基于运动控制芯片的机械手控制系统设计

　　引 言

　　平面关节型机械手是应用最广泛的机械手类型之一，既可以用于实际生产，又可以用于教学实验和科学研究。用于实际生产，它能够满足装配作业内容改变频繁的要求;用于教学实验，它能够使人直观地了解机器人结构组成、动作原理等[1]，所以开发设计和研究平面关节型机械手具有最广泛的实际意义和应用前景。

　　LM629是美国国家半导体公司生产的可编程全数字运动控制芯片[2]，它具有32位的位置、速度和加速度寄存器，内置PID算法，其参数可以修改;支持实时读取和设定速度、加速度以及位置等运动参数，内置的梯形图发生器能够自动生成速度曲线，平稳地加速、减速;支持增量式光电码盘的4倍频输入;芯片的主频为6MHz和8MHz。因此，本文采用LM629和PIC16F877构成机械手的伺服控制系统。

　　1 机械手结构

　　本文设计的平面关节型机械手的实物照片如图1所示，其主要包括三个旋转关节(分别控制机械大臂和小臂旋转以及手抓张合)和一个移动关节(控制手腕伸缩)，图2为机械手简化模型。各关节均采用直流电机作为驱动装置，在机械大臂和小臂的旋转关节上还装配有增量式光电编码器，提供半闭环控制所需的反馈信号。直流电机的运动控制采用自行开发的基于LM629和PIC16F877构成的多关节控制卡，并编制了能满足运动控制要求的软件，实现对机械手的速度、位置以及4关节联动控制。由于机械手4个关节电机的控制系统基本类似，因此在下文中，笔者将以单个关节电机为例向读者介绍平面关节型机械手的控制系统设计过程。

　　(本项目得到北京市石景山区科委的资助，并在石景山区科委与北方工业大学联合主办的第三届"科园杯"大学生科技活动中荣获一等奖。)　 

　　图1机械手实物照片　 

　　注：1—机身;2—大臂电机;3—光电编码器;4—大臂;5—小臂电机

　　6—同步带;7—光电编码器;8—小臂;9—手腕升降电机;

　　10—手抓电机;11—手抓。

　　图2机械手简化模型

　　2 控制系统设计

　　2.1 控制系统的工作原理

　　基于LM629芯片和PIC16F877单片机构成的单个关节直流电机伺服驱动系统如图3所示。　 

　　图3控制系统原理图

　　运动芯片LM629通过8位数据线和6根控制线与单片机PIC16F877的I/O口相连。单片机通过数据线向LM629发送位置或速度命令、设定PID调节参数，并从LM629中读取速度、加速度等数值。LM629输出的脉宽调制幅度信号和方向信号直接驱动L298N，经过功率放大后驱动直流电机。增量式光电编码器提供半闭环控制所需的反馈信号(A、B、IN),梯形图发生器计算出位置或速度模式下所需控制的运动轨迹。PIC16F877为LM629提供加速度、速度和目标位置量,在每个采样周期用这些值来计算出新的命令和位置给定值,将其作为指令值。由增量式光电编码器检测电机的实际位置,其输出信号经过LM629四倍频后进行解码,形成位置反馈值。指令值与反馈值的差值作为数字PID校正环节的输入。通过数字调节器PID计算，LM629输出脉宽调制信号PWMM和方向信号PWMS用于控制功率芯片L298N,进而驱动电机运动到指定的位置。LM629在进行位置控制的同时，还对速度进行控制。LM629在接受到主机送来的位置信号后，按梯形图生成加速、匀速、减速的速度曲线，曲线与坐标横轴所包围的面积就是指定的位置。PID算法中的比例、积分和微分系数有时需要进行修改，因此将它们存储在单片机的E2PROM中。单片机和PC机通过无线发射和接收模块进行串行通信。