].李精华,李兴富. 嵌入式技术人才需求分析' [J]. 桂林航天工业高等专科学校学报. 2009.(03)[5].柴政. 基于Internet远程控制的智能家居系统' [J]. 电脑知识与技术. 2009.(25)[6].纪艳侠,周士欣,范卫国. 嵌入式的住宅小区智能门禁管理系统的设计'[J]. 科技创新导报. 2009.(30)[7].樊晓兵. 基于DSP+ARM的双核结构数字视频监控系统设计' [J]. 吉首大学学报(自然科学版). 2009.(02)[8].赵波,秦涛,张新有. 嵌入式防火墙规则冲突检测算法的实现' [J]. 实验科学与技术. 2009.(06)[9].肖杰,曾玢石,赵晋琴. 一种嵌入式Web服务器的设计与实现' [J]. 湖南第一师范学报. 2009.(06)[10].“嵌入式系统专家委员会”拟在电子学会设立' [J]. 电子产品世界. 2006.(09)【关键词相关文档搜索】：控制理论与控制工程; 钻孔机械臂; LPC2138; 嵌入式系统; μC/OS- II; 伺服电机【作者相关信息搜索】：江西理工大学;控制理论与控制工程;王祖麟;郑珊珊;。
基于运动控制芯片的机械手控制系统设计
基于运动控制芯片的机械手控制系统设计
位置检测模块主要通过检测与电机轴相连的增量式光电编码器，从而实现检测并猎取各关节电机轴位置的目的。
图5所示的电路将增量式光电编码器输出的差动信号(A+、A-、B+、B-、IN+、IN-)经过75175合成单端信号A、B、IN(图5中只画出一路信号的合成)。
合成后的单端信号A、B、IN分离与LM629的引脚A、B、IN相连。
利用差动信号传输，可以有效地解决干扰和远距离传输问题。
为了进一步消退干扰，在输入端每根线上都加上了一个滤波，在两根差动的信号线之间接了一个用于线路阻抗匹配的。
增量式码盘反馈的脉冲信号经过4倍频后，提高了辨别率。
A和B的规律状态每转变一次，LM629的位置寄存器就加(减)1。
当码盘的A、B、IN都为低电平常，产生一个Index信号送入寄存器，记录电机的肯定位置。
图5单端差动信号的合成（3）通信模块
通信模块主要解决人机接口问题。
在本文设计的控制系统中，没有设计显示模块和键盘输入模块。
但在实际应用中，经常需要输入一些参数，如PID参数等。
利用PC机丰盛的资源和良好的用户界面，通过串行口通信来解决控制系统的参数输入和显示。
2.3控制系统的软件设计
控制系统的软件部分主要包括初始化模块、运动控制模块、位置检测模块和通信模块。
单片机按照位置检测模块猎取的信息，确定机械手各关节的速度、加速度和位置，将这些信息传入LM629，由速度梯形图生成速度曲线，举行位置控制。
PID调整器按照输入命令和反馈信息来补偿闭环系统。
式(1)表示LM629输出的控制信号。
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基于ARM的自主移动机器人控制系统设计
基于ARM的自主移动机器人控制系统设计陈剑斌;田联房;王孝洪【摘要】自主移动机器人是近年来研究热点,基于三节履带式机器人机械结构,提出了以ARM架构微处理器s3c2410为核心、多传感器的自主移动机器人控制系统,采用了Linux嵌入式操作系统作为S3c2410软件开发平台.微处理器外部扩展数字电路采用了CPLD来实现,减少了外围分立元件的使用及PCB面积,可靠性高、抗干扰能力强;基于Verilog语言对CPID进行了设计与实现.ARM与CPLD采用ISA总线方式通信,整个控制系统具有良好的可扩展性、硬件可裁剪性.通过爬楼梯、避障等实验,验证了机器人具有良好的自主移动性能.%Autonomous mobile robot is a new hot in recent years. A control system for autonomous mobile robot is proposed based on the mechanical structure of three tracked robot using ARM microprocessor S3c2410 as core with multi-sensors. Embed OS-Linux is adopted as a development platform for S3c2410 software.And the external expended distal circuits of microprocessor are realized by CPLD which program is designed by Verilog HDL,which reduces the use of external discrete components and PCB area,with high reliability and anti-interference ability.ARM communicates with CPLD by ISA bus, so the control system is of well scalability and pruning of hardware. The robot was tested by experiments such as climbing stair, avoiding obstacle, etc.to be good with autonomous mobility.【期刊名称】《机械设计与制造》【年(卷),期】2011(000)006【总页数】3页(P160-162)【关键词】自主移动机器人;多传感器;控制系统;ARM;CPLD【作者】陈剑斌;田联房;王孝洪【作者单位】华南理工大学,自动化学院,广州,510640;华南理工大学,自动化学院,广州,510640;华南理工大学,自动化学院,广州,510640【正文语种】中文【中图分类】TH16;TP2421 引言自主移动机器人是近年来研究热点，现今大多数移动式机器人存在越野能力差、自主性不够强、控制系统速度低或者占用空间大、功耗高、处理数据有限等缺点，满足不了高性能小型自主移动机器人的需求。
机械手(臂)旋转动作驱动控制系统的设计
分类号密级UDC学位论文机械手（臂）旋转动作驱动控制系统的设计作者姓名：关晓斌指导教师：王丹副教授东北大学机械工程与自动化学院申请学位级别：硕士学科类别：专业学位学科专业名称：机械工程论文提交日期：2006年7月论文答辩日期： 2006年8月27日学位授予日期：答辩委员会主席：评阅人：东北大学2006年6月A Dissertation in Mechanical EngineeringDrive System Design for Rotary Motion ofMechanical Hand(Arm)By Guan XiaoBinSupervisor：Vice Professor Wang DanNortheastern UniversityJune 2006独创性声明本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。
论文中取得的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或撰写过的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。
与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢意。
学位论文作者签名：日期：学位论文版权使用授权书本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。
本人同意东北大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。
（如作者和导师不同意网上交流，请在下方签名；否则视为同意。
）学位论文作者签名：导师签名：签字日期：签字日期：东北大学硕士学位论文 摘要 机械手（臂）旋转动作驱动控制系统的设计摘要20世纪40年代后期，美国在原子能实验中，首先采用机械手搬运放射性材料﹐人在安全室操纵机械手进行各种操作和实验。
50年代以后，机械手逐步推广到工业生产部门，用于在高温﹑污染严重的地方取放工件和装卸材料，也作为机床的辅助装置在自动机床﹑自动生产线和加工中心中应用，完成上下料或从刀库中取放刀具并按固定程序更换刀具等操作。
基于ARM的嵌入式移动机器人控制系统的设计
基于ARM的嵌入式移动机器人控制系统的设计嵌入式移动机器人控制系统是基于ARM架构设计的一种智能机器人控制系统，该系统具有灵活性高、性能稳定、功耗低等优点。
本文将从硬件设计和软件开发两个方面来详细介绍基于ARM的嵌入式移动机器人控制系统的设计。
硬件设计方面，嵌入式移动机器人控制系统的核心是基于ARM技术的处理器，可以选择低功耗、高性能的ARM Cortex-A9或Cortex-A53处理器。
处理器上可以集成多个内核，通过多核处理器的并行计算能力，可以提高机器人的实时性和响应速度。
此外，为了实现机器人的移动功能，还需要配备驱动电机的电机控制器和位置传感器，采用PWM控制技术来控制电机的转速和方向。
在软件开发方面，首先需要开发移动机器人的操作系统。
可以选择基于Linux的嵌入式操作系统，如Ubuntu的ARM版本或自主开发的实时操作系统。
操作系统可以负责机器人的任务管理和资源调度，提供良好的多任务处理能力。
其次，还需要设计适配机器人硬件的驱动程序，包括电机驱动、传感器驱动、通信驱动等。
驱动程序负责与硬件设备进行交互，将控制指令转化为相应的电信号或数据信号，并获取传感器的数据反馈。
最后，还需要进行机器人的应用开发，根据机器人的具体应用场景，开发相关的算法和控制逻辑，实现机器人的自主导航、路径规划、避障等功能。
在嵌入式移动机器人控制系统设计过程中，还需要考虑功耗管理、通信接口和外设模块等因素。
功耗管理是嵌入式系统设计中非常重要的一环，可以使用睡眠模式来降低功耗，还可以采用动态电压和频率调节的技术，根据系统负载的大小动态调整处理器的工作频率和电压。
通信接口方面，可以采用以太网、Wi-Fi、蓝牙等无线通信技术，实现机器人与外部设备的数据交换和控制指令的传输。
外设模块可以包括摄像头、激光雷达、超声波传感器等，通过外设模块可以实现机器人的感知和环境理解能力。
总之，基于ARM的嵌入式移动机器人控制系统的设计需要进行硬件设计和软件开发，并考虑功耗管理、通信接口和外设模块等因素。
仿人机器手臂运动控制系统设计及性能分析
仿人机器手臂运动控制系统设计及性能分析摘要：现代机器人技术的发展已经深入到各个领域，其中机器人手臂的运动控制系统在工业自动化、医疗辅助和日常生活等方面起到了重要的作用。
本文旨在设计和分析一种仿人机器手臂的运动控制系统，通过对系统的设计和性能分析，探讨其在实际应用中的优势和局限性。
1.引言随着科技的不断进步，机器人技术已经成为了现代社会中不可或缺的一部分。
机器人手臂作为机器人系统的关键部件之一，其运动控制系统的设计与性能分析显得尤为重要。
仿人机器手臂的运动控制系统可以使机器手臂更加智能化、灵活化，更好地模仿人类手臂的运动方式，适应各种复杂的任务需求。
2.手臂运动控制系统的设计2.1 控制算法的选择在仿人机器手臂的运动控制系统设计中，控制算法的选择是一个关键性的决策。
常用的控制算法包括PID算法、模糊控制算法和神经网络控制算法等。
在选择控制算法时，需要考虑系统的实际应用需求、控制精度和实时性等因素。
2.2 动力学模型的建立仿人机器手臂的运动控制系统需要建立相应的动力学模型来描述手臂的运动规律。
动力学模型的建立可以通过采集手臂的运动数据，使用逆运动学方法或者基于力/力矩的方法进行建模。
建立合理的动力学模型是实现精确控制的前提。
2.3 传感器的选择与布置在仿人机器手臂的运动控制系统中，传感器的选择与布置是至关重要的。
传感器能够提供机器手臂所需要的外部环境信息，如位置、力、速度等，并将这些信息反馈给控制系统进行相应的调节。
常用的传感器包括位置传感器、力传感器和视觉传感器等。
3.性能分析3.1 运动精度分析仿人机器手臂的运动精度是衡量其性能优劣的重要指标之一。
通过对机械结构的优化和控制算法的改进，可以提高手臂的运动精度，使其更加准确地执行各种任务。
3.2 运动速度分析仿人机器手臂的运动速度也是性能分析的一个关键指标。
较高的运动速度可以提高工作效率，但也需要考虑手臂的稳定性和安全性。
优化控制算法和增加输出功率可以实现更快的运动速度。
基于单片机的机械手臂控制系统设计
基于单片机的机械手臂控制系统设计程金明（江西科技学院，江西 南昌 330098）摘 要：在机械手臂控制系统设计中，运用单片机能增强机械手臂的使用性能。
基于此，文章详细阐述了硬件系统设计、软件系统设计、系统调试这三个单片机机械手臂控制系统设计环节，深入分析了基于单片机控制系统的机械手臂设计，希望为机械自动化领域的发展提供助力。
关键词：机械手臂；仿真调试；单片机中图分类号：TM383.6 文献标志码：A 文章编号：1672-3872（2020）16-0104-02——————————————作者简介： 程金明（1976—），男，江西南昌人，本科，讲师，研究方向：电工电子技术，单片机技术。
单片机是一种具有中央处理器CPU、随机存储器RAM 等多项功能的集成电路硅芯片，其在能效上相当于一个微型的计算机系统。
人们将其应用到机械手臂设计中，能有效提升控制系统的运行水平，工作者需要深入分析基于单片机的控制系统设计，优化机械手臂的使用性能。
1 硬件系统设计1.1 单片机控制装置设计从整体上看，单片机作为核心控制装置，在机械手臂控制系统的运作中起到了重要作用，工作者需要根据实际需求，合理设置单片机装置结构，保证机械手臂核心控制机制的运行效果。
一般来说，单片机包含运算器、控制器、寄存器这三个运作部件，其中运算器负责算术、逻辑运算，控制器负责运行决策，而寄存器则负责与外界设备交换信息，设计者应基于此，选择相应的设计方案，来平衡各项运行功能的落实效果。
就目前来看，设计者可以直接选用80C51单片机，并利用其具备的12MHz 晶振频率，来满足机械手臂运作系统对数据采集、时间精度等方面的要求，同时，设计者还要将石英晶体振荡电路，接入XTALI、2端口。
待电路复位后，将RST 端口接入，并连接LM016L 与P0.0-7端口，还要为该途径配备电阻，以确保LCD 显示器能清晰显示出指令代码。
1.2 舵机系统装置设计在机械手臂的控制系统硬件机制中，舵机系统是指由无核心马达、电路板、齿轮、位置检测器等部件构成的位置伺服驱动装置，该装置可以基于从单片机、接收机处获取的信号，利用自身产生的1.5ms 宽、周期20ms 的基准信号，以及位置检测器来核查机械手臂是否到达定位。
浅谈基于单片机的机械手臂控制系统设计
浅谈基于单片机的机械手臂控制系统设计摘要】随着我国近几年来工业化生产水平的不断提高，当前很多大型企业在进行产品生产过程当中，都会将机械手臂应用到产品加工和产品生产中。
而且机械手臂已经成为了当前自动化生产线中的重要组成部分。
随着自动化技术的不断发展，机械手臂的研究与设计工作也在不断的进行但是当前很多企业在进行机械手臂应用过程当中，仅仅只重视机械手臂，如何科学合理的设计却忽略了机械手臂控制系统的设计，因此，本文将会就基于单片机的机械手臂控制系统设计进行分析。
【关键词】单片机机械手臂控制系统设计研究与分析机械手臂是当前我国自动化技术发展过程当中重要的产品。
而且在自动化技术整体发展过程当中，机械手臂的应用，标志着我国当前企业的生产技术生产技术，生产水平迈入了全新的阶段。
而且随着机械手臂的出现，我国当前大部分企业的生产流程，生产技术，生产规划都发生了重大的改变。
很多企业在进行产品生产过程当中，开始运用自动化流水线，对于我国当前的企业而言，属于一种全新的生产方法，它不仅有效地解放了人力，也节约了很多物力与财力，提高了企业的产品生产效率和产品生产质量。
但相对于国外的自动化技术而言，我国当前的自动化技术在发展过程当中仍然存在一些没有解决的问题，其中就包括机械手臂的控制系统设计。
机械手臂控制系统设计工作的开展，是当前很多企业正在深入开展的重要工作，只有针对自动化生产线当中的自动化机械手臂进行控制系统设计，才能够更好的保证生产精度。
一、设计方案在进行机械手臂控制系统设计过程当中，首先要针对机械手臂控制系统内部的硬件结构进行详细的设计，其次针对软件结构进行设计，再进行硬件结构和软件结构设计，完成之后要开展仿真模拟实验。
实际上，机械手臂控制系统是由机械系统和电气系统共同组成的。
而我国当前很多企业在进行机械手臂应用过程当中，针对机械手臂控制系统的设计时，所选择的控制单元是运用单片机进行控制。
有的企业则是运用PLC对机械手臂的应用进行控制。
基于ARM核处理器的机器人手臂控制系统
基于ARM核处理器的机器人手臂控制系统近年来，随着MEMS 及相关技术的发展，微机器人领域已越来越来受人关注。
但由于零件的尺寸很小，微机器人组件的装配需要很高的精确度，一般的装配方法无法满足要求。
本文介绍了一个可进行微零件装配工作的机器人手臂控制系统的控制方法。
1 系统结构考虑到多机器人手臂的使用，整个机器人控制系统由上位机与多个下位机组成。
下位机即是手臂控制器，每个下位机控制一个机械手臂的伸缩运动。
上位机即为控制终端，通过不同配件组装方式生成每个手臂的位置数据，并通过数据线传输给各个下位机，由下位机控制手臂到达目标位置并进行目标操作。
整个系统的结构框图如图1 所示。
1.1 机械结构如图2 所示，手臂控制器的机械结构由直流减速电机、手臂、螺杆、减速齿轮、角度传感器组成。
机器人手臂与机械螺杆相连，螺杆与直流减速电机通过减速齿轮耦合，各个手臂控制器通过控制电机转动来达到控制手臂位置的目的。
同时，手臂控制器具有手动调节旋柄与螺杆相连，需要时可通过手动调节，改变手臂位置。
1.2 电路结构手臂控制器由使用ARM 内核的PHLIPSLPC2138 系列微处理器控制，电路结构主要分为主控制模块、测量反馈模块和通信模块，如图3 所示。
通过主控制模块控制电机状态，通过测量反馈模块得到螺杆移动距离和位置，在达到规定位置后停止电机。
而通信模块则完成与上位机之间的数据交换。
2 电机控制电机控制由主控制模块和测量反馈模块共同完成。
2.1 主控制模块LPC2138 引脚分配如表1 所示。
主控制器使用PHLIPSLPC2138 微处理器，其具有64 个引脚，31 个双向I／O 口，2 个8 路10 们A／D 转换器，能够进行电压测量的工作，符合设计要求，其引脚分配如表1 所示。
电机使用RA-20GM-SD3 型直流减速电机，其减速箱的减速比达到了1／1000，在减速后，电机转速为4.5+／-0.9rpm，在与1／2 减速齿轮组进一步耦合后，螺杆转速为2.25rpm，在所用螺杆齿距为1mm时，手臂移动述牢为3.75tips:感谢大家的阅读，本文由我司收集整编。
基于ARM9的机械手控制系统的设计
Ｑ ｔ ｏ ｐ ｉ ａ － ２ ． ２ ． ０开发 平 台上 开发人 机 交互界 面 ， Ａ Ｒ Ｍ ９作 为上 位机 ， 单 片机 作 为下位机 ， 结合相 关 的外 围 电
路 实现 对机械 手运动 轨迹 和抓取 动作 的控制 。为 了提 高机 械 手和 被搬 运物 体 的安 全 性 ， 系统 采 用 了拉
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８ ２・
《 测控技术） ） ２ ０ １ ５年第 ３ ４ 卷第 ８ 期
基于 Ａ Ｒ Ｍ ９的 机械 手控 制 系统 的设 计
基于ARM的移动机器人控制系统设计的开题报告
基于ARM的移动机器人控制系统设计的开题报告一、研究背景随着机器人技术的不断发展和应用领域的扩大，移动机器人在各个领域得到了广泛应用，如智能家居、医疗护理、娱乐等。
移动机器人系统的核心是控制系统，其可分为软件控制系统、硬件控制系统和通讯控制系统。
软件控制系统决定着机器人的各种行为模式和操作，硬件控制系统则实现将软件控制系统输出的指令转化为对机器人各个部件（如电机、传感器等）的控制信号。
通讯控制系统则负责移动机器人与外部系统之间的信息交流。
基于ARM的移动机器人控制系统设计是近年来机器人技术发展的重要方向之一，其具有功耗低、成本低、性能稳定等优点，得到了广泛应用。
本研究旨在设计一种基于ARM的移动机器人控制系统，实现机器人的自主运动和智能控制，提高机器人操作的可靠性和效率。
二、研究内容本研究计划设计一种基于ARM的移动机器人控制系统，主要包括以下内容：1. 系统架构设计：设计基于ARM嵌入式系统的移动机器人控制系统的硬件和软件架构，包括主控芯片的选型、外设芯片的选择、电路设计等。
2. 系统功能实现：实现移动机器人的自主导航、环境感知、障碍物避障、目标识别等功能。
3. 系统软件开发：开发基于ARM嵌入式系统的控制系统的软件，包括控制程序、驱动程序和应用程序等，在保证运行效率和系统稳定性的基础上，实现机器人控制和信息交流等功能。
4. 系统测试验证：对系统硬件和软件进行测试，验证系统可靠性和性能指标。
在实现系统功能的基础上，对移动机器人的运动轨迹、机器人控制精度、识别率等指标进行测试。
三、研究意义本研究的意义在于：1. 推进移动机器人控制技术的发展。
本研究采用ARM嵌入式系统，提高了机器人的硬件性能和运行效率，实现了机器人的自主控制和环境感知，为移动机器人控制技术的发展提供了新思路和新方法。
2. 提高移动机器人的操作效率和可靠性。
移动机器人的操作效率和可靠性是机器人应用的重要指标。
本研究设计的基于ARM的移动机器人控制系统，具有低功耗、稳定可靠的特点，能够提高机器人的操作效率和可靠性。
基于ARM嵌入式的三维机械手远程控制系统设计
- 21 -第9卷第6期基于ARM 嵌入式的三维机械手远程控制系统设计向 丹1，王文涛2 ，原健钟2，杨 永1（1.广东技术师范学院，广州 510635；2.华南理工大学，广州 510640）摘 要：文章针对机械手的远程控制问题，利用“慧鱼”组合模型构建的三自由度机械手模型，对各模块间的相互作用和运动原理进行了分析与研究，并介绍了基于ARM 的具有网络功能的嵌入式系统。
该系统以ARM 芯片S3C44B0X 和网络控制芯片RTL8019AS 为核心，利用网络控制芯片构建TCP/IP 通讯程序，建立Web Server 及TCP Control Server ，实现机械手的远程控制；并将LWIP 移植到了S3C44B0X 芯片上，实现了与μC/OS-Ⅱ操作系统的完美结合。
实践表明，该控制系统界面友好、简捷, 控制精度较高，远程控制安全、稳定。
关键词：三维机械手；远程控制；嵌入式系统；μC/OS-Ⅱ中图分类号：TP242.4 文献标识码：A 文章编号：1681-1070（2009）06-0021-04The Design of T ele-manipulator System based on ARM Embedded InternetXIANG Dan 1, W ANG Wen-tao 2, YUAN Jian-zhong 2, Y ANG Y ong 1（1.Guangdong Polytechnic Normal University, Guangzhou 510635,China ;2. South China University of Technology, Guangzhou 510640,China ）Abstract: Aim at the remote control problem of robot , Fischertechnik has been adopted to establish the 3-D manipulator mechanical structure, the principles of the movement and their interactions between the modules are analyzed and researched in this paper.A remote experiment system which is realized by a new type micro-controller S3C44B0X and Ethernet micro-controller RTL8019AS is also designed and realized.The RTL8019AS is used to construct the TCP/IP and set up the Web Server and the TCP Control Server to realize the remote control.LWIP is transplanted to the S3C44B0X successfully and fully integrated with μC/OS-Ⅱoperating system.Experiments proved that the computer interface is friendly and neat,the system has high control precision and the remote control is safely and stably.Key words: 3-D manipulator; remote control; embedded system; μC/OS-Ⅱ收稿日期：2009-03-071 引言随着网络的日益发展，基于网络实现远程控制日渐成为趋势；同时，各种控制系统也变得复杂，对实时性的要求也越来越高，传统的单片机已经不能满足现今工业发展的需要，嵌入式系统正逐步取代传统PC 成为未来发展的主力军，并广泛应用于工业智能化系统。
基于ARM的自主式机器人控制整体设计方案
第33卷 第1期大连海事大学学报Vol.33 N o.1 2007年2月Journal of Dalian Maritime University F eb 2007文章编号:1006 7736(2007)01 0135 03基于ARM的自主式机器人控制整体设计方案周阿连1,2,陈修权1,周健平3(1.大连海事大学计算机科学与技术学院,辽宁大连 116026;2.烟台职业学院软件工程学院,山东烟台 264001;3.中国海洋大学信息科学与技术学院,山东青岛 266100)摘要:针对风暴机器人原系统只能实现机器的简单智能活动,其主芯片M C68HC11A1FN只能实现简单的编程,且必须符合它自身的一些硬件设置等缺陷,提出了用ARM芯片实现系统控制,透过传感器来感知外部环境获得环境信息,再通过路径规划做出决策进行运动.同时,为了让机器人能够更好地完成任务,可以使外部计算机与机器人进行无线通信,借助外部计算机来做出决策,实现远程操作.新模型通过在机器人上加入G SM模块,使其实现自身的定位,并与无线通信模块结合实现导航控制.关键词:自主式机器人;设计方案;高级精简机器指令;传感器;无线通信模块中图分类号:T P391.73 文献标识码:A0 引 言机器人在当前生产生活中的应用越来越广泛,正在替代人发挥着日益重要作用.机器人技术综合了计算机、控制论、机构学、信息和传感技术、人工智能、仿生学等多学科而形成的高新技术,集成了多学科的发展成果,代表高技术的发展前沿,是当前科技研究的热点[1].本文主要介绍基于ARM的自主式机器人的设计方案,并详细介绍传感器及无线通信模块的设计方案[2].1 机器人系统1.1 系统总体设计本文设计的机器人系统分为:车身子系统、通信子系统、传感器子系统和决策子系统4个部分[3 4],通过计算机传感器子系统闭环而构成智能决策和控制系统(见图1).从图1中可以看到,机器人车体是整个系统的执行机构,它直接体现了整个系统的性能.小车的性能主要由车体性能与车载嵌入式控制系统 微型机器人底层控制系统决定.当小车车体具有良好的运动性能后,小车的性能就由车载嵌入式系统决定了.因此构建一个快速、安全、可靠的实时嵌入式系统是整个系统的关键.图1 机器人系统图系统的总体构建框架图由以下几部分组成:应用软件、嵌入式实时系统、存储器、CPU ARM9、系统输入、系统输出.框架图如图2所示.系统的任务是使机器人通过传感器判断环境信息,根据所得到信息进行路径规划,使其按计划正常运动,从而到达指定地点,做到自主完成任务.同时,在一定情况下还可以通过无线通信系统接受决策子系统传来的控制指令;根据运动指令控制小车左右轮转速.收稿日期:2006 05 12作者简介:周阿连(1979-),女,山东烟台人,助教,研究生;E mail:yxx zal@new .图2 总体构件框架图1.2 机器人电机驱动1.2.1 车轮设计(1)主动轮.主动轮有两只,电机输出的动力通过齿轮箱传给主动轮,带动整个机器人运动.机器人为平面移动机器人,能够完成直行、走弧线、左转、右转、原地打转等技术动作.机器人采用的是差动驱动方式,即每只主动轮由独立的电机驱动,这使得机器人有较强的灵活性.(2)从动轮.如果机器人只靠两个主动轮,难以保持平衡.有了从动轮作为支撑,就能实现动态和静态的平衡.从动轮共2只,与机身弹性连接,可以在垂直于地面的方向上下移动,以保持机器人动态平衡,并能实现一定的越障功能.(3)传动机构.设计机器人的齿轮箱为三级减速,即用了3对齿轮减速机构.为了将输出的速度降低,并将输出的扭矩增大,采用三级减速机构,逐级地改变速度和扭矩,直到将输出轴的速度和扭矩调整到所需要的指标.1.2.2 电机与驱动电路(1)直流电机.用两个直流电机将电池提供的电能转化为动能,让机器人动起来.机器人的运动速度通过电机来调节.(2)控制原理.微型直流电机以其良好的线性特性、优异的控制性能和高效率广泛应用于小功率系统中.这里采用定频脉宽调制(PWM)控制直流电动机.在本方案中,直流电机将轴的旋转运动输入到齿轮箱,齿轮箱将转速降低,将扭矩增大,最后将动力输出给机器人主动轮,从而驱动整个机器人运动.机器人的调速是通过调节电机的平均电压实现的,因为直流电机上的电压大小影响它的转速和扭矩.直流电机在一定电压下,其转速与扭矩成反比.如果电压降低,则转速扭矩线向下方移动.在机器人负载一定时(即扭矩一定时),降低电压,转速扭矩线向下方移动,从而可以降低转速;提高电压,转速扭矩线向上方移动,从而可以增大转速,这样就可以实现调速.在智能机器人里正是采用改变电压的方式来改变电机转速.此外,机器人电机上得到的电压是方波,不同方波的脉冲宽度不同,平均电压也就不同,可以利用这一点来进行电机的速度控制.采用不同的脉冲宽度,调节平均电压的高低,进而调节电机的转速,这种方式就叫做脉宽调制(PWM,Pulse Width Modulation).机器人通过主板发出信号,通过51芯片的脉冲发生电路,改变脉冲宽度,从而实现脉宽调制.(3)驱动方式.本设计机器人的驱动方式是差动驱动.差动是指将两个有差异的或两个独立的运动合成为一个运动.机器人有两个直流电机,两个直流电机分别控制两个主动轮.在运行时,可以分别设置两个电机的转速,组合起来就能使机器人实现各种运动方式,如直行、转弯、走弧线等,这就是差动驱动.(4)驱动电路.采用L298芯片,能同时驱动两个电机,DA1和DA2控制轮子或前转或反转,在始能端进行脉宽调制,这样就可以实现轮子的正反转和控制轮子的速度.输入信号不能直接控制L298,必须先转化为TTL 电平,所以在输入信号输入到L298之前加入一个MAX232电平转换芯片,进而就可以通过L298控制轮子的方向和速度,这样就可以控制机器人运动.其控制电路图如图3(a)所示.图3 运动控制电路图如果电压足够,达到24V 可以用图3(b)实现.在L298接入电机时,注意需加一个整流桥.1.2.3 电源模块系统用同一电源给IC 和电机供电,电池采用12V 的可充电锂电池.除直接给电机供电外,还需提供5V 给外围设备供电.由于EP7312是双电源供电,CPU 内核为1.8V,I/O 口需要3.3V,所以电源电压经7805转换成5V 电压,由线性稳压器TPS76818QD 与T PS75733KTT 分别提供1.8V 和3.3V 电压.同时采用专门的电源136 大连海事大学学报 第33卷监控芯片MAX708S,提高了系统的可靠性.1.3 传感器传感器主要有以下3种:红外传感器、碰撞传感器和光电编码器.该系统目前仅加入了光电编码器[8].光电编码器是一种能够传递位置信息的传感器,它由码盘和光电编码模块组成,分别安装在主动轮内侧和轮子支架内侧.光电编码模块运用反射式红外发射接收模块.光电编码器是靠发射与接收红外光来工作的.机器人上用的光电编码模块集成了发射与接收功能.红外光射在黑色辐条上时没有反射信号,因为红外光大部分已经被黑色辐条吸收;当红外光射在白色辐条上时有反射信号,因为红外光在白色辐条上反射强烈.1.4 无线通信与程序设计虽然通过以上设计的机器人能够做到自主运动,但是为了使机器人更高效地完成任务,希望可以用外部计算机与其通信,这样可以更好地控制机器人,为此加入无线通信模块,机器人通过无线模块接收主机发出的命令进行运动.1.4.1 无线数传模块与机器人的通信无线数传模块ZF01提供三个串口三种接口方式,COM1为TTL 电平UART 接口,COM2为标准的RS232接口和标准的RS-485接口;晶体稳频,内置数字锁相环,频点根据用户需要在300~1000MHz 可以灵活设置.可以自动过滤噪声,发送一个字节,接受一个字节,决不多受一个多余的噪声,简化了用户接口的编程,做到与有线一样方便.收发自动切换,无需专用的收发控制线,不发数据时为常态收状态,发送数据的时候自动切换到发状态,发完后自动回到接收状态.最大发射功率为10mW.用ZF01与单片机通信时,用的是串口的3、4、5线,单片机的发送连接无线模块的RXD(PIN3).其电路连接如图4所示.图4 无线数传模块原理图1.4.2 程序设计程序主要由初始化程序、串行通信程序、可调整PWM 波输出程序、I/O 控制程序组成.主函数是一个响应中断的循环结构,其程序结构如图5所示.图5 程序结构图2 结语本文研究和设计了一个基于ARM7微处理器的自主式机器人系统,提出一种用ARM 芯片实现系统控制,通过传感器来感知外部环境获得环境信息,再通过路径规划做出决策进行运动的设计方案.新模型通过在机器人上加入GSM 模块,使其实现自身的定位,并与无线通信模块结合实现导航控制,更好地满足了微型机器人控制系统的要求;同时,通过外部计算机与机器人的无线通信,借助外部计算机做出决策,实现远程操作.基于ARM 的机器人具有良好的性能和广阔前景.参 考 文 献:[1]孟庆春,齐 勇,张淑军.智能机器人及其发展[J].中国海洋大学学报:自然科学版,2004,34(5):831 838.[2]陈华东,周 健,蒋 平.自主式移动机器人的无线控制实现[J].测控技术,2001,20(11):45 47.[3]关慧贞,刘 赞,魏 永.L PC2106在足球机器人控制中的应用设计[J].N ew Product &T ech,2005:47 49.[4]K IM J H.Cooperativemulti agent robotic systems from the robot soccer P erspectiv e[C]//Proc.M I ROSOT 97.Seoul:Korea K aist Publisher,1997.[5]李秀娟,光电编码器信号处理及接口电路设计[J].南京航空航天大学学报,1993,25(增刊):130 134.[6]张继军,孟庆春,费云瑞.基于多传感器信息的自主式机器人模糊控制[J].信息技术,2004,28(9):4 6.[7]王树国,曹政才,付宜利.基于红外传感器的新型机器人敏感皮肤[J].上海交通大学学报,2005,39(6):923 927.[8]于庆广,刘 葵,王 冲.光电编码器选型及同步电机转速和转子位置测量[J].电气传动,2006,36(4):17 20.(下转第141页)137第1期 周阿连,等:基于ARM 的自主式机器人控制整体设计方案参 考 文 献:[1]NO RT IO MO T ,OK ADA M ,YAM AM OT O H.A joint antenna and post DFT combining diversity scheme in OFDM receiver[C]//Wireless Communication Systems,2004,T he 1st Inter national Symposium,2004:140 143.[2]杨 栋,何 非,张海林.M C CDM A 分集合并技术的性能分析与仿真[J].西安电子科技大学学报,2002,29(10):664668.[3]王文博,郑 侃.宽带无线通信O FDM 技术[M ].北京:人民邮电出版社,2003.[4]N OVA K R,KRZY M IEN W A.Diversity combing options for spread spectrum OF DM system in frequency selective channels[C]//2005IEEE Wir eless Communication and N etw ork Conference,2005:308 315.[5]NO VAK R ,K RZYM IEN W A.An adaptive do wnlink spread spectrum OFDM packet data system with tw o dimensional radio resource allocation:Performance in low mobilit y cellular environments[C]//T he 5th International Symposium on Wire less Personal M ultimedia Communicat ions,2002:163 167.[6]L IN Sheng chou,P RA BHU V K.Diversit y combining and equalization of frequency selective fading signals with unequalmean streng ths[C]//V ehicular T echnolog y Conference,1998.VT C 98.48th I EEE,18-21,1998:753 757.[7]L IN Ze x ian,LAT VA AHO,M.Spatial transmit diversity techniques for M C CDM A systems spread spectrum techniquesand applications[C]//2002I EEE Seventh International Symposium,2002:155 159.Research of diversity combination in spread OFDM systemAN Jing,YUE Dian w u(I nf or mation Eng.College,Dalian M aritime U niv.,Dalian 116026,China)Abstract:The diversity combination is a very important way to advance system reliability in Spread OFDM system,w ithout doubt,for the com plex mobile system.The article discussed some kind typical diversity combination techniques on the base of introducing the spread OFDM system.They include ORC,EGC,.M RC,M MSEC,paring them,the writer elicits that spread OFDM system should use different di versity combination techniques in the different cases.Key words:spread OFDM,transm itter/receiver;diversity combination;3rd generation(上接第137页)Whole design plan of the independent robot based on ARM controlsZHOU A lian1,2,CHEN Xiu quan 1,ZHOU Jian ping3(p uter Science &Technol.College,Dalian Maritime U niv.,Dalian 116026,China;2.Sof tw are Eng.Academy ,Yantai Vocational College,Yantai 264001,China;3.I nf or mation &Technol.College,Ocean Univ.,of China,Qingdao 266100,China)Abstract:The ability storms intelligent robot can only implement simple intelligent activity,w hose main chip of the robot used to be M C68H C11A1FN w hich is simply program mable and must comply w ith the rules determined by the hardw are,therefore,as a result,the ARM chips are used to control the system,the autonomous mobile robot made now can get information from outside and make up its ow n m ind to move,still,it could get information by gprs and the new module has GSM module to localize itself to make a navigation.Key words:independent robot;design plan;advanced RISC machine;sensor;w ireless com munication model141第1期 安 晶,等:扩频正交频分复用系统中的分集合并技术。
基于ARM的机械臂控制系统的设计与研究
基于ARM的机械臂控制系统的设计与研究作者：孙海峰来源：《电脑知识与技术》2017年第16期摘要：随着嵌入式设备的不断发展以及物联网IOT技术和理论的进展，许多曾经的复杂设备正在快速降低开发和应用门槛。
机械臂作为与日常生产生活有关的重要设备，对其控制系统的研究，有助于更好地理解嵌入式设备的实践使用。
我们可以通过现有的流行ARM平台，搭建符合本科阶段学习研究的小型机械臂系统。
关键词：机械臂；网络控制；树莓派；路径规划；ARM1概述物联网控制技术正在理论与实际应用中飞速发展。
在工业控制、科学研究、航空航天、军事、远程医疗、机器人遥控等领域，越来越多的控制系统开始改变结构，通过网络远程化的构建其控制架构，来实现传感器，控制器和执行器之间的远程数据传输。
目前最引人瞩目的是远程控制机器人在互联网上的应用。
2结构设计本文以四自由度的机械臂为被控对象，以本地网络的PC为上位机，通过局域网无线技术与SSH协议连接下位机。
实现主控被控联动的四自由度网络化远程控制程序，来完成在局域网范围内的远程控制机械臂完成移动和取物。
本文中对机械臂的控件运动进行了路径规划，对工作需求进行了论证和选型，分析了系统流程并构建了整体的框架结构。
本文对机械臂测试分为单步测试和整体测试。
也对整体系统的拓展规划进行了分析，为进一步研究确立了方向。
机械臂是一门多学科融合的技术领域。
相关知识理论涉及嵌入式、软件、电子、网络、算法等多个方向的知识。
学习和研究这一课题，是对本专业综合知识学习的一个整合与应用。
机械臂现在已经深入到生活的方方面面，从空间站搬运货物，深潜器抓取深海样品，再到工业上的焊接切割组装机械臂，再到排爆机器人，医疗机器人，人工义体等。
机械臂在军事，医疗工业，教育，生活领域都有贡献。
多自由度机械臂控制复杂，价格昂贵，学习成本较高。
机械臂的优势在于重复定位精度高，模块化，灵活。
3机械臂自由度设计ARM是一种高性能、廉价、耗能低的RISC处理器架构。
基于ARM的嵌入式移动机器人控制系统的设计
［ １ ］ Ｄ ａ ｖ ｅ Ｓ ｔ ｅ ａ ｒ ｎ ｓ ． Ｐ ｒ ｏ ｇ ｒ ａ ｍ ｍ ｉ ｎ ｇ Ｍ ｉ ｃ ｒ ｏ ｓ ｏ ｆ ｔ Ｏ ｆ ｆ ｉ ｃ ｅ ２ ０ ０ ０ Ｗ ｅ ｂ Ｃ ｏ ｍ ｐ ｏ ｎ ｅ ｎ ｔ Ｓ ． Ｍ ｉ ｃ ｒ ｏ ｓ ｏ ｆ ｔ Ｐ ｒ ｅ ｓ Ｓ ．
一பைடு நூலகம்
４ ３ ０ ０ ７ １
第一步 ：在Ｐ ｌ ａ ｔ ｆ ｏ ｒ ｍ Ｂ ｕ ｉ ｌ ｄ 环境下编写 ，采用Ｄ ｒ ｖ Ｗｉ ｚ 向
导 来完 成驱 动 的框 架结 构 。 第 二 步 ： 在 各 个 入 口点 的 函 数 中编 写 相 应 的 驱 动 代
码。
第 三步 ：编 写Ｒ Ｂ Ｔ ． Ｄ Ｅ Ｆ 文 件 ，定 义Ｄ Ｌ Ｌ 要 导 出的接 口 集 ，使应 用 程序 了解 驱动 程 序 的接 口程序 和 代码 参数 。 第 四步 ：在 注 册表 中编 写驱 动 程序 入 口点 ，使设 备 管 理器 能 识别 和管 理 ，方便 系 统对 于驱 动 的访 问过程 。
和Ｇ Ｉ Ｓ 等软 件 的优势 ，设 计具 有灵 活性和 弹性 ，成 本和 开发
效率 都很理 想 ，在 多个 网络设备 管理运 维项 目中应用 效果 良
好 。图 １ 是Ａ Ｉ Ｏ ＭＳ 系统框架 ， 图２ 是一个 含有Ｇ Ｉ Ｓ 和Ｏ ＷＣ 组件 的性能分析视 图 。系统主 要特 性 ： （ １ ）基于地理位置 信息的 设备管理Ｇ Ｉ Ｓ 视 图，收集 性能历 史数 据用性 能Ｇ Ｉ Ｓ 视 图和Ｏ ＷＣ 图表 展 示 ，告 警信 息通 过 告 警ＧＩ Ｓ 视 图方 式 展示 ，并 通 过 Ｘ ＭＰ Ｐ Ｉ Ｍ工 具进 行桌面告警 。 （ ２ ）支持集 中配置管理 ，在 中 心端对被管理设 备实现集 中控 制。 （ ３ ）基 于Ｓ Ｓ Ｉ Ｓ ／ ＤＴ Ｓ 组件 ， 结合 定制开发的数据处理命令 行工具实现Ｅ 】 功 能。 被 管 理设 备 需 要进 行控 制 执 行 的主 要是 业 务类 操作 和 配 置 类 操作 ，都封 装 为Ｔ ａ ｓ ｋ 进 行 管理 。按 照对 被 管 理 设备 进 行控 制 的方式 有Ａ ｇ ｅ ｎ ｔ 的和 远程 命令 两类 ，一般采 取松 耦 合 ，使用 ｓ ｏ ｃ ｋ ｅ ｔ 、ｔ ｅ ｌ ｎ ｅ ｔ 或 者ｗ ｅ ｂ 等方 式进 行控 制 。Ａ Ｉ Ｏ ＭＳ 中 使 用Ｐ ｏ ｗ ｅ ｒ ｓ ｈ ｅ ｌ ｌ 技 术实 现 自动化 和 可配 置管 理 ｈ ｔ ｔ ｐ ： ／ ／ ｄ ｅ ｖ ｅ ｌ ｏ ｐ ｅ ｒ ． ｂ ａ ｉ ｄ ｕ ． ｃ ｏ ｍ ／ ｍ ａ ｐ ／ ｉ ｎ ｄ ｅ ｘ ． ｐ ｈ ｐ ？ ｔ ｉ ｔ ｌ ｅ ％ Ｅ ９ ％ Ａ ６ ％ ９ ６ ％ Ｅ ９ ％ Ａ １ ％ Ｂ ５
机械手臂运动控制系统设计与实现
机械手臂运动控制系统设计与实现一、引言机械手臂是一种重要的自动化设备，广泛应用于工业生产线和其他领域。
机械手臂的运动控制系统对其稳定性和精度至关重要。
本文将探讨机械手臂运动控制系统的设计原理和实现方法。
二、系统设计1. 机械手臂结构机械手臂通常由多个关节和执行器组成。
关节用于实现机械手臂的运动，执行器用于控制关节的力和位置。
根据应用需求和工作空间的限制，可以选择不同的机械结构和关节类型。
2. 传感器选择为了实现机械手臂的精确控制，需要选择适合的传感器来获取关节的位置和力信息。
常用的传感器包括编码器、力传感器、惯性测量单元等。
传感器的选择应考虑其精度、响应速度和适应性。
3. 控制算法选择机械手臂的运动控制算法主要包括位置控制和力控制。
位置控制算法实现机械手臂末端执行器的精确位置控制，力控制算法实现机械手臂对外部力的感知和适应。
常用的控制算法包括PID控制、自适应控制、模糊控制等。
4. 控制器设计根据控制算法的选择，设计机械手臂的控制器。
控制器可以采用单片机、PLC或工控机等嵌入式系统，通过与传感器和执行器的接口，实现对机械手臂运动的控制。
三、系统实现1. 硬件搭建根据系统设计，选择适合的硬件设备组建机械手臂运动控制系统。
包括机械结构、传感器和控制器等。
确保硬件设备的兼容性和稳定性。
2. 软件开发根据选择的控制算法，使用相应的开发工具进行软件开发。
根据实际需求编写控制程序，实现机械手臂的位置控制和力控制。
同时，为系统添加必要的安全保护功能，防止意外发生。
3. 系统测试与调优完成软硬件的搭建和软件开发后，进行系统的测试和调试。
通过对机械手臂的运动和控制性能进行测试，检验系统的稳定性和精度。
根据测试结果进行参数调优，提高系统的性能。
四、应用案例以汽车制造业为例，机械手臂运动控制系统广泛应用于车身焊接、涂装和装配等环节。
通过精确的控制和适应外部力的能力，机械手臂可以实现高效、高精度的汽车生产。
五、总结本文介绍了机械手臂运动控制系统的设计原理和实现方法。
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ＭＨｚ，拥有单周期乘法和硬件除法，处理速度快．此 外，该芯片拥有８个定时器，其中２个为系统定时 器，可以用作系统定时，其余的６个定时器都可以用 于发送脉冲或者对外部输入脉冲进行计数．这里所 用的机械手为笛卡尔型三轴空间直角坐标机械手， 需要三个定时器发送脉冲，同时需要三个定时器接 收编码器反馈信号，所以ＳＴＭ３２Ｆ１０３ＺＥＴ６芯片刚 好满足要求． 伺服系统包含两部分：伺服电机和伺服驱动器．
ｐｌａｎｎｉｎｇ ａｎｄ ｐｏｓｉｔｉｏｎ
ｃｏｎｔｒｏｌ ｗｅｒｅ ｐｒｏｇｒａｍｍｅｄ．Ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｍａｎｉｐｕｌａｔｏｒ ｍｏｔｉｏｎ ｃｏｎｔｒｏｌ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ｉｓ
ｃｏｎｖｅｎｉｅｎｔ
ｆｏｒ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ．Ｔｈｅ
ａｒｅ
第４２卷第３期 ２０１４年６月
浙江工业大学学报
ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＺＨＥＪＩＡＮＧ ＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ ＯＦ ＴＥＣＨＮ０１，ＯＧＹ
Ｖ０１．４２ Ｎｏ．３ Ｊｕｎ．２０１４
基于ＡＲＭ的机械手运动控制系统设计
徐建明。张健，吴世民。俞立
（浙江工业大学信息工程学院，浙江杭州３１００２３）
摘要：从机械手的机械结构和工作原理出发，研制了三轴伺服机械手的运动控制系统，设计了基于 ＳＴＭ３２Ｆ１０３ＺＥＴ６芯片的控制器和触摸屏控制界面，提出了位移与脉冲数转换、运行速度与脉冲频率 转换及位置控制算法，编写了节点示教、轨迹规戈『ｊ、速度规划和位置控制程序．实验结果表明：所设计 的机械手运动控制系统操作方便，实现了机械手运动的示教、轨迹规划、速度规划和位置控制功能． 关键词：机械手；ＳＴＭ３２；示教；轨迹规划；速度规划 中图分类号：ＴＰ２３ 文献标志码：Ａ 文章编号：１００６—４３０３（２０１４）０３—０２４３—０６
收稿日期：２０１３—０９—０３
量的、降低成本的和开发系列产品的，它具有运算处 理能力强、与ＰＣ通讯方便、成本低、针对应用优化 设计等方面的优势．这里采用ＳＴＭ３２Ｆ１０３ＺＥＴ６芯 片来设计控制器，所设计的伺服控制系统可保证机 械手高精度、高效率地运行．
１机械手结构、工作原理及运动控制系统
１．１结构及工作原理 该机械手由底座、机械手臂、手爪、伺服电机、行
第４２卷
星减速器、光电开关及ＳＴＭ３２控制部分组成嗍．机 械手共有三个自由度，动作由伺服电机驱动， ＳＴＭ３２控制，可以完成手臂左右移动，手臂前后伸
圈口
Ｘ
展，手臂上下移动以及抓取工件等动作．机械手能准 确地抓取工件，并送到指定位置．机械手机械部分如 图１所示．
囝
圈
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一一 Ⅳ Ｚ
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圈
１
上
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匦
（ｂ）示教流程 图３程序流程图
Ｆｉｇ．３ Ｔｈｅ
（ｃ）轨迹规划流程
ｉｍａｇｅ ｏｆ ｔｈｅ ｐｒｏｇｒａｍ ｆｌｏｗ
２．１．１初始化
手动示教界面中有节点选择和ｘ，ｙ，Ｚ三轴的 运动方式选择，其具体流程如图３（ｂ）所示．操作 时，首先选择节点，接着选择Ｘ，ｙ，Ｚ轴的运动方 式．当机械手运动到所需要位置，按下停止键，如 ｎ
２．１．３
其中：Ｆ。。。为定时器输出频率；ｔ为时钟预分频系 数；ｎ为自动重载寄存器周期值；ｎ为定时器的时 钟输入．ＳＴＭ３２芯片的定时器时钟输入为７２ ＭＨｚ， 只需要合理地选择时钟预分频系数和自动重载寄存 器周期值，就可以确定所要发送的脉冲频率．
２．１．２ 示
轨迹规划
教
示教结束之后就是轨迹规划环节，其界面如图 ５所示．
２软件设计
２．１总体程序设计 硬件平台构建好后，根据机械手的基本功能要
万方数据
第３期
徐建明，等：基于ＡＲＭ的机械手运动控制系统设计
求，在其基础上搭建系统的软件环境进而通过设计 好的算法来控制机械手并验证算法的效果．该程序
设计中包含３个环节：初始化、示教、轨迹规划，程序 流程图如３所示．
（ａ）总体流程
在人机界面中，设计了两个界面分别用于示 教［１２１和轨迹规划．系统启动后，首先判断是否示教， 如果需要，那么进入手动示教界面，如图４所示．
朋ｍｍ 节点１ 节点２ 节点３ 节点４ 节点５ 节点６ 节点７ 节点８
０ ５ １０ １５ ２０ ３０ ４０ ５０ ｙ，ｍｍＺ／ｍｍ Ｏ ５ １０ １５ ２０ ３０ ４０ ５０ Ｏ ５ １０ １５ ２０ ３０ ４０ ５０
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂａｓｅｄ
Ｏｉｌ
ｔｈｅ
ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ
ａｎｄ ｗｏｒｋｉｎｇ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｏｆ ｔｈｅ ｍａｎｉｐｕｌａｔｏｒ，ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ
ｓｅｒｖｏ
ｎｏｔ
ｏｎｌｙ
ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ ｔｈｅ ｍｏｔｉｏｎ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ｗｈｉｃｈ ｕｓｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ｔｈｒｅｅ ａｘｉｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ｔｈｅ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ ｂａｓｅｄ
表２
Ｔａｂｌｅ ２
新数据表
ｍｍ 图６ｅ ｏｆ ｔｈｅ ｄａｔａ
（１＋Ｌ）・（１＋Ｔｄ）
初始化包括：芯片的时钟初始化、定时器初始 化、中断初始化、编码器初始化、触摸屏初始化等．定 时器的脉冲频率设置公式为
Ｆ— “…
…
“７
果还有偏差，继续移动直至满意再按停止键．最后 按确定键，此时在选中的节点右侧显示机械手在 Ｘ，ｙ，Ｚ三个方向上的绝对距离，同时数据保存到 存储单元．如果需要重新记录该节点数据，即重新 选中该节点，然后将机械手示教到要求位置后，按 确定键．
ｏｎ
ｍａｎｉｐｕｌａｔｏｒ，ｂｕｔ ａｌｓｏ ｔｏｕｃｈ ｓｃｒｅｅｎ．Ｉｎ
ＳＴＭ３２Ｆ１０３ＺＥＴ６
ａｎｄ
ｃｏｎｔｒｏｌ
ｉｎｔｅｒｆａｃｅ ｏｆ
ａｄｄｉｔｉｏｎ，ｔｈｅ ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ ｂｅｔｗｅｅｎ ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ ａｎｄ ｔｈｅ ｎｕｍｂｅｒ ｏｆ ｐｕｌｓｅ，ｔｈｅ ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ ｂｅｔｗｅｅｎ
ｒｕｎｎｉｎｇ ｓｐｅｅｄ ａｎｄ ｐｕｌｓｅ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ，ａｎｄ ｔｈｅ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ｏｆ ｐｏｓｉｔｉｏｎ ｃｏｎｔｒｏｌ ｗｅｒｅ ｐｕｔ
ｆｏｒｗａｒｄ．Ｉｎ
ｐｒａｃｔｉｃｅ，ｔｈｅ ｆｕｎｃｔｉｏｎｓ ｏｆ
ｎｏｄｅ ｔｅａｃｈｉｎｇ，ｔｒａｊｅｃｔｏｒｙ ｐｌａｎｎｉｎｇ，ｖｅｌｏｃｉｔｙ
基金项目：国家自然科学基金资助项目（６１３７４１０３）；浙江省自然科学基金资助项目（ＬＹｌ３Ｆ０３０００９）
作者简介：徐建明（１９７０一）。男．江西吉安人，教授，博士，硕士生导师，研究方向为鲁棒控制、运动控制、机器人控制及其应用，Ｅ—ｍａｉｌ：ｘｕｊｍ
＠ｚｉｕ，，ｅｄｕ．ｅｎ，
万方数据
浙江工业大学学报
Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｍａｎｉｐｕｌａｔｏｒ ｍｏｔｉｏｎ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ｂａｓｅｄ
ｏｎ
ＡＲＭ
ＸＵ Ｊｉａｎ—ｍｉｎｇ，ＺＨＡＮＧ
（Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ
Ｊｉａｎ，ＷＵ
Ｓｈｉ—ｍｉｎ，ＹＵ Ｌｉ
Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｚｈｅｉｉａｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｈａｎｇｚｈｏｕ ３１００２３，Ｃｈｉｎａ）
整个控制系统的核心是基于ＡＲＭ Ｃｏｒｔｅｘ－Ｍ３ 芯片的ＳＴＭ３２的控制板，它经由脉冲输出端向伺 服驱动器发出定量的脉冲来控制伺服电机的转动． 这里选用的ＳＴＭ３２Ｆ１０３ＺＥＴ６芯片［１伊１１］，其内核是
ＡＲＭ ３２位的Ｃｏｒｔｅｘ－Ｍ３ ＣＰＵ，最高工作频率为７２
来，并且通过触摸屏与后台的控制系统进行通信可 以修改参数，为用户提供良好的人机交互界面，简化 了对机械手现场的操作．这里选用迪文科技生产的 人机界面交互模组ＤＷＩＮ—ＨＭＩ，它自身含有电源 模块、处理器、ＴＦＴ屏、存储单元以及接口电路，内 部还包含了一整套的指令集．通过串口通信，控制板 可以将数据按固定的协议格式传到ＤＷＩＮ—ＨＭＩ上 显示，而且用户在ＤＷＩＮ—ＨＭＩ上的操作能迅速地 传到控制器上进行处理．
伺服驱动器
伺服驱动器根据输出端的脉冲输出数量和频率分别 控制伺服电机的转动圈数和转动速度，因而能够准 确地控制机械手的运行速度和距离．这里选用的是 台达ＡＳＤＡ—ＡＢ系列的伺服驱动器，其性价比高，操 作模式有位置模式、速度模式、扭矩模式、混合模式， 根据需要选定本次设计的操作模式为外部脉冲输入 位置模式．伺服电机与伺服驱动器相连，并通过一定 的机械结构（减速器和皮带）带动机械臂．选用ＥＣ－ ＭＡ系列伺服电机，Ｚ轴垂直于地面，如果手爪抓的 东西过重，在重力影响下机械手会沿ｚ轴缓缓下 降，所以Ｚ轴电机选用的是带刹车的伺服电机．由 于伺服电机带有自锁功能，考虑到成本和功能，Ｘ 轴与ｙ轴选用普通伺服电机既能达到要求． 接口板的位置在控制板和伺服控制系统之间， 它的作用是对控制器信号和伺服控制器信号进行隔 离．接口板自带电源，控制板信号经过光耦转换成
表１
Ｔａｂｌｅ １
段时间和减减速段的时间相等，均为Ｔ。，匀速运动 段时间为Ｔ。．
数据表
ｍｍ
Ｔｈｅ ｔａｂｌｅ ｏｆ ｔｈｅ ｄａｔａ
一．－ｓ．昌Ⅲ）＼毯幽
轨迹规划是对示教节点进行操作，首先步骤选 择，然后节点选择，最后将数据存人新数据表，其形 式见表２．根据轨迹规划得到的新数据表，表示一条 轨迹，再现时，机械手按照运动顺序设定的步骤 运行．
ｙ
（ａ）主视图
（ｂ）左视幽
ｆｃｌ俯税蚓
图ｌ机械手结构简图
Ｆｉｇ．１ Ｔｈｅ
ｉｍａｇｅ ｏｆ ｔｈｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ｔｈｅ ｍａｎｉｐｕｌａｔｏｒ
机械手每轴两端都有一个光电开关，用于设定 原点与限位．对于每个光电开关，在控制器中除了高 低电平外，还有边沿的变化，原点和限位可以通过这 两种变化确定．当电源开启时，机械手开始回原点， 原点定义为：ｘ轴的最右端，ｙ轴的最左端，ｚ轴的 最下端．在机械手回原点动作时，光电开关是用来定 位的，其余的时候都用作限位，确保机械手的运行 害令 １．２运动控制系统 机械手控制系统主要由基于ＡＲＭ Ｃｏｒｔｅｘ－Ｍ３ 的ＳＴＭ３２的控制板、伺服系统、接口板和触摸屏组 成，如图２所示．