基于IAP15W 的六轴机械手驱动模块研究与设计

2020-11-10徐操喜董斯特李成章

智能计算机与应用 2020年5期

徐操喜, 冯建, 董斯特, 李成章

(广东交通职业技术学院信息学院, 广州510800 )

0 引言

在机械手控制系统中,工业计算机采用摄像头对目标物体进行识别并三维定位,根据三维坐标及每个机械臂长度,逆运算出各控制舵机与水平面夹角［1］。由于各机械手臂互相连接,上层只考虑每个机械臂相对于水平线的角度,而对于底层驱动,由于机械臂水平夹角互相影响,改变其中任何一个夹角,其余机械臂水平夹角也随之牵连变化,从而要求底层驱动要在控制上进行调整,定位到设定的三维空间位置。

系统包括了软件控制系统以及电路控制系统两部分。

1 硬件设计

硬件系统包括MCU 核心控制系统、电源降压模块、多路舵机控制模块。

1.1 MCU 核心控制模块选择

MCU 采用宏晶公司的IAP15W4K58S4,此芯片采用8051 内核,兼容传统8051 指令系统,一个时钟周期可以执行一条单字节指令,相比传统12T,效率提高了12 倍,能满足大部分小型系统控制要求,也完全能满足本设计控制要求。

1.2 多路舵机控制模块设计

一个机械手有多个机械臂,每个机械臂由1 个舵机控制。本控制机械手模型如图1 所示。由于每个舵机需要采用1 路PWM 控制,而MCU 本身资源有限,通过软件产生多路PWM 难度比较大,因此本方案采用舵机控制专用芯片PCA9685,PCA9685 可以输出16 路舵机控制信号,采用I2C 总线与MCU通信交换数据,每路输出频率可编程配置,从40 Hz到1 KHz,占空比从0%到100%。

图1 机械手模型Fig. 1 Manipulator model

1.3 电源模块

为了隔离舵机电磁噪声对MCU 的干扰,系统对舵机及MCU 独立供电,舵机电源转换芯片采用DCDC 转换芯片LM2575-5.0,MCU 供电采用LM2576-5.0 降压到5 V,再采用线性降压芯片AS1117-3.3 V降到3.3 V 后提供给MCU。 LM2576 采用PWM 控制方式输出电压,转换效率根据输入电压可达75%～88%,输出电流3 A,满足系统电源功率要求。为了兼顾电源转换效率以及电源纹波干扰对MCU 的影响,LM2576-5.0 稳压到5 V 之后,采用线性稳压芯片AS1117-3.3 V 将5 V 降低到3.3 V,一方面提高电源转换效率,另一方面纹波也得到控制,电源供电方案如图2 所示。

图2 电源供电方案Fig. 2 Power supply scheme

2 软件设计

软件控制系统包括了串行通信程序设计、双机通信协议设计、控制命令合理性检测、各舵机夹角关系分析、舵机控制程序设计。

2.1 串行通信程序设计

上位机与机械手模块采用串行异步方式通信,上位机按双方约定协议把控制参数传到MCU,MCU收到数据后对数据进行校验,无误后按控制参数对舵机进行控制。

IAP15W4K58S4 串行通信配置步骤：

(1)通过寄存器P＿SW1 配置使用IO 引脚；

(2)通过定时器配置串行通信口的波特率；

(3)开中断；

初始配置代码如下：

ACC = P＿SW1；

ACC ＆= ～(S1＿S0 | S1＿S1)；／／配置发送接收对应IO 引脚 P＿SW1 = ACC；／／通过ACC把配置参数写入P＿SW1

SCON = 0x50；／／数据位为8 位,可变波特率

AUXR = 0x40；／／定时器1 为1T 模式

TMOD = 0x20；／／定时器1 为模式2(8 位自动重载)

TL1 = (256 - (FOSC／32／BAUD))；／／设置波特率重装值

TH1 = (256 - (FOSC／32／BAUD))；

TR1 = 1；／／定时器1 开始工作

ES = 1；／／使能串口中断

EA = 1；／／开总中断

2.2 双机通信协议设计

通信协议是两个系统正确通信的基础,通信协议字长设置为10 个字节,包括起始字节以及结束字节。中间包括有效数据位12,一个CRC 校验位,其结构如图3 如示。

图3 通信协议Fig. 3 Communication protocol

其中,start 位为起始位0x55,end 为结束位0xAA,CRC 为data1 ～data12 的CRC 校验位,data1、data2 为舵机1 的16 位水平夹角(高8 位为data1 ,低8 位为data2),其余类推为data3、data4 为舵机2的16 位水平夹角,……data11、data12 为舵机6 的16 位水平夹角。

2.3 控制命令合理性检测

机械手运动由6 个舵机控制［3］, 实物如图4 所示。标注1 为机械臂1,2 为机械臂2,3 为机械臂3,4 为机械臂4。舵机1 控制机械手在Y 轴方向转动,舵机2 控制机械臂2 绕机械臂1 转动,舵机3 控制机械臂3 绕机械臂2 转动,舵机4 控制机械臂4 原位置转动,改变机械手姿态,不改变空间坐标。舵机5 控制机械臂4 绕机械臂3 转动。舵机6 改变机械手姿态,不改变空间位置。

图4 机械手实物Fig. 4 Manipulatormaterial object

对转动角度进行测量标定,得到数据如表1 所示。

表1 每个机械手测量标定结果Tab. 1 Measurement and calibration results

2.4 各舵机夹角关系分析

机械手各机械臂是一个串连控制结构,由机械结构分析可得知,它们水平夹角会传递影响,夹角α改变会引起夹角β、γ 改变,夹角β 改变会引起γ 改变。 MCU 在接收到上位机发送过来的角度时,一方面需要考虑到夹角之间大小关系导致计算方法,另一方面需要考虑到水平夹角的传递影响。

设4 个夹角机械臂与水平面初始角度值为x,y,z,w,预定目标角度为x1,y1,z1,w1,舵机2,舵机3,舵机5 实际所需要转的角度为x2,y2,z2。具体运算方法如下：

2.5 舵机控制程序设计

MG996 舵机是一种位置伺服的驱动器,需要周期为20msPWM 信号控制,适用于那些需要角度不断变化并可以保持的控制系统,1.5ms 为基准信号［2］。其信号控制要求如图5 所示。 MG996 将获得的直流偏置电压与电位器的电压比较,获得电压差输出。最后,电压差的正负输出到电机驱动芯片,决定电机的正反转。当电机转速一定时,通过级联减速齿轮带动电位器旋转,使得电压差为0,电机停止转动。

图5 舵机的控制要求Fig. 5 Steering gear control

舵机控制芯片PCA9685 对6 个舵机进行控制,PCA9685 可以控制16 路舵机,与MCU 通信采用I2C 总线。每路输出频率可编程配置,从40 Hz 到1 KHz,占空比从0%到100%。其最小核心板如图6所示。其中板上A0～A5 为PCA9685I2C 地址设置,默认设置(右上角A0～A5 都不焊)地址为0X80,OE引脚为使能脚,低电平有效,VCC 为芯片电源,3.3 V～5 V。

图6 PCA9686 舵机控制电路板Fig. 6 Steering gear control circuit board

V ＋为舵机供电电源引脚,5 V ～5. 5 V。PCA9685 每个输出通道拥有4 个控制寄存器LEDx＿ON＿L、LEDx＿ON＿H、LEDx＿OFF＿L、LEDx＿OFF＿H。控制寄存器为8 位,储存输出通道高电平时间和低电平时间。

PCA9685 程序设计包括两个关键步骤：

步骤1配置PCA9685 的PWM 输出为50 Hz,此频率刚好对应MG996 的控制信号要求。其关键代码如下［3］：

f *= 0.92；／／频率设置中的过冲校正

prescal= 25000000；

prescal／ = 4096；

prescal ／ =；

prescal -= 1；

pres = floor(prescal＋0.5)；

begin()；

mode1 = I2C＿read(PCA9685＿MODE1)；

mode2 = (mode1＆0x7F) | 0x10；

I2C ＿write(PCA9685＿MODE1, mode2)；

I2C ＿write(PCA9685＿PRESCALE, pres)；

I2C ＿write(PCA9685＿MODE1, mode1)；delayms(2)；

I2C ＿write(PCA9685＿MODE1,mode1 | 0xa1)；

步骤2编写函数PCA9685 ＿ SET ＿ PWM(unsigned int n, unsigned int on, unsigned int off)用于设定不同通道的占空比,方便主函数对其调用控制,其中n 为所要控制通道,on 为信号高电平时间,off 为信号低电平时间,其关键代码如下所示：

I2C ＿write(LED0＿ON＿L＋4*n,on＆0xff)；

I2C ＿write(LED0＿ON＿H＋4*n,on＞＞8)；

I2C ＿write(LED0＿OFF＿L＋4*n,off＆0xff)；

I2C ＿write(LED0＿OFF＿H＋4*n,off＞＞8)；

2.6 程序流程图

程序运行过程如下：开始运行,控制机械臂转到初始位置,记录机械臂之间夹角。等待上位发送控制命令,收到控制命令之后,计算得到实际转动角度,把实际转动角度与机械臂夹角进行转换运算,判断是否在机械臂夹角范围内,如果在夹角允许范围内,则输出实际控制命令,如果不在允许范围内,则返回错误信息至上位机。程序流程如图7 所示。