天津理工大學 天津市復雜系統(tǒng)控制理論及應用重點實驗室 周琪鈞 李國洪

針對國內(nèi)工業(yè)機器人控制器市場基本被進口產(chǎn)品壟斷和高校對于工業(yè)機器人教育還是采用傳統(tǒng)實物加示教演示等問題，本文提出并實現(xiàn)了一種基于STM32F407的新型6R工業(yè)機器人示教控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有低成本、運算性能強大、門檻低等優(yōu)點，并采用PC上位機監(jiān)控軟件與控制系統(tǒng)通訊。經(jīng)調(diào)試實驗表明，該系統(tǒng)運行穩(wěn)定、響應速度快、適用性強，為工業(yè)機器人教育提供一種新的思路。

工業(yè)機器人是一種面向工業(yè)制造領域能夠在各種復雜環(huán)境下根據(jù)工藝要求通過程序設計實現(xiàn)各種功能的多自由度多關節(jié)的機械裝置。為了便于人類更好地控制機器人，使機器人能夠穩(wěn)定實現(xiàn)所需的操作順序、速度、位置等，并可將動作組內(nèi)容存儲起來，所以研究工業(yè)機器人控制系統(tǒng)在教學和工業(yè)應用上具有重要意義。

1 控制系統(tǒng)硬件設計

本控制系統(tǒng)硬件包括STM32電源電路、復位電路、晶振電路、JTAG電路、FLASH存儲電路、USB轉(zhuǎn)串口電路、六路關節(jié)接口電路、RS485和CAN通信電路、按鍵、蜂鳴器和LED指示燈電路等?？刂葡到y(tǒng)輸入電壓可為6.4～8.5V，低于6.4V或高于8.5V時蜂鳴器會發(fā)出低壓過壓報警提示，供電采用AD/DC電源，即220VAC轉(zhuǎn)7.5VDC輸出?？刂瓢迳系腢SB接口與PC上位機通訊，也可下載程序。JTAG接口用來下載、仿真及調(diào)試程序所用，LED指示燈提示系統(tǒng)正常運行等。圖1所示為控制器系統(tǒng)框圖及對應PCB成板。

1.1 供電及電平轉(zhuǎn)換模塊設計

該模塊采用穩(wěn)壓芯片AMS1117-3.3和AMS1117-5.0，將輸入7.5VDC電壓轉(zhuǎn)換成3.3VDC和5VDC輸出電壓，為控制系統(tǒng)供電；LED1提示3.3V供電正常。原理圖如圖2所示。

1.2 FLASH存儲模塊設計

圖1 控制器系統(tǒng)框圖及PCB成板

圖2 供電及電平轉(zhuǎn)換模塊

圖3 FLASH存儲模塊

圖4 關節(jié)接口模塊

圖5 三組通信模塊

圖6 機器人示教系統(tǒng)模型

該模塊采用W25Q128芯片，該芯片是大容量SPI接口FLASH產(chǎn)品，其擦寫周期可達10萬次，容量為128Mb（16M字節(jié)）。如圖3所示，該芯片的SPI連接到STM32F407的SPI1接口，片選信號CS連接在PA4引腳上，通過PA4進行FLASH讀寫控制。該模塊存儲工業(yè)機器人動作組參數(shù)，機器人依據(jù)讀取的參數(shù)完成某項工作。

1.3 關節(jié)接口模塊設計

該模塊具有六路關節(jié)輸出，關節(jié)采用高精度數(shù)字舵機驅(qū)動，六路關節(jié)的控制信號分別連接STM32F407具有PWM的定時器的輸出口，如圖4所示。每個關節(jié)接口加裝保險絲，起短路保護作用。

1.4 通信模塊設計

該模塊具有3組通信，分別為USB轉(zhuǎn)串口通信、RS485通信和CAN通信。原理圖如圖5所示，在USB轉(zhuǎn)串口通信中，STM32F407的串口1與CH340C相連，同PC上位機實現(xiàn)串口通信；在RS485通信中，采用SP3485作為收發(fā)器，通過PB5控制SP3485收發(fā)，R22為匹配電阻，阻值120Ω，R80與R81為偏置電阻，阻值360Ω，用來確?？偩€空閑時，A、B間電壓差大于2V（邏輯“1”），避免邏輯錯亂導致出現(xiàn)亂碼；在CAN通信中，采用PCA82C250作為收發(fā)器，R23為匹配電阻，阻值120Ω，按圖5所示連接好后，控制系統(tǒng)即可通過PCA82C250與外部CAN總線進行通信。本文采用USB轉(zhuǎn)串口通信，也可以根據(jù)實際需求采用另外兩種通信方式。

2 機器人示教系統(tǒng)實物搭建

采用六組高精度數(shù)字舵機（六自由度），如圖6所示，從上到下，軸六機械爪部分采用普通防燒防堵轉(zhuǎn)數(shù)字舵機，當發(fā)生堵轉(zhuǎn)時，自動計時，當堵轉(zhuǎn)超過4min，舵機會自動停止工作；軸五、軸四采用防堵轉(zhuǎn)低功耗數(shù)字舵機，當發(fā)生堵轉(zhuǎn)時，其內(nèi)部會自動進行切斷保護；軸三、軸二采用高精度雙軸數(shù)字舵機；底座軸一采用大扭力數(shù)字舵機，其具有25.0kg-cm扭矩。六組舵機均能旋轉(zhuǎn)180°。

主體支架采用硬鋁合金，質(zhì)感好，硬度高，通過組裝完成搭建。

3 軟件系統(tǒng)設計及上位機介紹

3.1 軟件系統(tǒng)設計

如果控制系統(tǒng)硬件作為核心，那么，軟件系統(tǒng)則為靈魂，控制著機器人控制系統(tǒng)的中樞神經(jīng)?？刂葡到y(tǒng)軟件程序采用Keil MDK5 C語言編程開發(fā)。為了驗證本控制系統(tǒng)硬件的可行性，機器人采用開環(huán)控制，其控制目標主要包含以下三點：

①穩(wěn)定性：穩(wěn)定性是判定機器人運動控制和檢驗程序的一個重要指標，為了提高機器人穩(wěn)定性，在設計程序的過程中，考慮了運行時可能會發(fā)生的異常情況，并加以調(diào)校。

②實時性：在PC上位機監(jiān)控軟件控制機器人時，確保機器人數(shù)據(jù)的實時性。只有確保系統(tǒng)的整體實時性，才能實現(xiàn)實時控制，也能保證機器人不會出現(xiàn)卡死等故障。

③二次開發(fā)性：良好的軟件程序并非一次性調(diào)試完成的，需經(jīng)過不斷地優(yōu)化及改進，方能達到系統(tǒng)的設計要求。所以，在開發(fā)過程中，采取模塊化設計，將功能函數(shù)進行統(tǒng)一封裝，根據(jù)功能要求調(diào)用相關函數(shù)。系統(tǒng)程序做到規(guī)范化，便于后期調(diào)試優(yōu)化和二次開發(fā)。

圖7 控制系統(tǒng)流程框圖

控制系統(tǒng)軟件主要由主程序和中斷服務子程序構成，如圖7所示。主程序包含系統(tǒng)初始化、關節(jié)初始位置設定及控制參數(shù)初始化，包括LED和蜂鳴器初始化、配置ADC相關模式檢測輸入電壓和必要的TIM的PWM輸出等。中斷服務子程序主要采用3個中斷，包括判斷系統(tǒng)供電是否正常的定時器中斷TIM2服務子函數(shù)、接收判斷PC上位機監(jiān)控軟件指令的串口中斷USART1服務子函數(shù)和輸出電機控制PWM的定時器中斷TIM3服務子函數(shù)。在主循環(huán)中，首先判斷系統(tǒng)供電是否正常，若正常，則等待PC上位機給控制板發(fā)送指令，接收指令后即進入USART1中斷，在中斷子函數(shù)中判斷是否符合控制指令，若符合，則提取機器人相關控制量，進入TIM3中斷后，將相關控制量轉(zhuǎn)換為PWM輸出給對應關節(jié)，使關節(jié)完成相應指令。

圖8 上位機監(jiān)控軟件界面

3.2 上位機監(jiān)控軟件介紹

PC上位機監(jiān)控軟件采用Visual Studio軟件C#語言開發(fā)。C#是一種面向?qū)ο蟮母呒壘幊陶Z言，C#綜合了VB簡單的可視化操作和C++的高運行效率。如圖8所示為上位機監(jiān)控軟件界面。采用PC上位機控制機器人時，使用micro-USB線纜連接控制板USB串口和計算機USB接口，選定所用的串口號，設置好波特率后，即可對機器人進行操作。

圖9 實物連接圖

4 實驗結果

系統(tǒng)實物如圖9所示。六路關節(jié)的接口線連接到控制板六路關節(jié)的接口，JTAG下載接口連接控制板與PC計算機，PC上位機通過micro-USB線纜與控制板相連，在開關斷開的情況下，方可連接7.5VDC電源。經(jīng)過調(diào)試，實現(xiàn)了通過JTAG把軟件程序下載到控制板后，按下電源開關，機器人各關節(jié)自動運行到初始指定位置，在PC上位機設置串口參數(shù)后，即可通過上位機監(jiān)控軟件界面左圖六個關節(jié)小窗口中的滑塊對相應關節(jié)進行操作，左滑即逆時針旋轉(zhuǎn)（機械爪開），反之為順時針（機械爪閉）；也可以通過右邊窗口的添加動作來設置動作組，一個動作組可分解為若干個動作，添加好后點擊“在線運行”，機器人即可執(zhí)行動作組（若勾選了“循環(huán)”，機器人會重復運行動作組）；動作組還可以通過下載按鍵下載到控制板FLASH中，下載完畢后，選擇相應的動作組號，點擊“動作組執(zhí)行”機器人即可運行相應動作組。

結束語：通過不斷調(diào)試與實驗表明，本文工業(yè)機器人示教系統(tǒng)方案可行，系統(tǒng)具有響應速度快、動作靈活等優(yōu)點。若加入三相PMSM驅(qū)動電路，可以滿足中小型工業(yè)機器人的控制需求。在整個設計實驗過程中，仍然存在一些不足需要改進，主要包括以下兩點：①電路的優(yōu)化。在滿足功能需求與電氣指標的情況下電路板走線布局還可以繼續(xù)優(yōu)化改進，提升電路板的穩(wěn)定性與美觀。②算法的優(yōu)化。為了檢驗設計方案的可行性，對算法的處理方面深究不夠，仍有改進的空間，進一步完善機器人的運作。