盧桂萍， 鄭文鐸， 陳增霖

（北京理工大學(xué)珠海學(xué)院工業(yè)自動化學(xué)院，廣東 珠海 519088）

基于單片機的桌面型并聯(lián)機器人的設(shè)計

盧桂萍， 鄭文鐸， 陳增霖

（北京理工大學(xué)珠海學(xué)院工業(yè)自動化學(xué)院，廣東 珠海 519088）

傳統(tǒng)的并聯(lián)機器人采用PLC等工業(yè)控制器控制，體積相對較大，成本高。文中設(shè)計將使用STM32單片機取代PLC作為整個并聯(lián)機器人系統(tǒng)的控制核心，并和C#編寫的電腦上位機軟件通訊，步進電動機作為動力，實現(xiàn)并聯(lián)機器人的示教與再現(xiàn)等功能。

并聯(lián)機器人;桌面型;單片機;上位機;步進電動機

0 引言

近幾年來，全球范圍內(nèi)工業(yè)機器人的速度增長超過10%，僅2012年全球的工業(yè)機器人的總裝機量就超過了120萬臺，其中我國裝機量接近10萬臺，僅占全球裝機總量的8%。而從機器人的使用密度來看，2014年，全球工業(yè)機器人使用密度最高的國家是韓國，每一萬名工人擁有的機器人數(shù)量達到347臺，日本以339臺/萬人僅次于韓國，德國以251臺/萬人排第三，而我國只有21臺/萬人，這樣的水平甚至不到國際水平55臺/萬人的1/2。目前看來，我國制造業(yè)的自動化程度相對較低，仍有很大的發(fā)展空間。另外，我國的工業(yè)機器人市場多為國外占據(jù)，如ABB、發(fā)那科、庫卡和安川四大家占據(jù)了我國工業(yè)機器人市場的85%，而中國的工業(yè)機器人制造公司起步較晚，市場份額小，規(guī)模也小，一直被外國企業(yè)壓制。技術(shù)上，工業(yè)機器人的核心技術(shù)及關(guān)鍵部件的制造技術(shù)一直被國外壟斷，像伺服電動機及伺服驅(qū)動器，還有RV減速器等關(guān)鍵零部件國內(nèi)無法生產(chǎn)，長期依賴進口，所以我們要加快工業(yè)機器人的研究，以推進中國工業(yè)的自動化生產(chǎn)及智能制造的發(fā)展[1]。

如果本設(shè)計能實現(xiàn)量產(chǎn)，將有以下意義：1）降低機器人成本；2）減小并聯(lián)機器人整體系統(tǒng)的體積；3）促進高校的工業(yè)機器人類課程的教學(xué)改革。

1 控制系統(tǒng)設(shè)計

1.1 需要解決的問題

STM32單片機作為控制核心是本設(shè)計最為重要的部分。如何讓STM32輸出指定頻率的PWM，靈活控制通用輸入輸出IO的狀態(tài)和如何利用定時器計算STM32輸出的脈沖數(shù)，是整個作品能否完成的關(guān)鍵。

機器人的機械結(jié)構(gòu)設(shè)計。尺寸和公差，粗糙度的選擇和計算，減速比的計算，同步帶的選擇和各種零部件的材料選擇。

電路的設(shè)計。包括控制模塊，驅(qū)動模塊，傳感檢測模塊。

上位機的程序和算法設(shè)計。如何運用C#編寫上位機，機器人控制平臺所需要的功能，要顯示的數(shù)據(jù)，界面的設(shè)計。

串口通訊技術(shù)。本設(shè)計中電腦上位機和STM32之間傳遞的數(shù)據(jù)雖然不多，但是上位機和單片機之間的數(shù)據(jù)交互傳輸非常頻繁，幾乎每一步的操作都需要兩者的通訊來確認，所以需要安排好數(shù)據(jù)發(fā)送和接收的時間，按照其重要性分配優(yōu)先級。還有上位機和單片機通過串口每次只能發(fā)送一個8位的數(shù)據(jù)，要保持信息的準確性需要編寫數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換算法，同時也要提高傳輸?shù)膶崟r性。

1.2 總體方案

本設(shè)計將系統(tǒng)的工作模式分為示教模式和再現(xiàn)運行模式，具體的實現(xiàn)方案如下。

1.2.1 示教模式

示教模式是用戶通過直接操作機器人控制平臺來手動調(diào)整機器人的末端位置，并記錄下機器人當(dāng)前的坐標，最終形成一段記錄機器人再現(xiàn)運行的軌跡的程序。在示教模式下，用戶先點擊機器人控制平臺上方向控制界面的虛擬按鍵，包括有X+、X-、Y+、Y-、Z+、Z-六個按鍵分別代表著機器人末端向X、Y、Z三個坐標軸的正反方向移動，當(dāng)移動機器人末端向某個方向移動，到達目標位置在該方向上的坐標值時，按下獲取示教點按鈕，獲取機器人末端的位置坐標，然后再控制機器人在其他方向上的移動，依次記錄直到機器人末端到達目標位置。

1.2.2 再現(xiàn)運行模式

再現(xiàn)運行是要求機器人系統(tǒng)在已有程序的情況下，讓機器人末端根據(jù)程序里記錄的點位，一步步運行，形成一段軌跡。在示教完成后，點擊示教按鍵，示教按鍵的內(nèi)容由“示教”切換為“再現(xiàn)運行”，此時機器人控制平臺會彈出一個提示框，提示“是否再現(xiàn)運行”，此時點擊“確定”，則系統(tǒng)開始執(zhí)行程序，機器人末端開始沿著記錄的點位運行。如果點擊“取消”，則不進行再現(xiàn)運行。

圖1 控制系統(tǒng)圖

從圖1可以看到，在本設(shè)計系統(tǒng)中，用戶通過上位機界面輸入，直接操作機器人控制平臺，上位機會記錄并儲存操作的一些數(shù)據(jù)，同時跟STM32之間進行串口通訊，交換數(shù)據(jù)，STM32根據(jù)上位機傳遞來的數(shù)據(jù)進行計算并輸出相應(yīng)的信號給驅(qū)動系統(tǒng)，從而使機器人末端根據(jù)要求運動。

2 控制核心的選擇

2.1 對控制核心的要求

根據(jù)整個設(shè)計的要求，主控芯片要能和電腦之間進行通訊，所以要求主控芯片有串口的發(fā)送和接收功能。還有要求主控芯片能輸出3路符合要求的PWM，并且能夠進行計時來計算輸出的脈沖量，這就要求芯片有足夠多的定時器。并且要有一定數(shù)量的通用IO來滿足傳感器，驅(qū)動器的使用及一些其他需求。另外，并聯(lián)機器人的算法比較復(fù)雜，程序量大，實時性高，所以要求芯片具有較高的運算速度。

2.2 單片機選型

市面上普遍采用的并聯(lián)機器人主控造價都比較昂貴，而且開發(fā)的難度相對較大。本設(shè)計采用STM32F103ZET6作為整個系統(tǒng)的主控芯片，該芯片是基于ARM Cortex-M3核心的32位微控制器,LQFP-144封裝，具有豐富的外設(shè)[2]。

2.3 機器人控制平臺設(shè)計

本設(shè)計的并聯(lián)機器人控制平臺將在個人電腦上完成，采用了C#編程語言，C#是由微軟公司發(fā)布的一種面向?qū)ο蟮脑O(shè)計語言。C#作為一種現(xiàn)代的、通用的編程語言，其容易學(xué)習(xí)、結(jié)構(gòu)化和高效率使其成為一種廣泛應(yīng)用的語言[3]。

根據(jù)本設(shè)計的要求，控制平臺要有以下功能：1）STM32單片機與電腦通訊設(shè)置；2）并聯(lián)機器人的運動控制；3）示教與再現(xiàn)運行的設(shè)置；4）相關(guān)參數(shù)的顯示。

所以，本設(shè)計的并聯(lián)機器人的控制平臺分為4個模塊，分別是串口設(shè)置、方向控制、示教與再現(xiàn)窗口和數(shù)據(jù)顯示[4]。最終設(shè)計的控制平臺界面如圖2所示。

圖2 并聯(lián)機器人控制平臺界面

3 機械結(jié)構(gòu)設(shè)計

3.1 機械結(jié)構(gòu)設(shè)計整體要求

機械結(jié)構(gòu)作為并聯(lián)機器人的硬件，對機器人的運動精度有著至關(guān)重要的影響，所以對機器人的機械結(jié)構(gòu)有以下的基本要求：

1）基于本設(shè)計的定位，首先必須滿足運動精度、運動范圍、經(jīng)濟性等要求[5]；2）滿足機器人運動精度對機械結(jié)構(gòu)的剛性、變形量的要求；3）在經(jīng)濟性許可的前提下應(yīng)該盡可能縮短傳動鏈，簡化傳動結(jié)構(gòu)，提高傳動的精度和效率；4）出于經(jīng)濟性的考慮，部分部件將采用手動加工，所以應(yīng)該將個人手動加工的能力范圍考慮到部分結(jié)構(gòu)的設(shè)計和選型中；5）應(yīng)方便加工和裝配，對于加工的誤差應(yīng)該有機構(gòu)或者措施進行調(diào)整補償，使得可以降低零部件的加工精度要求；6）結(jié)構(gòu)簡單，可靠合理，符合加工的可行性。

3.2 機械結(jié)構(gòu)整體布局

本設(shè)計的并聯(lián)機器人一共3個自由度，根據(jù)并聯(lián)機器人的結(jié)構(gòu)要求，每個自由度控制的機械臂互成120°，由步進電動機作為動力來源，步進電動機通過減速裝置和主機械臂相連，主機械臂再和副機械臂相連，最后副機械臂的另一端通過抓具中心連接，形成整個機器人運動部分的機械本體，如圖3所示。步進電動機和減速機構(gòu)直接固定在基板上，考慮到機械零部件加工的精度，基板和步進電動機等零件的裝配必須位置可調(diào)[6]。

圖3 并聯(lián)機器人工作范圍

圖4 傳動系統(tǒng)

3.3 傳動系統(tǒng)設(shè)計

考慮到成本與體積問題，還有機器人使用的負載不會太大，所以使用的步進電動機力矩和傳動系統(tǒng)減速比不要求太大。同步帶傳動具有傳動比準確、對軸作用力小、結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點，但是減速比沒辦法像減速箱一樣大，且體積較大，占空間，考慮到并聯(lián)機器人的主要搬運對象是重量較輕的物體，所以選用同步帶減速是可行的[7]。所以本設(shè)計選用同步帶進行減速，考慮到帶輪的直徑，選用減速比為1:4，主動輪齒數(shù)為10，從動輪齒數(shù)40，如圖4所示。

圖5 機械臂結(jié)構(gòu)簡圖

3.4 機械臂設(shè)計

并聯(lián)機器人的機械臂分為主機械臂和副機械臂，如圖5所示，主副機械臂一共3對，一個主機械臂和一個副機械臂相連，最后每個副機械臂的另一端通過抓具中心相連[8]。

圖6 主機械臂往下運動

圖7 軸承座和步進電動機支架相對位置

圖8 軸承座和步進電動機安裝孔設(shè)計

圖9 機器人機械結(jié)構(gòu)裝配圖

3.5 基板設(shè)計

基板是并聯(lián)機器人的主要結(jié)構(gòu)，要承受整個機器人本體大部分結(jié)構(gòu)的重量，在本設(shè)計中，包括整個傳動系統(tǒng)，步進電動機都是安裝在基板上，所以基板的設(shè)計合理性尤為重要。

我們的并聯(lián)機器人指的是Delta機器人，從字面上理解就可知道這種機器人的外觀呈三角形，所以基板的外觀也是三角形，使整個作品更加美觀。因為傳動系統(tǒng)安裝在基板上，所以主機械臂也在基板上方，但是由于主機械臂將跟著帶輪軸旋轉(zhuǎn)，基板將阻礙到主機械臂往下方轉(zhuǎn)動，所以，基板上應(yīng)該開一個槽，使得主機械臂能順利通過基板。如圖6所示。

另外，本設(shè)計使用同步帶作為減速機構(gòu)，同步帶在使用一定時間后會出現(xiàn)松弛現(xiàn)象，且由于制造精度的問題，每個同步帶實際周長都不一定等于設(shè)計周長，所以，同步帶的張緊就要依靠調(diào)節(jié)主從動輪之間的中心距來實現(xiàn)，所以就要求軸承座和步進電動機支架之間的距離可調(diào)[9-15]，如圖8所示。由于軸承座的位置將決定主機械臂的位置，且每個主機械臂之間互成120°，所以，軸承座的位置應(yīng)該確定下來，通過調(diào)整步進電動機支架的位置來調(diào)整二者之間的中心距。如圖8所示，在基板上安裝步進電動機支架的地方銑出兩道比電動機支架安裝螺栓略大的槽，支架在基板上可以左右運動，從而達到調(diào)整中心距的目的。

最后設(shè)計完成的機器人整體結(jié)構(gòu)如圖9所示，其中機器人的支架隱藏處理。

4 結(jié) 論

本設(shè)計驗證了利用單片機作為控制核心實現(xiàn)并聯(lián)機器人基本功能的可能性，可作為繼續(xù)研究并完善桌面型并聯(lián)機器人的基礎(chǔ)，本設(shè)計中的并聯(lián)機器人一些功能還有待改進及完善。本設(shè)計中使用的主控芯片STM32單片機的性能及配置只能滿足目前相對簡單的機器人功能使用，在后續(xù)的研究設(shè)計中，需要更換性能更高的主控芯片，并且需要引入操作系統(tǒng)方能滿足設(shè)計要求。

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Design of Desktop Parallel Robot Based on Single-chip Computer

LU Guiping,ZHENG Wenduo,CHEN Zenglin
（School ofIndustrial Automation,BeijingInstitute ofTechnology（Zhuhai）,Zhuhai 519088,China）

The traditional parallel robot is controlled by PLC and other industrial controller,which has the disadvantages of relatively large volume and high cost.This paper designs a parallel robot which uses STM32 MCU to replace PLC as control core,which communicates with PC software written by C#software.Step motor is used as driver to realize functions of the parallel robot teaching and representation.

parallel robot;desktop;single chip microcomputer;PC;stepper motor

TP 242

A

1002－2333（2018）01－0008－04

珠海市重點項目（3200030／070／001／001）;廣東省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)計劃2016年省級項目（DC201673）

（編輯立 明）

盧桂萍（1976—），女，碩士，副教授，研究方向為機電一體化系統(tǒng)設(shè)計。

2017-04-18