工业机器人控制系统设计与实现.pdf
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1、wwwele169com|21电子技术工业机器人控制系统设计与实现郭宁,郭志成(兰州工业学院 电气工程学院,甘肃兰州,730050)基金项目:甘肃省高等学校创新能力提升项目(编号:2019B-181)。摘要:机器人作为一种集多学科、多技术于一体的高科技产物,能够根据设计人员的要求,反复地进行特定的操作。此外,还能够利用人工智能、大数据及物联网技术,实时地收集相关数据,对环境状况进行分析,进而实现相关工作,在各个产业中发挥着关键的生产和服务作用。本文基于STM32单片机、微型计算机和移动终端设计了一套低成本、移植性好的工业机器人控制系统,通过对重点模块设计、硬件设计、单片机软件设计、编程语言及控
2、制软件设计等部分,希望能够对有这方面需求的企业或是研究人员提供一点帮助。关键词:工业机器人;控制系统;单片机;编程语言0 引言工业机器人作为现代制造业的重要组成部分,不断得到广泛的应用。工业机器人控制系统的设计和实现对于提高机器人的精度、灵活性和效率起着至关重要的作用1。本文基于 STM32 单片机、微型计算机和移动终端,设计了一套低成本、移植性好的工业机器人控制系统。本文介绍了控制系统的总体方案和重点模块设计,包括 MCU 模块、电机模块、测距反馈模块等。在硬件设计中,重点介绍了单片机基本电路和步进电机控制电路。在单片机软件设计中,分析了系统功能、通信协议和电机控制程序。编程语言及控制软件设
3、计部分介绍了编程语言概述和程序语言代码实现,旨在降低工业机器人控制系统的使用门槛,服务更多的制造企业。图 1控制系统功能图1 控制系统设计 1.1 控制系统功能工业机器人控制系统是一种典型的实时控制系统,其主要功能包括位置控制、速度控制、力控制、轨迹规划等。其中位置控制和速度控制是最基本的控制功能。位置控制是指通过控制机器人的运动轨迹,将机器人末端的位置移动到目标位置,实现定位、取放和装配等操作2。速度控制是指通过控制机器人的运动速度,控制机器人的运动过程,实现快速准确地到达目标位置。力控制是指通过控制机器人的输出力矢量,实现对工作件施加恰当的力,以实现切割、压合和拆卸等操作。轨迹规划是指通过
4、给定机器人末端的起始位置和目标位置,计算机器人的运动轨迹,以实现平滑的运动过程,避免碰撞和抖动等不良影响。综上所述控制系统功能如图 1 所示。1.2 总体方案首先参考市场上已有的工业机器人控制系统的功能,提出了一个低成本、移植性好的控制系统。该系统采用了STM32 单片机、微型计算机和移动终端,实现了电机控制、信号采集、信号输出和通信任务3。同时,对各种工业机器人结构和控制系统组成方案进行了分析,以便更好地设计出适合实际应用的控制系统。在具体实现上,设计了硬件和软件两部分。硬件部分包含了步进电机驱动器控制、TTL 转串口、输入输出信号以及 AD 信号采集等功能。软件部分则由三个模块组成:单片机
5、程序、计算机程序和手机 APP。单片机程序负责电机控制、信号采集和通信等任务;通过计算机软件,可以方便地对工业机器人的编程语言进行编辑和执行,对平台位置进行演示,对信号、点位等进行人机交互。根据以上功能需求设计系统方案如图 2 所示。1.3 重点模块介绍(1)MCU模块MCU 模块是工业机器人控制系统的核心模块,主要负图 2 系统方案图22|电子制作2023 年 7 月电子技术责电机控制、信号采集、信号输出和通信任务。本文选用STM32单片机作为MCU模块的核心控制芯片,具有高性能、低功耗、易扩展等优点。MCU 模块的主要功能如下:电机控制:控制步进电机和伺服电机的运动,实现位置控制和速度控制
6、;信号采集:采集编码器反馈信号、光电传感器信号等,实现位置和速度的反馈控制;信号输出:控制输出各种信号,如蜂鸣器、LED 指示灯等;通信任务:与计算机程序和手机 APP 进行通信,实现工业机器人编程语言的编辑和执行、平台位置示教、信号和点位信息的人机交互。(2)电机模块电机模块是工业机器人控制系统中非常重要的一个部分,其主要作用是控制电机或伺服电机的运动,实现机器人的位置和速度控制。在本文中,所使用的电机型号为宇辉电机 42BYGH47-401A,它是一种具有结构简单、驱动方式简单、适合低速大扭矩等特点的步进电机,具体参数如表 1所示。表1步进电机参数步距角转矩工作电压相电流相电感相电阻引线数
7、重量1855kgcm24V15A28mH164035kg42BYGH47-401A 电机具有扭矩大、精度高、运动平稳等特点,适用于一些要求精度较低的场合。在电机模块中,为了实现步进电机的最佳驱动效果,采用 A4988 芯片作为步进电机驱动器。A4988 芯片具有驱动能力强、运动平稳、精度高等特点,能够更好地满足工业机器人的控制需求。同时,还采用伺服电机控制程序,通过控制伺服电机的 PWM信号,实现机器人的位置控制和速度控制4。(3)测距反馈模块由以上的分析可知,该装置必须对 XYZ 三个轴线中的一些部位进行探测。伺服电机使用相对数值编码器和一个光敏转换器来完成,而步进电动机则不适用于另配编码器
8、和探测转换器。因此,距离测量元件的选取就必须加以考量。测距传感器有以下类型5。激光测距传感器是一种使用激光技术进行距离测量的传感器,利用激光束发射出去并经过反射后返回传感器,测量出激光束的往返时间,从而计算出物体与传感器之间的距离。激光测距传感器通常使用的激光波长为红外线或可见光范围内的波长。其测距精度通常能够达到几毫米到几厘米的范围,可以用于测量室内和室外的距离,例如在机器人导航、无人驾驶车辆、测量建筑物高度等领域中广泛应用。激光测距传感器的优点包括高精度、测量速度快、可靠性高、不受环境影响等。缺点则包括成本较高、易受光线干扰、测量距离有限等。超声波测距传感器是一种使用超声波技术进行距离测量
9、的传感器,利用超声波发射出去并经过反射后返回传感器,测量出超声波的往返时间,从而计算出物体与传感器之间的距离。超声波测距传感器通常使用的频率为 20kHz 至200kHz 之间的超声波。其测距精度通常能够达到几毫米到几厘米的范围,可以用于测量室内和室外的距离,例如在智能家居、机器人导航、无人驾驶车辆等领域中广泛应用。红外线测距传感器是一种使用红外线技术进行距离测量的传感器。它利用红外线发射出去并经过反射后返回传感器,测量出红外线的往返时间,从而计算出物体与传感器之间的距离。红外线测距传感器通常使用的波长为850nm 至 940nm 之间的红外线。其测距精度通常能够达到几毫米到几厘米的范围,可以
10、用于测量室内和室外的距离,例如在智能家居、机器人导航、自动售货机等领域中广泛应用。本系统最终选择 SHARP/夏普 GP2Y0A41SK0F红外线测距传感器。2 控制系统的硬件设计 2.1 单片机基本电路STM32 单片机外围电路设计主要用于控制系统硬件电路,实现与手机或计算机通信、根据指令控制步进电机驱动器以驱动电机运动,以及处理 IO 信号输入输出。单片机基本电路是控制系统硬件设计的核心之一,包括主晶振电路、复位电路、电源电路、ISP 下载电路等。主晶振电路的选取直接影响单片机的时钟信号,因此需要考虑稳定性、频率等因素。复位电路通过一个复位电路芯片,实现单片机的复位功能,需要考虑复位脉冲的
11、稳定性和电路的可靠性。电源电路包括 5V 电源、3.3V 电源和 12V 电源,需要考虑电源噪声和纹波等因素,以确保单片机和外围电路的稳定工作。ISP 下载电路通过一个串口芯片,实现单片机程序的下载和调试功能,需要考虑串口通信的稳定性和速度等因素。整个单片机基本电路的设计需要考虑多种因素,并进行充分测试和优化,以确保控制系统的稳定性和可靠性,电路原理图如图 3 所示。2.2 步进电机控制电路步进电机控制电路是工业机器人控制系统中的重要组成wwwele169com|23电子技术部分之一,其主要作用是控制步进电机的运动,实现机器人的位置控制和速度控制。步进电机控制电路包括步进电机驱动器、电流调节电
12、路和控制信号电路。其中,步进电机驱动器采用 A4988 芯片,具有驱动能力强、运动平稳、精度高等特点。电流调节电路采用电位器调节电流大小,以实现步进电机的最佳驱动效果。控制信号电路通过单片机控制步进电机的运动,实现机器人的位置控制和速度控制。在实际应用中,步进电机控制电路的设计需要根据具体机器人的需求进行合理地调整和优化。步进电机驱动器内部带有两个普通光耦EL817和一个高速光耦6N137,其电路原理图如图4所示。图 4步进电机驱动器接线图3 控制器单片机软件设计 3.1 单片机软件设计单片机作为控制系统底层元件,负责操作执行部件、信号采集与输出。在软件设计中,采用了 STM32F103 系列
13、芯片的库函数。当应用场景变化时,只需调整部分代码,而无需更改计算机端控制程序。为了减少代码量并便于针对特定应用场景进行控制系统移植开发,在单片机程序设计中采用了裸机开发方法(不使用实时操作系统)。主要技术包括 STM32 芯片的串口、ADC、定时器、PWM、中断和 GPIO 等。控制器单片机软件包含电机控制程序和通信程序两部分。电机控制程序实现步进电机和伺服电机的运动,实现机器人的位置控制和速度控制。通信程序实现与计算机程序和手机 APP 的通信功能,实现工业机器人编程语言的编辑和执行、平台位置示教、信号和点位信息的人机交互。具体来说,电机控制程序采集编码器反馈信号和光电传感器信号,实现位置和
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