CN104972287A - 一种三自由度机械臂运动控制装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种三自由度机械臂运动控制装置，所述装置包括ARM处理器，供电模块，运动控制模块，伺服驱动模块，无线通信模块，FLASH模块，JTAG调试模块和开关量信号输入输出模块，所述ARM处理器与其他各个模块连接，由所述ARM处理器驱动其他模块完成对三自由度机械臂的运动控制。该装置能够解决繁琐的配线和人工插拔等操作规程不足的问题，且功能高度集中，结构紧凑小巧，便于在结构狭小的位置安装，能够直接安装在机械臂的结构本体上，方便对机械臂进行运动控制。
Description
技术领域
本发明涉及航天管路装配技术领域，尤其涉及一种三自由度机械臂运动控制装置。
背景技术
目前，在航天管路装配中，涉及到三自由度机械臂的空间姿态调整，装配平台一般由龙门架移动台和若干个三自由度机械臂配合实现空间管路的位置和姿态调整，由离线编程系统规划出若干个三自由度机械臂的空间位置和姿态并由外部控制器进行控制。
但由于龙门架和若干个机械臂的空间相对比较分散，传统的伺服和电机分离的控制方式，需要大量的配线，造成实际控制的效率极低；并且传统的运动控制卡功能单一，控制精度低，通信方式多为有线方式，不可避免的大量的人工插拔线缆的问题，造成装配过程效率低，自动化程度低等问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种三自由度机械臂运动控制装置，能够解决繁琐的配线和人工插拔等操作规程不足的问题，且功能高度集中，结构紧凑小巧，便于在结构狭小的位置安装，能够直接安装在机械臂的结构本体上，方便对机械臂进行运动控制。
一种三自由度机械臂运动控制装置，所述装置包括ARM处理器，供电模块，运动控制模块，伺服驱动模块，无线通信模块，FLASH模块，JTAG调试模块和开关量信号输入输出模块，其中：
所述ARM处理器与其他各个模块连接，由所述ARM处理器驱动其他模块完成对三自由度机械臂的运动控制；
所述供电模块采用分级转换的方式，由外部独立开关电源提供24V直流电源，并通过内部的电压转换模块和转换芯片分级转换为5V和3.3V电源，分别为其他各模块供电；
所述运动控制模块和伺服驱动模块的应用对象均为步进伺服电机；
所述运动控制模块包含PWM输出单元和方向控制单元，所述PWM输出单元输出3路PWM波输出信号，所述方向控制单元输出3路方向控制信号，3路PWM波输出信号和3路方向控制信号分别用于控制伺服电机的转速和转向，以实现单轴运动和三轴联动；
所述的伺服驱动模块包含伺服供电模块和伺服输入输出信号单元，所述伺服供电模块包含3路伺服供电电路，所述伺服输入输出信号单元包含3路伺服输入输出信号，其中，伺服输入信号为伺服报警信号，来自伺服的开关量输入信号，并采用光耦隔离输入电路接入所述ARM处理器中；伺服输出信号为伺服使能信号，由所述ARM处理器经继电器驱动输出；
所述无线通信模块能与其他同类型的无线通信设备进行通信；
所述开关量信号输入输出模块包含光耦隔离输入单元和达灵顿管输出单元，具体包括8路输入信号和5路输出信号。
由上述本发明提供的技术方案可以看出，该装置能够解决繁琐的配线和人工插拔等操作规程不足的问题，且功能高度集中，结构紧凑小巧，便于在结构狭小的位置安装，能够直接安装在机械臂的结构本体上，方便对机械臂进行运动控制。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。
图1为本发明实施例所提供三自由度机械臂运动控制装置的结构示意图。
具体实施方式
下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
下面将结合附图对本发明实施例作进一步地详细描述，如图1所示为本发明实施例所提供三自由度机械臂运动控制装置的结构示意图，所述装置包括ARM处理器，供电模块，运动控制模块，伺服驱动模块，无线通信模块，FLASH模块，JTAG调试模块和开关量信号输入输出模块，其中：
所述ARM处理器与其他各个模块连接，由所述ARM处理器驱动其他模块完成对三自由度机械臂的运动控制；
所述供电模块采用分级转换的方式，由外部独立开关电源提供24V直流电源，并通过内部的电压转换模块和转换芯片分级转换为5V和3.3V电源，分别为其他各模块供电；具体来说，外部独立开关电源提供24V直流电源，通过电压转换模块MJWI 10-24S05转换成5V电源，再通过TPS7333将5V转换为3.3V电源，其中24V电源同时为伺服提供电源，所以要求驱动电机的电源为直流24V供电；3.3V电源为ARM处理器提供电源；5V电源为其他电路的芯片提供电源；
所述运动控制模块和伺服驱动模块的应用对象均为步进伺服电机；
所述运动控制模块包含PWM输出单元和方向控制单元，所述PWM输出单元输出3路PWM波输出信号，所述方向控制单元输出3路方向控制信号，3路PWM波输出信号和3路方向控制信号分别用于控制伺服电机的转速和转向，根据运动控制算法，由所述ARM处理器的内部定时器TIM1、TIM4、TIM8实现，可以实现单轴运动和三轴联动。具体实现中，脉冲和方向信号直接由ARM处理器输出，外部采用SN75176芯片将单端信号转换为差分信号，从而抑制共模干扰，提供信号传输性能，降低系统电磁辐射；
所述的伺服驱动模块包含伺服供电模块和伺服输入输出信号单元，所述伺服供电模块包含3路伺服供电电路，所述伺服输入输出信号单元包含3路伺服输入输出信号，其中，伺服输入信号为伺服报警信号，来自伺服的开关量输入信号，并采用光耦隔离输入电路接入所述ARM处理器中；伺服输出信号为伺服使能信号，由所述ARM处理器经继电器驱动输出；
所述无线通信模块能与其他同类型的无线通信设备进行通信；
所述开关量信号输入输出模块包含光耦隔离输入单元和达灵顿管输出单元，具体包括8路输入信号和5路输出信号。具体实现中，ARM处理器经16路总线驱动芯片SN74ALVC164245，主要实现IO信号和STM32信号的电平转换。输入电路采用光耦隔离电路，输入公共端COM可根据外接信号量特征选择共阴或者共阳接法，优选光耦芯片TLP290-4，所述的光耦电路外部输入端至少包含一个分压电阻，一个限流电阻，内容输入端包含一个上拉至3.3V的电阻，接入ARM处理器中；输出电路需要驱动继电器，经过ULN2803达林顿管可增强带负载能力。
在具体实现中，上述的ARM处理器可以采用STM32处理器，具体为STM32F103VC，STM31F103系列微控制器以的CortexTM-M3为内核。ARM的CortexTM-M3处理器是最新一代的嵌入式ARM处理器，它为实现MCU的需要提供了低成本的平台、缩减的引脚数目、降低的系统功耗，同时提供卓越的计算性能和先进的中断系统响应。ARM的CortexTM-M3是32位的RISC处理器，提供额外的代码效率，在通常8和16位系统的存储空间上发挥了ARM内核的高性能。STM31F103系列微控制器内含多达11个定时器，可用于输入捕获/输出比较/PWM或脉冲计数的通道和增量编码器输入；多达112个快速多功能双向的I/O口，所有I/O口可以映像到16个外部中断；几乎所有端口均可容忍5V信号；12通道DMA控制器，可支持定时器、ADC、DAC、SDIO、I2S、SPI、I2C和USART等外设；支持串行单线调试和JTAG接口调试；同时支持多达13个通信接口，如I2C、USART、SPI、CAN、USB 2.0SDIO接口等。
上述无线通信模块采用CC2530zigbee无线通信芯片为主芯片，工作在2.4GHz全球通用的ISM(Industrial，Scientific and Medical)免付费频段上，并划分为16个信道，在该频段上，数据传输速率为250kb/s。除基于IEEE标准的RF和PHY/MAC层外，协议栈支持多种有效的网络拓扑，从简单的线性、星状网络到网状网络，提供串口RS232接口与STM32处理器进行通信，STM32处理器通过串口将数据发送到指定网络地址上，数据要经过由串口数据转换的射频信号，目标地址的模块接收到射频数据会产生应答，返还给源地址相应的数据应答帧，系统通过有效的应答数据来判断无线通信是否成功。
所述无线通信模块与ARM处理器的通信方式为RS232串口通信。
所述FLASH模块选用64M存储空间的W25X64flash芯片，该芯片功耗低、体积小，灵活，性能高，作为大容量的程序存储，支持标准外围接口(SPI)，数据读写时钟高达150MHz，具备可编程的写保护功能，提供灵活的控制。
而JTAG调试模块为10针接口，并通过外置的JTAG转接模块将10针接口转换为标准的20针接口，从而有效减小接口尺寸，更加适应本发明的控制器尺寸要求。标准的JTAG接口是4线：TMS，TCK，TDO，TDI，分别为模式选择、时钟、数据输出、数据输入，JTAG模式是在线编程和调试模式，可大大加快开发进度。
在具体应用中，上述运动控制装置每轴输出包含1路脉冲控制，1路方向控制，1路伺服使能控制，1路伺服报警控制，1路零位信号或者1路电机抱闸信号，1路24V伺服电源，1路5V对外电源。另外，还有一个IO信号接口，包含2路限位信号、1路零位信号和可扩展IO信号。通过上述运动控制装置与龙门架控制系统配合应用，首先离线编程系统规化每个三自由度机械臂的空间位置和姿态，生成空间坐标；再由龙门架控制系统控制龙门架将机械臂抓取至指定位置，然后龙门架控制系统通过无线通信，发送机械臂的调姿指令给本发明的运动控制装置，在运动控制装置内部实现运动控制算法，最后从伺服轴控制接口输出。
综上所述，本发明实施例所提供的运动控制装置采用独立的主CPU ARM处理器，能够对机械臂进行直接控制，无线通信只接受上位机的运动指令，所有运动控制均由ARM处理器内部完成，控制精度高，便于功能扩展；同时由于采用无线通信方式，减少大量繁琐的电气配线，简化装配工艺过程，能够有效的提高管路装配精度和装配效率；而且硬件控制板精简，线路简单，降低了硬件成本，结构紧凑小巧，便于在狭小的空间安装。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。
Claims (6)
1.一种三自由度机械臂运动控制装置，其特征在于，所述装置包括ARM处理器，供电模块，运动控制模块，伺服驱动模块，无线通信模块，FLASH模块，JTAG调试模块和开关量信号输入输出模块，其中：
所述ARM处理器与其他各个模块连接，由所述ARM处理器驱动其他模块完成对三自由度机械臂的运动控制；
所述供电模块采用分级转换的方式，由外部独立开关电源提供24V直流电源，并通过内部的电压转换模块和转换芯片分级转换为5V和3.3V电源，分别为其他各模块供电；
所述运动控制模块和伺服驱动模块的应用对象均为步进伺服电机；
所述运动控制模块包含PWM输出单元和方向控制单元，所述PWM输出单元输出3路PWM波输出信号，所述方向控制单元输出3路方向控制信号，3路PWM波输出信号和3路方向控制信号分别用于控制伺服电机的转速和转向，以实现单轴运动和三轴联动；
所述的伺服驱动模块包含伺服供电模块和伺服输入输出信号单元，所述伺服供电模块包含3路伺服供电电路，所述伺服输入输出信号单元包含3路伺服输入输出信号，其中，伺服输入信号为伺服报警信号，来自伺服的开关量输入信号，并采用光耦隔离输入电路接入所述ARM处理器中；伺服输出信号为伺服使能信号，由所述ARM处理器经继电器驱动输出；
所述无线通信模块能与其他同类型的无线通信设备进行通信；
所述开关量信号输入输出模块包含光耦隔离输入单元和达灵顿管输出单元，具体包括8路输入信号和5路输出信号。
2.根据权利要求1所述三自由度机械臂运动控制装置，其特征在于，
所述的ARM处理器采用STM32处理器，具体为STM32F103VC。
3.根据权利要求1所述三自由度机械臂运动控制装置，其特征在于，
所述无线通信模块采用CC2530 zigbee无线通信芯片为主芯片，工作在2.4GHz全球通用的ISM免付费频段上，并划分为16个信道，在该频段上，数据传输速率为250kb/s。
4.根据权利要求1所述三自由度机械臂运动控制装置，其特征在于，
所述无线通信模块与ARM处理器的通信方式为RS232串口通信。
5.根据权利要求1所述三自由度机械臂运动控制装置，其特征在于，
所述FLASH模块选用64M存储空间的W25X64 flash芯片。
6.根据权利要求1所述三自由度机械臂运动控制装置，其特征在于，
所述JTAG调试模块为10针接口，并通过外置的JTAG转接模块将10针接口转换为标准的20针接口。
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