摘要：針對(duì)平面關(guān)節(jié)型機(jī)械手各關(guān)節(jié)聯(lián)動(dòng)的特點(diǎn)，研制和開(kāi)發(fā)了基于pic16f877單片機(jī)和運(yùn)動(dòng)芯片lm629的底層控制系統(tǒng)。采用lm629這樣的集成運(yùn)動(dòng)芯片，簡(jiǎn)化整個(gè)控制系統(tǒng)的硬件電路結(jié)構(gòu)，提高系統(tǒng)的可靠性和控制精度。

關(guān)鍵詞：機(jī)械手pic單片機(jī)lm629l298n控制器

引言

　　平面關(guān)節(jié)型機(jī)械手是應(yīng)用最廣泛的機(jī)械手類(lèi)型之一，既可以用于實(shí)際生產(chǎn)，又可以用于教學(xué)實(shí)驗(yàn)和科學(xué)研究。用于實(shí)際生產(chǎn)，它能夠滿(mǎn)足裝配作業(yè)內(nèi)容改變頻繁的要求；用于教學(xué)實(shí)驗(yàn)，它能夠使人直觀地了解機(jī)器人結(jié)構(gòu)組成、動(dòng)作原理等[1]，所以開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)和研究平面關(guān)節(jié)型機(jī)械手具有最廣泛的實(shí)際意義和應(yīng)用前景。

　　lm629是美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的可編程全數(shù)字運(yùn)動(dòng)控制芯片[2]，它具有32位的位置、速度和加速度寄存器，內(nèi)置pid算法，其參數(shù)可以修改；支持實(shí)時(shí)讀取和設(shè)定速度、加速度以及位置等運(yùn)動(dòng)參數(shù)，內(nèi)置的梯形圖發(fā)生器能夠自動(dòng)生成速度曲線(xiàn)，平穩(wěn)地加速、減速；支持增量式光電碼盤(pán)的4倍頻輸入；芯片的主頻為6mhz和8mhz。因此，本文采用lm629和pic16f877構(gòu)成機(jī)械手的伺服控制系統(tǒng)。

1機(jī)械手結(jié)構(gòu)

　　本文設(shè)計(jì)的平面關(guān)節(jié)型機(jī)械手的實(shí)物照片如圖1所示，其主要包括三個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)（分別控制機(jī)械大臂和小臂旋轉(zhuǎn)以及手抓張合）和一個(gè)移動(dòng)關(guān)節(jié)（控制手腕伸縮），圖2為機(jī)械手簡(jiǎn)化模型。各關(guān)節(jié)均采用直流電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)裝置，在機(jī)械大臂和小臂的旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)上還裝配有增量式光電編碼器，提供半閉環(huán)控制所需的反饋信號(hào)。直流電機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制采用自行開(kāi)發(fā)的基于lm629和pic16f877構(gòu)成的多關(guān)節(jié)控制卡，并編制了能滿(mǎn)足運(yùn)動(dòng)控制要求的軟件，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械手的速度、位置以及4關(guān)節(jié)聯(lián)動(dòng)控制。由于機(jī)械手4個(gè)關(guān)節(jié)電機(jī)的控制系統(tǒng)基本類(lèi)似，因此在下文中，筆者將以單個(gè)關(guān)節(jié)電機(jī)為例向讀者介紹平面關(guān)節(jié)型機(jī)械手的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程。
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　　（本項(xiàng)目得到北京市石景山區(qū)科委的資助，并在石景山區(qū)科委與北方工業(yè)大學(xué)聯(lián)合主辦的第三屆"科園杯"大學(xué)生科技活動(dòng)中榮獲一等獎(jiǎng)。）
　　　　　　　　

圖1機(jī)械手實(shí)物照片

　　　　　　

注：1?機(jī)身；2?大臂電機(jī)；3?光電編碼器；4?大臂；5?小臂電機(jī)
基于運(yùn)動(dòng)控制芯片的機(jī)械手控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)



慧聰網(wǎng)2005年12月21日11時(shí)7分信息來(lái)源：?jiǎn)纹瑱C(jī)及嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用

2控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1控制系統(tǒng)的工作原理

　　基于lm629芯片和pic16f877單片機(jī)構(gòu)成的單個(gè)關(guān)節(jié)直流電機(jī)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)如圖3所示。
　　

圖3控制系統(tǒng)原理圖

　　運(yùn)動(dòng)芯片lm629通過(guò)8位數(shù)據(jù)線(xiàn)和6根控制線(xiàn)與單片機(jī)pic16f877的i/o口相連。單片機(jī)通過(guò)數(shù)據(jù)線(xiàn)向lm629發(fā)送位置或速度命令、設(shè)定pid調(diào)節(jié)參數(shù)，并從lm629中讀取速度、加速度等數(shù)值。lm629輸出的脈寬調(diào)制幅度信號(hào)和方向信號(hào)直接驅(qū)動(dòng)l298n，經(jīng)過(guò)功率放大后驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)。增量式光電編碼器提供半閉環(huán)控制所需的反饋信號(hào)(a、b、in),梯形圖發(fā)生器計(jì)算出位置或速度模式下所需控制的運(yùn)動(dòng)軌跡。pic16f877為lm629提供加速度、速度和目標(biāo)位置量,在每個(gè)采樣周期用這些值來(lái)計(jì)算出新的命令和位置給定值,將其作為指令值。由增量式光電編碼器檢測(cè)電機(jī)的實(shí)際位置,其輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)lm629四倍頻后進(jìn)行解碼,形成位置反饋值。指令值與反饋值的差值作為數(shù)字pid校正環(huán)節(jié)的輸入。通過(guò)數(shù)字調(diào)節(jié)器pid計(jì)算，lm629輸出脈寬調(diào)制信號(hào)pwmm和方向信號(hào)pwms用于控制功率芯片l298n,進(jìn)而驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)動(dòng)到指定的位置。lm629在進(jìn)行位置控制的同時(shí)，還對(duì)速度進(jìn)行控制。lm629在接受到主機(jī)送來(lái)的位置信號(hào)后，按梯形圖生成加速、勻速、減速的速度曲線(xiàn)，曲線(xiàn)與坐標(biāo)橫軸所包圍的面積就是指定的位置。pid算法中的比例、積分和微分系數(shù)有時(shí)需要進(jìn)行修改，因此將它們存儲(chǔ)在單片機(jī)的e2prom中。單片機(jī)和pc機(jī)通過(guò)無(wú)線(xiàn)發(fā)射和接收模塊進(jìn)行串行通信。

2.2控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

　　本文所研究的平面關(guān)節(jié)型機(jī)械手的控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)主要包括運(yùn)動(dòng)模塊、功率放大模塊、位置檢測(cè)模塊和通信模塊。

（1）運(yùn)動(dòng)與功率放大模塊

　　運(yùn)動(dòng)與功率放大模塊如圖4所示。運(yùn)動(dòng)模塊的核心芯片是lm629。lm629的8位數(shù)據(jù)口d0~d7與pic單片機(jī)的rd0~rd7口相連,rc0~rc3分別和lm629的cs、rd、wr、ps相連，用于控制片選、數(shù)據(jù)的流向等。lm629接收來(lái)自單片機(jī)的位置、速度或加速度數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)內(nèi)部梯形圖發(fā)生器和pi