CN109676633B - 三轴机械臂定点控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种三轴机械臂定点控制系统及通过该系统实现的三轴机械臂定点控制方法，属于伺服控制技术领域。三轴机械臂定点控制系统，包括上位机、控制模块及三轴伺服模块，上位机与控制模块进行通讯，发送控制命令和接收系统状态反馈；控制模块与三轴伺服模块连接，控制三轴机械臂的运动轨迹。三轴机械臂定点控制方法通过上位机发送控制命令并读取系统状态信息，采用控制模块中的单片机为核心控制器与三轴伺服电机控制器建立通讯，上位机发送控制命令给单片机并读取返回数据从而实现三轴机械臂的原点回归、定点控制、限位处理等功能。该三轴机械臂定点控制系统及其控制方法精度高、稳定性好、定点准确，具有良好的应用前景。

Description

三轴机械臂定点控制系统及方法

技术领域

本发明属于伺服控制技术领域，具体涉及一种三轴机械臂定点控制系统及通过该系统实现的三轴机械臂定点控制方法。

背景技术

科学技术的发展造就了一批批现代制造业的蓬勃发展，尤其是工业机器人，对人们的生产生活起着重要的作用。它主要分布在工业制造、海洋、医疗、宇宙空间等领域。在一些特殊行业中，工业机器人完全可以取代人从事的一些工作，降低了对工人的伤害性。此外，对于一些重复性工作或者对生产制造要求精度高的装配制造业，工业机器人的地位显得尤为重要，特别是在发达国家，工业机器人的普及率明显高于国内同等水平，并且其研究和开发的成果已开始产量化。

在汽车制造行业中，工业机器人被率先使用，经过多年的发展，工业机器人已经发展成为具有多种功能的自动化生产线，被广泛的使用在弧焊、喷涂、搬运、码垛、装配和激光加工中，这些领域是目前应用最广，也是最具有实际意义的。目前很多机器人技术都是以运动控制系统为核心，并不断趋于网络化。而运动控制系统一般是以伺服电机为控制对象，以运动控制器为核心，以电力电子等相关装置为执行机构来达到精准的定位、速度和转矩。

在运动控制系统中，伺服控制技术凭借着其高精确度、高稳定性和响应速度快的特点在工业自动化领域广泛应用。如今，为了适应产品多元化特点，满足控制精度与控制灵活度，交流伺服系统主要有以下特点：

网络化和模块化：为了能够满足现代工业控制中数据传输实时性、可靠性要求，现代制造业对产品有了更进一步的要求。在伺服驱动器中引入现场总线和工业以太网技术，满足各种拓扑结构的布置，不受距离的约束，实现控制的简便化。

高速高精度化：为了提高产品的精度，提升设备的运行速度，伺服电机采用高性能高精度的数字编码器，使得反馈信号变得更加准确。

高效率化：主要包括电机自身的高效率化，电机在运行的时候，能够对加减速有快速的响应，能够及时的将状态信息通过反馈装置传送给控制器等。

小型化：智能设备中，像小型3D打印机、喷涂机器人末端关节处，都装有交流伺服电机，为满足空间要求，其向着尺寸小型化的方向发展，如20mm，28mm外径等。

智能化：目前，绝大多数进口伺服驱动器都具备负载惯量测定和自动增益调整的功能，可自动测定比编码器的零位，具有参数记忆功能。

相较于传统的步进电机，伺服系统实现了位置，速度和力矩的闭环控制，克服了步进电机失步的问题；高速性能好，一般额定转速能达到2000～3000转；抗过载能力强，能承受三倍于额定转矩的负载，对有瞬间负载波动和要求快速起动的场合特别适用；低速运行平稳，低速运行时不会产生类似于步进电机的步进运行现象。适用于有高速响应要求的场合；电机加减速的动态相应时间短，一般在几十毫秒之内；发热和噪音明显降低，从而实现高精度、快速的定点控制。

发明内容

本发明的目的在于提供一种精度高、稳定性好、定点准确的三轴机械臂定点控制系统及通过该系统实现的三轴机械臂定点控制方法。

本发明的目的是这样实现的：

本发明提出了一种三轴机械臂定点控制系统，包括上位机、控制模块及三轴伺服模块，上位机与控制模块进行通讯，发送控制命令和接收系统状态反馈；控制模块与三轴伺服模块连接，控制三轴机械臂的运动轨迹；三轴伺服模块中包括三个伺服控制器，每个伺服控制器都与控制模块连接，同时每个伺服控制器还分别与限位检测单元和伺服电机相连接。

优选的，所述的控制模块中包括单片机，使用STM32控制板。

进一步的，所述的伺服电机分别连接位置控制器，速度控制器和电流控制器；位置控制器连接速度控制器，速度控制器连接电流控制器。

进一步的，所述的伺服电机通过编码器连接位置控制器和速度控制器。

本发明还提出了一种三轴机械臂定点控制方法，具体包括以下步骤：

(1)上位机发送控制命令并读取系统状态信息；

(2)三轴机械臂原点回归；

(3)三轴机械臂定点控制；

(4)三轴机械臂限位保护。

进一步的，所述的步骤(1)具体包括以下步骤：

(1.1)上位机按标准通信协议发送数据，控制模块对数据进行解析，添加标志位，执行定位过程；

(1.2)控制模块将伺服使能置位，同时控制模块中的单片机开始PWM及定时器计数，当到达指定个脉冲时，PWM停止，定时器计数停止；在定位过程中，控制模块通过定时中断采集编码器数值并将两次数值做差，将差值返回给上位机；

(1.3)定位结束后，控制模块通过串口发送一组定位完成信号给上位机，同时清除标志位，等待下一次信号到来。

进一步的，所述的步骤(2)中，上位机按标准通信协议通过串口发送指定数据，控制模块接收信号后进行解析，对应标志位置位，开启三轴机械臂原点回归方向的PWM输出，直到到达某一个限位停止PWM输出，同时将到达原点的信号返回，然后往相反方向进行移动，标志位复位。

进一步的，所述的步骤(3)具体包括以下步骤：

(3.1)上位机进行距离解算，按标准通信协议通过串口发送数据；

(3.2)控制模块对数据进行解析，添加标志位，执行定位过程；

(3.3)控制模块将伺服使能置位，同时控制模块中的单片机开始PWM及定时器计数，当到达指定个脉冲时，PWM停止，定时器计数停止；在定位过程中，控制模块通过定时中断采集编码器数值并将两次数值做差，将差值返回给上位机；

(3.4)定位结束后，控制模块通过串口发送一组定位完成信号给上位机，同时清除标志位，等待下一次信号到来。

进一步的，所述的步骤(4)具体包括以下步骤：

(4.1)系统初始化完成后，开启IO中断；

(4.2)控制模块进行IO中断检测，当IO中断触发后，停止计数中断和PWM输出，并清除脉冲标志位；

(4.3)程序禁止进行同向运动，同时将限位到达信号返回，等待下一次中断。

本发明的有益效果在于：本发明采用智能伺服同步技术代替传统的机械同步技术，伺服控制技术凭借着其高精确度、高稳定性和响应速度快的特点可以更好的实现高精度定点控制的需求。

本发明采用典型的控制回路串级控制结构，带有电流控制器、速度控制器和位置控制器，其中电流控制器可以确定电机的传动力矩；速度控制器用来调节电机的速度，并且可以根据负载的变化情况调节电机的电流；位置控制器可以将给定的位置与电机的实际位置的差值降到最低。这三个调节环节可以相互协调实现位置的跟随，实现了运动控制系统动态响应的快速性，稳态跟踪的高精度以及行为的鲁捧性。

本发明利用控制模块中的STM32单片机采用中断功能来实现各个模块的功能，提高了系统的响应速度与稳定性。

附图说明

图1为本发明中三轴机械臂定点控制系统的硬件结构示意图；

图2为本发明中伺服反馈系统结构图；

图3为本发明中三轴机械臂定点控制方法的控制流程图；

图4为本发明中三轴机械臂定位移动流程图；

图5为本发明中原点回归实现的流程图；

图6为本发明中限位保护流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步描述。

本发明提出了一种三轴机械臂定点控制系统，如图1所示为三轴机械臂定点控制系统的硬件结构，该系统包括上位机、STM32控制板和三轴伺服机构。上位机与STM32控制板进行通讯并发送控制命令和接收系统状态反馈以此达到控制三轴到达固定坐标位置的目的。STM32控制板连接三个伺服控制器，所述每个伺服控制器均连接限位检测单元和伺服电机，达到控制伺服电机的功能；

如图2所示，伺服控制器中具有电流控制器、速度控制器和位置控制器。其中电流控制器直接读取伺服电机的电流信息并建立反馈控制系统实时调节电机的传动力矩；速度控制器通过编码器与伺服电机建立反馈调节来控制电机的速度，并且可以根据负载的变化情况调节电机的电流；位置控制器通过编码器与伺服电机建立反馈调节可以将给定的位置与电机的实际位置的差值降到最低。这三个调节环节可以相互协调来实现位置的跟随，实现了运动控制系统动态响应的快速性，稳态跟踪的高精度性。

本发明还提出了一种三轴机械臂定点控制方法。如图3所示，系统的整体控制为上位机与STM32单片机进行数据通讯，STM32将接受的数据缓存并进行CRC校验以判断数据的完整性，若校验失败返回错误信号给上位机进行数据的重新发送。当数据校验成功后STM32进行外设工作状态判断，随后执行控制命令，当功能执行完毕后返回执行完毕命令给上位机

如图4所示，上位机进行距离解算，按标准通信协议通过串口发送数据。单片机开启串口中断接收数据随后关闭串口中断进行解析，添加标志位并开启计数中断，执行定位过程；当到达指定个脉冲时，PWM停止，关闭计数中断，定时器计数停止。在定位过程中，单片机将通过定时中断采集编码器数值并将两次数值做差，将差值返回给上位机；当定位结束后，串口会发送一组定位完成信号给上位机，同时清除标志位，开启串口中断等待下一次信号到来；

如图5所示，当STM32解析到原点回归命令后，关闭计数中断并将伺服方向置正后开启PWM输出直到到达限位后停止PWM输出并返回回归完成信号。

如图6所示，当限位被触发后STM32关闭IO中断，系统停止计数中断和PWM输出并进行脉冲标志位清除，系统不再响应当前限位方向的运动并开启IO中断等待限位触发。

本发明采用STM32单片机为核心控制器与三轴伺服电机控制器建立通讯，上位机发送控制命令给STM32并读取返回数据从而实现三轴原点回归、定点控制、限位处理等功能。实验结果表明，利用该方案可以使系统以超高的精确度和稳定性完成定位功能。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种三轴机械臂定点控制系统，包括上位机、控制模块及三轴伺服模块，其特征在于：上位机与控制模块进行通讯，发送控制命令和接收系统状态反馈；控制模块与三轴伺服模块连接，控制三轴机械臂的运动轨迹；三轴伺服模块中包括三个伺服控制器，每个伺服控制器都与控制模块连接，同时每个伺服控制器还分别与限位检测单元和伺服电机相连接，所述的控制模块中包括单片机，使用STM32控制板；所述的伺服电机分别连接位置控制器，速度控制器和电流控制器；位置控制器连接速度控制器，速度控制器连接电流控制器；所述的伺服电机通过编码器连接位置控制器和速度控制器，其中电流控制器直接读取伺服电机的电流信息并建立反馈控制系统实时调节电机的传动力矩；速度控制器通过编码器与伺服电机建立反馈调节来控制电机的速度，并且可以根据负载的变化情况调节电机的电流；位置控制器通过编码器与伺服电机建立反馈调节可以将给定的位置与电机的实际位置的差值降到最低，这三个调节环节可以相互协调来实现位置的跟随，实现了运动控制系统动态响应的快速性，稳态跟踪的高精度性，上位机与STM32控制板进行通讯并发送控制命令和接收系统状态反馈以此达到控制三轴到达固定坐标位置的目的，STM32控制板连接三个伺服控制器，所述每个伺服控制器均连接限位检测单元和伺服电机，达到控制伺服电机的功能；

所述三轴机械臂定点控制系统的控制方法具体包括以下步骤：

(1)上位机发送控制命令并读取系统状态信息；

(1.1)上位机按标准通信协议发送数据，控制模块对数据进行解析，添加标志位，执行定位过程；

(1.2)控制模块将伺服使能置位，同时控制模块中的单片机开始PWM及定时器计数，当到达指定个脉冲时，PWM停止，定时器计数停止；在定位过程中，控制模块通过定时中断采集编码器数值并将两次数值做差，将差值返回给上位机；

(1.3)定位结束后，控制模块通过串口发送一组定位完成信号给上位机，同时清除标志位，等待下一次信号到来；

(2)三轴机械臂原点回归；

所述的步骤(2)中，上位机按标准通信协议通过串口发送指定数据，控制模块接收信号后进行解析，对应标志位置位，开启三轴机械臂原点回归方向的PWM输出，直到到达某一个限位停止PWM输出，同时将到达原点的信号返回，然后往相反方向进行移动，标志位复位；

(3)三轴机械臂定点控制；

(3.1)上位机进行距离解算，按标准通信协议通过串口发送数据；

(3.2)控制模块对数据进行解析，添加标志位，执行定位过程；

(3.3)控制模块将伺服使能置位，同时控制模块中的单片机开始PWM及定时器计数，当到达指定个脉冲时，PWM停止，定时器计数停止；在定位过程中，控制模块通过定时中断采集编码器数值并将两次数值做差，将差值返回给上位机；

(3.4)定位结束后，控制模块通过串口发送一组定位完成信号给上位机，同时清除标志位，等待下一次信号到来；

(4)三轴机械臂限位保护；

(4.1)系统初始化完成后，开启IO中断；

(4.2)控制模块进行IO中断检测，当IO中断触发后，停止计数中断和PWM输出，并清除脉冲标志位；

(4.3)程序禁止进行同向运动，同时将限位到达信号返回，等待下一次中断；

系统的整体控制为上位机与STM32单片机进行数据通讯，STM32将接受的数据缓存并进行CRC校验以判断数据的完整性，若校验失败返回错误信号给上位机进行数据的重新发送，当数据校验成功后STM32进行外设工作状态判断，随后执行控制命令，当功能执行完毕后返回执行完毕命令给上位机；

上位机进行距离解算，按标准通信协议通过串口发送数据，单片机开启串口中断接收数据随后关闭串口中断进行解析，添加标志位并开启计数中断，执行定位过程；当到达指定个脉冲时，PWM停止，关闭计数中断，定时器计数停止，在定位过程中，单片机将通过定时中断采集编码器数值并将两次数值做差，将差值返回给上位机；当定位结束后，串口会发送一组定位完成信号给上位机，同时清除标志位，开启串口中断等待下一次信号到来；

当STM32解析到原点回归命令后，关闭计数中断并将伺服方向置正后开启PWM输出直到到达限位后停止PWM输出并返回回归完成信号；

当限位被触发后STM32关闭IO中断，系统停止计数中断和PWM输出并进行脉冲标志位清除，系统不再响应当前限位方向的运动并开启IO中断等待限位触发。

2.一种三轴机械臂定点控制方法，其特征在于，使用如权利要求1所述的三轴机械臂定点控制系统，具体包括以下步骤：

(1)上位机发送控制命令并读取系统状态信息；

(1.1)上位机按标准通信协议发送数据，控制模块对数据进行解析，添加标志位，执行定位过程；

(1.2)控制模块将伺服使能置位，同时控制模块中的单片机开始PWM及定时器计数，当到达指定个脉冲时，PWM停止，定时器计数停止；在定位过程中，控制模块通过定时中断采集编码器数值并将两次数值做差，将差值返回给上位机；

(1.3)定位结束后，控制模块通过串口发送一组定位完成信号给上位机，同时清除标志位，等待下一次信号到来；

(2)三轴机械臂原点回归；

所述的步骤(2)中，上位机按标准通信协议通过串口发送指定数据，控制模块接收信号后进行解析，对应标志位置位，开启三轴机械臂原点回归方向的PWM输出，直到到达某一个限位停止PWM输出，同时将到达原点的信号返回，然后往相反方向进行移动，标志位复位；

(4)三轴机械臂定点控制；

(3.1)上位机进行距离解算，按标准通信协议通过串口发送数据；

(3.2)控制模块对数据进行解析，添加标志位，执行定位过程；

(3.3)控制模块将伺服使能置位，同时控制模块中的单片机开始PWM及定时器计数，当到达指定个脉冲时，PWM停止，定时器计数停止；在定位过程中，控制模块通过定时中断采集编码器数值并将两次数值做差，将差值返回给上位机；

(3.4)定位结束后，控制模块通过串口发送一组定位完成信号给上位机，同时清除标志位，等待下一次信号到来；

(4)三轴机械臂限位保护；

(4.1)系统初始化完成后，开启IO中断；

(4.2)控制模块进行IO中断检测，当IO中断触发后，停止计数中断和PWM输出，并清除脉冲标志位；

(4.3)程序禁止进行同向运动，同时将限位到达信号返回，等待下一次中断；

系统的整体控制为上位机与STM32单片机进行数据通讯，STM32将接受的数据缓存并进行CRC校验以判断数据的完整性，若校验失败返回错误信号给上位机进行数据的重新发送，当数据校验成功后STM32进行外设工作状态判断，随后执行控制命令，当功能执行完毕后返回执行完毕命令给上位机；

上位机进行距离解算，按标准通信协议通过串口发送数据，单片机开启串口中断接收数据随后关闭串口中断进行解析，添加标志位并开启计数中断，执行定位过程；当到达指定个脉冲时，PWM停止，关闭计数中断，定时器计数停止，在定位过程中，单片机将通过定时中断采集编码器数值并将两次数值做差，将差值返回给上位机；当定位结束后，串口会发送一组定位完成信号给上位机，同时清除标志位，开启串口中断等待下一次信号到来；

当STM32解析到原点回归命令后，关闭计数中断并将伺服方向置正后开启PWM输出直到到达限位后停止PWM输出并返回回归完成信号；

当限位被触发后STM32关闭IO中断，系统停止计数中断和PWM输出并进行脉冲标志位清除，系统不再响应当前限位方向的运动并开启IO中断等待限位触发。

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