CN206242053U - 基于dsp控制系统的步进电机驱动三自由度机械手臂 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于DSP控制系统的步进电机驱动三自由度机械手臂，包括底座、腰部机械臂、大臂、小臂及控制装置，腰部机械臂设在底座的上端，大臂设在腰部机械臂的上端，小臂设在大臂的前端；腰部机械臂的内腔中设有腰部机械臂驱动电机，底座上端面设有竖向的腰部转轴，腰部机械臂驱动电机的电机轴与腰部转轴转动连接；腰部机械臂的上端固设有大臂滑块，大臂的下端固设有与滑槽匹配的水平的大臂滑轨。本实用新型机械结构简单、机械传动性能可靠，采用DSP对步进电机进行控制，充分利用DSP芯片强大的信号处理能力，结合DSP的中断处理机制，保证机械臂运动定位控制的实时性和准确性；采用传感器对机械臂的三个自由度进行位置测量保证了定位精度。

Description

基于DSP控制系统的步进电机驱动三自由度机械手臂

技术领域

本实用新型属于步进电机控制技术领域，主要涉及一种基于DSP控制系统的步进电机驱动三自由度机械手臂。

背景技术

机械手臂是机械人技术领域中得到最广泛实际应用的自动化机械装置，在工业制造、医学治疗、娱乐服务、军事、半导体制造以及太空探索等领域都能见到它的身影，尽管它们的形态各有不同，但它们都有一个共同的特点，就是能够接受指令，精确地定位到三维或二维空间上的某一点进行作业，适合现在高精度高效率的自动化生产要求。但现有的机械手臂大都结构复杂，控制精度差，亟待提高。

步进电机作为驱动装置的三自由度机械手臂和机器人在工业生产中应用十分广泛，如码垛、汽车生产中无缝焊接等。步进电机具有转子惯量低、无累积误差、易于定位和精确控制等特点。但在实际应用中，由于步进电机在旋转过程中必须要经历加速、平稳和减速的过程，可能会因启动频率过大而发生失步现象或因突然停止造成过冲现象，从而产生定位误差。另一方面，稳定的运动控制硬件电路是控制步进电机有效运行的关键，目前多使用基于单片机、可编程逻辑控制器的步进电机控制系统等，但是单片机或PLC控制方案存在的数据处理速度慢、传输速度受限等缺点，无法保证数据处理速度和机械手臂的运动性能。

实用新型内容

为了解决机械手臂结构复杂、控制精度差、运动性能差的技术问题，本实用新型提供一种基于DSP控制系统的步进电机驱动三自由度机械手臂。

本实用新型的技术方案是：

一种基于DSP控制系统的步进电机驱动三自由度机械手臂，包括底座、腰部机械臂、大臂、小臂及控制装置，腰部机械臂设在底座的上端，大臂设在腰部机械臂的上端，小臂设在大臂的前端；腰部机械臂的内腔中设有腰部机械臂驱动电机，底座上端面设有竖向的腰部转轴，腰部机械臂驱动电机的电机轴与腰部转轴转动连接；腰部机械臂的上端固设有大臂滑块，大臂滑块设有水平的滑槽，大臂的下端固设有与滑槽匹配的水平的大臂滑轨，大臂滑轨滑动卡装在对应的滑槽中；大臂靠近后端的上端面设有大臂驱动电机，大臂驱动电机的电机轴垂直穿入大臂的内腔中，位于大臂的内腔中的电机轴的下端套装有驱动齿轮，大臂的内腔中固设有与驱动齿轮匹配的水平设置的直齿条；大臂的前端固设有大臂固定座，小臂的下端固设有小臂下固定座，小臂下固定座通过第五转轴转动装配在大臂固定座中；小臂下固定座的上端穿装有第二转轴，第二转轴上套装有第一拉杆和第二拉杆，大臂靠近后端的上端面固设有小臂驱动电机，小臂驱动电机的电机轴套装有小臂转动架，第一拉杆的另一端通过第一转轴与小臂转动架穿装在一起；小臂的上端固设有小臂上固定座，小臂上固定座上套装有第二拉杆的另一端和转动座，转动座的一侧固定有回转座及回转座驱动电机，转动座的下端穿装有第四转轴，第四转轴套装有第三拉杆，大臂固定座的下端穿装有第六转轴，第三拉杆的另一端套装在第六转轴上；所述的腰部机械臂驱动电机、大臂驱动电机及小臂驱动电机均与控制装置电性连接。

优选的，所述的腰部机械臂的侧壁固设有电子罗盘，腰部机械臂靠近上端的侧壁固设有位移传感器，位移传感器的伸缩杆的前端固定在大臂的侧壁；小臂转动架上固定安装有倾角传感器；电子罗盘、位移传感器及倾角传感器均与控制装置电性连接；控制装置与上位机电性连接。

优选的，所述的控制装置包括DSP控制模块、腰部机械臂电机驱动器、大臂电机驱动器及小臂电机驱动器；所述的DSP控制模块采用TMS320F28335芯片，腰部机械臂电机驱动器、大臂电机驱动器及小臂电机驱动器均采用TB6560步进电机驱动器；腰部机械臂电机驱动器的U3_EN+管脚与DSP控制模块的U1_GPIO07管脚连接，U3_CW+管脚与U1_GPIO03管脚连接，U3_CLK+管脚与U1_GPIO02管脚连接；U3_A+管脚、U3_A-管脚、U3_B+管脚、U3_B-管脚均与腰部机械臂驱动电机连接；大臂电机驱动器的U5_EN+管脚与DSP控制模块的U1_GPIO08管脚连接，U5_CW+管脚与U1_GPIO05管脚连接，U5_CLK+管脚与U1_GPIO04管脚连接；U5_A+管脚、U5_A-管脚、U5_B+管脚、U5_B-管脚均与大臂驱动电机连接；小臂电机驱动器的U4_EN+管脚与DSP控制模块的U1_GPIO06管脚连接，U4_CW+管脚与U1_GPIO01管脚连接，U4_CLK+管脚与U1_GPIO00管脚连接；U4_A+管脚、U4_A-管脚、U4_B+管脚、U4_B-管脚均与腰部机械臂驱动电机连接；电子罗盘和倾角传感器均通过RS-485接口与DSP控制模块的U1_GPIO62管脚和U1_GPIO63管脚连接；位移传感器与DSP控制模块的U1_ADCINA1管脚连接。

优选的，所述的电子罗盘为高精度三维电子罗盘DCM260B。

优选的，所述的位移传感器为微型拉杆式直线位移传感器。

本实用新型的有益效果是：

本实用新型机械结构简单、机械传动性能可靠，采用DSP对步进电机进行控制，充分利用DSP芯片强大的信号处理能力，结合DSP的中断处理机制，保证机械臂运动定位控制的实时性和准确性；采用上位机对机械臂的运行速度、方向进行控制，对位置进行实时显示，可以代替目前大部分步进电机控制系统中的独立按键或者键盘，简化外围电路；采用传感器对机械臂的三个自由度进行位置测量保证了定位精度。

附图说明

图1是本实用新型的结构示意图；

图2是本实用新型的电路图；

图3是本实用新型的上位机控制界面。

图4是本实用新型的程序流程图；

图中：1为底座，2为腰部机械臂，3为大臂，4为小臂，5为腰部转轴，6为大臂滑块，7为大臂滑轨，8为小臂转动架，9为第一转轴，10为第一拉杆，11为第二转轴，12为小臂下固定座，13为第二拉杆，14为第三转轴，15为小臂上固定座，16为转动座，17为第四转轴，18为第三拉杆，19为回转座，20为第五转轴，21为第六转轴，22为大臂固定座，23为腰部机械臂驱动电机，24为大臂驱动电机，25为小臂驱动电机，26为回转座驱动电机，27为电子罗盘，28为位移传感器，29为倾角传感器，30为前水平限位开关，31为后水平限位开关，32为俯仰限位开关。

具体实施方式

本实用新型的具体实施方式参见图1-4，一种基于DSP控制系统的步进电机驱动三自由度机械手臂，包括底座、腰部机械臂、大臂、小臂及控制装置，腰部机械臂设在底座的上端，大臂设在腰部机械臂的上端，小臂设在大臂的前端；腰部机械臂的内腔中设有腰部机械臂驱动电机，底座上端面设有竖向的腰部转轴，腰部机械臂驱动电机的电机轴与腰部转轴转动连接；腰部机械臂的上端固设有大臂滑块，大臂滑块设有水平的滑槽，大臂的下端固设有与滑槽匹配的水平的大臂滑轨，大臂滑轨滑动卡装在对应的滑槽中；大臂靠近后端的上端面设有大臂驱动电机，大臂驱动电机的电机轴垂直穿入大臂的内腔中，位于大臂的内腔中的电机轴的下端套装有驱动齿轮，大臂的内腔中固设有与驱动齿轮匹配的水平设置的直齿条；大臂的前端固设有大臂固定座，小臂的下端固设有小臂下固定座，小臂下固定座通过第五转轴转动装配在大臂固定座中；小臂下固定座的上端穿装有第二转轴，第二转轴上套装有第一拉杆和第二拉杆，大臂靠近后端的上端面固设有小臂驱动电机，小臂驱动电机的电机轴套装有小臂转动架，第一拉杆的另一端通过第一转轴与小臂转动架穿装在一起；小臂的上端固设有小臂上固定座，小臂上固定座上套装有第二拉杆的另一端和转动座，转动座的一侧固定有回转座及回转座驱动电机，转动座的下端穿装有第四转轴，第四转轴套装有第三拉杆，大臂固定座的下端穿装有第六转轴，第三拉杆的另一端套装在第六转轴上；所述的腰部机械臂驱动电机、大臂驱动电机及小臂驱动电机均与控制装置电性连接。

腰部机械臂的侧壁固设有电子罗盘，腰部机械臂靠近上端的侧壁固设有位移传感器，位移传感器的伸缩杆的前端固定在大臂的侧壁；小臂转动架上固定安装有倾角传感器；电子罗盘、位移传感器及倾角传感器均与控制装置电性连接；控制装置与上位机电性连接。

控制装置包括DSP控制模块、腰部机械臂电机驱动器、大臂电机驱动器及小臂电机驱动器；所述的DSP控制模块采用TMS320F28335芯片，腰部机械臂电机驱动器、大臂电机驱动器及小臂电机驱动器均采用TB6560步进电机驱动器；腰部机械臂电机驱动器的U3_EN+管脚与DSP控制模块的U1_GPIO07管脚连接，U3_CW+管脚与U1_GPIO03管脚连接，U3_CLK+管脚与U1_GPIO02管脚连接；U3_A+管脚、U3_A-管脚、U3_B+管脚、U3_B-管脚均与腰部机械臂驱动电机连接；大臂电机驱动器的U5_EN+管脚与DSP控制模块的U1_GPIO08管脚连接，U5_CW+管脚与U1_GPIO05管脚连接，U5_CLK+管脚与U1_GPIO04管脚连接；U5_A+管脚、U5_A-管脚、U5_B+管脚、U5_B-管脚均与大臂驱动电机连接；小臂电机驱动器的U4_EN+管脚与DSP控制模块的U1_GPIO06管脚连接，U4_CW+管脚与U1_GPIO01管脚连接，U4_CLK+管脚与U1_GPIO00管脚连接；U4_A+管脚、U4_A-管脚、U4_B+管脚、U4_B-管脚均与腰部机械臂驱动电机连接；电子罗盘和倾角传感器均通过RS-485接口与DSP控制模块的U1_GPIO62管脚和U1_GPIO63管脚连接；位移传感器与DSP控制模块的U1_ADCINA1管脚连接。电子罗盘为高精度三维电子罗盘DCM260B。位移传感器为微型拉杆式直线位移传感器。

TMS320F28335芯片相对与以往的DSP、单片机和PLC，具有强大的信号处理能力和专用于电机控制的增强型脉宽调制模块，产生三路PWM脉冲和三路GPIO高低电平控制步进电机的转速和方向。步进电机的转速与脉冲频率成正比，角位移与脉冲个数成正比。

TB6560步进电机驱动器的驱动原理：CLK端口为脉冲端，接受DSP的EPWM模块发送的脉冲，输出一个脉冲，驱动器驱动电机转动一个步距角，无脉冲时自动进入所设定的半流状态，锁定电机。CW端口为方向端，接收DSP的GPIO口发送的高低电平，当为低电平电机正转，高电平时电机反转。EN端口为使能端，也是接收DSP发送的高低电平，当为低电平时为工作状态，高电平时为脱机状态。驱动器采用24V直流电源供电。

大臂位移采用拉杆式直线位移传感器进行测量，将伸缩位移转换为与之成比例的电压信号，送至DSP的模拟量采集模块。腰部机械臂水平方向上旋转的角度采用三维电子罗盘进行测量，小臂旋转角度采用垂直安装的倾角传感器进行测量，电子罗盘与倾角传感器的角度值通过各自的RS232/485转换器送至DSP控制器的同一个SCI模块，并通过上位机实时显示。

参照图3所示，本实用新型采用图形化软件开发环境LabVIEW编写上位机通信界面，上位机与DSP控制模块通过USB转232串口线连接，利用其中的VISA节点来实现串行通讯。用户首先需要对串口进行设置，选择通讯串口，与SCI模块配置相同的波特率、数据位、校验位和停止位，然后单击打开串口，串口指示灯显示正常说明通讯成功。接着可以根据需要对机械臂进行控制，在工作状态时，可以对机械臂进行速度，位置和方向的控制，并能实时显示机械臂的位置信息。

参照图4所示，本实用新型的控制系统的软件编程流程图如下，主程序由五个并行运行的线程组成：

1）定时器1中断控制的控制线程，完成电机控制矢量的生成

根据当前位置信息与目标位置的差，产生控制矢量，并启动EPWM1、EPWM2、EPWM3的PWM波输出操作，及GPIO口的高低电平。

2）定时器0控制的485总线传感器轮询线程，完成读角度命令帧的发送

分别发送读角度命令帧给三维电子罗盘（腰部机械臂）和倾角传感器（小臂）。

3）串口1中断控制的数据采集解析线程，完成各传感器数据的采集与解析

根据返回数据帧的协议，完成腰部机械臂角度和小臂角度信息的更新；

4）串口2中断控制的上位机指令解析线程

根据接收的命令帧，解析上位机传送的控制指令，更新目标位置信息。

5）ADC中断控制的模拟量采集解析线程

完成模拟量的采集，更新大臂水平伸缩距离信息。

以上所述的实施例仅仅是对本实用新型的优选实施方式进行描述，在不脱离本实用新型设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本实用新型的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本实用新型权利要求书确定的保护范围内。

Claims (5)

1.一种基于DSP控制系统的步进电机驱动三自由度机械手臂，其特征在于，包括底座、腰部机械臂、大臂、小臂及控制装置，腰部机械臂设在底座的上端，大臂设在腰部机械臂的上端，小臂设在大臂的前端；腰部机械臂的内腔中设有腰部机械臂驱动电机，底座上端面设有竖向的腰部转轴，腰部机械臂驱动电机的电机轴与腰部转轴转动连接；腰部机械臂的上端固设有大臂滑块，大臂滑块设有水平的滑槽，大臂的下端固设有与滑槽匹配的水平的大臂滑轨，大臂滑轨滑动卡装在对应的滑槽中；大臂靠近后端的上端面设有大臂驱动电机，大臂驱动电机的电机轴垂直穿入大臂的内腔中，位于大臂的内腔中的电机轴的下端套装有驱动齿轮，大臂的内腔中固设有与驱动齿轮匹配的水平设置的直齿条；大臂的前端固设有大臂固定座，小臂的下端固设有小臂下固定座，小臂下固定座通过第五转轴转动装配在大臂固定座中；小臂下固定座的上端穿装有第二转轴，第二转轴上套装有第一拉杆和第二拉杆，大臂靠近后端的上端面固设有小臂驱动电机，小臂驱动电机的电机轴套装有小臂转动架，第一拉杆的另一端通过第一转轴与小臂转动架穿装在一起；小臂的上端固设有小臂上固定座，小臂上固定座上套装有第二拉杆的另一端和转动座，转动座的一侧固定有回转座及回转座驱动电机，转动座的下端穿装有第四转轴，第四转轴套装有第三拉杆，大臂固定座的下端穿装有第六转轴，第三拉杆的另一端套装在第六转轴上；所述的腰部机械臂驱动电机、大臂驱动电机及小臂驱动电机均与控制装置电性连接。

2.根据权利要求1所述的基于DSP控制系统的步进电机驱动三自由度机械手臂，其特征在于，所述的腰部机械臂的侧壁固设有电子罗盘，腰部机械臂靠近上端的侧壁固设有位移传感器，位移传感器的伸缩杆的前端固定在大臂的侧壁；小臂转动架上固定安装有倾角传感器；电子罗盘、位移传感器及倾角传感器均与控制装置电性连接；控制装置与上位机电性连接。

3.根据权利要求2所述的基于DSP控制系统的步进电机驱动三自由度机械手臂，其特征在于，所述的控制装置包括DSP控制模块、腰部机械臂电机驱动器、大臂电机驱动器及小臂电机驱动器；所述的DSP控制模块采用TMS320F28335芯片，腰部机械臂电机驱动器、大臂电机驱动器及小臂电机驱动器均采用TB6560步进电机驱动器；腰部机械臂电机驱动器的U3_EN+管脚与DSP控制模块的U1_GPIO07管脚连接，U3_CW+管脚与U1_GPIO03管脚连接，U3_CLK+管脚与U1_GPIO02管脚连接；U3_A+管脚、U3_A-管脚、U3_B+管脚、U3_B-管脚均与腰部机械臂驱动电机连接；大臂电机驱动器的U5_EN+管脚与DSP控制模块的U1_GPIO08管脚连接，U5_CW+管脚与U1_GPIO05管脚连接，U5_CLK+管脚与U1_GPIO04管脚连接；U5_A+管脚、U5_A-管脚、U5_B+管脚、U5_B-管脚均与大臂驱动电机连接；小臂电机驱动器的U4_EN+管脚与DSP控制模块的U1_GPIO06管脚连接，U4_CW+管脚与U1_GPIO01管脚连接，U4_CLK+管脚与U1_GPIO00管脚连接；U4_A+管脚、U4_A-管脚、U4_B+管脚、U4_B-管脚均与腰部机械臂驱动电机连接；电子罗盘和倾角传感器均通过RS-485接口与DSP控制模块的U1_GPIO62管脚和U1_GPIO63管脚连接；位移传感器与DSP控制模块的U1_ADCINA1管脚连接。

4.根据权利要求3所述的基于DSP控制系统的步进电机驱动三自由度机械手臂，其特征在于，所述的电子罗盘为高精度三维电子罗盘DCM260B。

5.根据权利要求4所述的基于DSP控制系统的步进电机驱动三自由度机械手臂，其特征在于，所述的位移传感器为微型拉杆式直线位移传感器。