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
鼬
醋
一一 Ⅳ Ｚ
』Ｌ
圈
１
上
ｚ
ｌ
必
Ｚ
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．