机械设计与制造
５２
文章编号：１００１—３９９７（２０】１）１２－００５２－０３
Ｍａｃｈｉｎｅｒｙ
Ｄｅｓｉｇｎ＆Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅ
第１２期２０１１年１２月
一种多关节智能机械手臂控制系统设计
关智
（沈阳职业技术学院计算机系，沈阳１０００４５）
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ＧＵＡＮＺｈｉ
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（ＤｅｐａｒｔｍｅｎｔｏｆＣｏｍｐｕｔｅｒ，ＳｈｅｎｙａｎｇＰｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃＣｏｌｌｅｇｅ，Ｓｈｅｎｙａｎｇ１０００４５，Ｃｈｉｎａ）
【摘要】在实际生产过程中，许多生产环境和工艺都要求机械手应具有准确定位和控制灵活的特性以满足生产，因而设计了多关节智能机械手臂模型，并通过工业现场总线ＣＡＮ对其进行分布式控
制。阐述了机械手臂的构成７Ｌ－Ｙ－作原理，设计了４自由度的多关节机械手臂以及基于ＣＡＮ总线控制系
统的机械手臂总体控制流程，给出了ＣＡＮ总线控制关节模块的硬件连接方案和软件编程内容。该设计提高了机械手的可靠性、智能性和控制精度。
关键词：机械手臂；ＣＡＮ总线；ＳＪＡｌ０００控制器；ＰＣＡ８２Ｃ２５０
【Ａｂｓｔｒａｃｔ】／ｎｔｈｅａｃｔｕａｌｐｒｏｃｅｓｓ，ｔｈｅｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔｏｆｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎａｎｄｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｒｅｑｕｉｒｅｔｈａｔ
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ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ；ＰＣＡ８２Ｃ２５０
中图分类号：ＴＨｌ６文献标识码：Ａ
１前言
工业机械手臂是近代自动控制领域中出现的一项新技术，并已成为现代机械制造生产系统中的一个重要组成部分，这种新技术发展很快，其涉及到力学、机械学、电器液压技术、自动控制技术、传感器技术和计算机技术等科学领域，是－－ｆｌ跨学科综合技术，要满足当今多关节智能机械手臂的设计，必须依靠强大的网络控制总线，ＣＡＮ总线是国际上应用最广泛的现场总线之一，也是机械工业领域首选的现场总线。
将多关节机械手臂的各个关节模块通过ＣＡＮ总线进行分
轮、磁盘磁带、穿孔卡等记录程序，主要控制的是坐标位置。并注意其加速度特性。
在设计机械手臂的机械控制系统中。多采用步进电机及伺服电机操作的方式。步进电动机是将脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件，在非超载的情况下，电动机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，即给电动机加—个脉冲信号，电动机则转过—个步距角。这一线性关系的存在，加上步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特点，使得在速度、位置等控制领域用步进电机来控制变的非
布式控制，可以突出体现出可靠性、实时性和灵活性的糕点，使机
械手臂更好的发挥其功能（１１。
常的简单。伺服电动机又叫执行电动机，它将所收到的电信号转换成电动机轴上的角位移或角速度输出，其执行精度非常高，但相对步进电动机成本较高。
伺服主要靠脉冲来定位，伺服电机接收到１个脉冲，就会旋转１个脉冲对应的角度，从而实现位移。因为，伺服电机本身具备发出脉冲的功能，所以伺服电机每旋转一个角度，都会发出对应数量的脉冲，这样，和伺服电机接受的脉冲形成了呼应，或者叫闭环。如此一来，系统就会知道发了多少脉冲给伺服电机，同时又收了多少脉冲回来。这样，就能够很精确的控制电机的转动，从而实现精确的定位日。
设计采用的是电动式机械手臂，机械手臂的各关节模块自由度运动分别采用步进电动机的方式来驱动。
２机械手臂关节模块
２．１构成以及工作原理
工业机械手由执行机构、驱动机构和控制机构三部分组成。执行机构由手部、腕部、臂部、手臂等部件。驱动机构是工业机械手的重要组成部分，根据动力源的不同，工业机械手的驱动机构大致可分为液压、气动、电动和机械驱动等四类，采用液压机构驱动机械手，结构简单、尺寸紧凑、重量轻、控制方便。在机械手的控制上，有点动控制和连续控制两种方式，大多数用插销板进行点位控制，也有采用可编程序控制器控制、微型计算机控制，采用凸
★来稿日期：２０１ｌ也一１４
万方数据
第１２期
关智：一种多关节智能机械手臂控制系统设计
５３
２２多关节模块设计
设计的机械手臂是一种４自由度的抓物机械手臂，如图１所示机械手臂甫４个活动关节构成．可以在两个ｆ而的水平和乖直方向运动．用４个电机分别带动每个活动关节转动，从而带动４个活动臂来完成运动。当控制机械手臂行动目标的信号发Ｈｉ后，传感部件将物体的位置（ｘ、ｙ、Ｚ坐标）信号传递给控；例器，然后控制器发ｍ控制信号控制步进电机，步进电机带动各个关节旋转，从而使得与之扣台的横臂运动，行走机械部分开始运动。当行走机械部分停ＪＰ后，从外部发来・个手臂启动信号，拄制器发出抓物信号，经由集成驱动电路单元放大整合后发给们服电机，使得机械手抓闭合，执行抓物：抓物过程结束后，于臂控制系统发送一个动作完成成功信号同馈给控制电路目。
作．通过对总线的监洲吲空制，完成所需的枷麻功能。同时．各个｛，点也将机械手臂动作的实时信息通过ＣＡＮ接广ｉ传送到ＣＡＮｂｕｓ上，进而形成完整的闭环控制系统。系统的总体控制流程，如
降ｉ３所示，
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３机械手臂ＣＡＮ总线控制系统
３．１硬件系统设计
ＣＡＮ总线控制系统设计最通用、最广泛的方法是采用微控
刚ｌ机械手臂多戈节设计同
ＦｉｇＩ
Ｄｅｓｉｇｎ
ｏｆｔｈｅｍｅｃｈａｎｉｃａｌ
柳器｛单片机、ＡＲＭ、ＤＳＰ）与ＣＡＮ控制器和ＣＡＮ收发器相结合的方式，接口的结构，如罔４所示．所设计的机械手臂ＣＡＮ总线控制系统使用的是目前市场Ｉ‘使用最为普遍和流行的独立ＣＡＮ总线控制器ｓＪＡ１０００，以及高速ＣＡＮ总线收发器ＰＣＡ８２Ｃ２５０月。
ａ邢Ｊｏｉｎｔ
多关节机械手臂的控制设计，如图２所示。其中Ａ组电缆接步进电机１的控制端．当步进电机接收单片机发出的脉冲时，带动机械手臂Ｉ关节转动。同理．Ｂ、Ｇ、Ｄ组电缆接步进电机２、３、４的控制端，分别控静Ｊ机械手臂２、３．４关节的转动。符个控制关节单元模块与总控制器相连，由Ｐｃ机作为总控制器，利用上位机操作软件来发出控制命令。
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Ｆｉ９４ＳｌｒｕｃｔｕｒｅｏｆＣＡＮｂｕｓｉｎｔｅｒｆａｃｅ
哪Ａ１００渺是一种独立的ＣＡＮ控制器，它是Ｐｈｉｌｉｐｓ半导体公司ＰＣＡ８２Ｃ２００ＣＡＮ控制器的替代品，而且还增加了一种新的操作模式一ＰｅｌｉＣＡＮ，这种模式支持具有很多新特性的ＣＡＮ２０协议，主耍用于移动目标和一般工业环境中的区域网络控制。ＳＪＡｌ０００的接口管理逻辑负责解释来自ＣＰＵ的命令，控制ＣＡＮ寄存器的寻址，向ＣＰＵ提供中断信息和状态信息，其发送缓冲器是ＣＰＵ和位流处理器之问的接门，负责存储发送到ＣＡＮ总线上
图２机械手臂关节控制设计图
Ｆｉｇ．２
Ｄｅｓｉｇｎｏｆｔｈｅｍｅｃｈａｎｉｃａｌ
的一条完整的撤史．接收缓冲器是验收滤波器和ＣＰＵ之间的接
ｃｏｎｔｒｏｌ
ａ唧ｊｏｉｎｔ
口，用来存储从ＣＡＮ总线Ｉ：接收并被确认的信息。
ＰＣＡ８２Ｃ２５０ｔ１是ＣＡＮ控制器与物理总线之间的接口，器件可以提供对总线的差动发送和接收功能。ＰＣＡ８２Ｃ２５０驱动电蹄内部具有限流电路，ｎｒ防止发送输出级对电源、地或负载短路。虽然短路出现时功耗增加，但不至于使输Ｈ｛级损坏。若结温超过大约１６０％：，则两个发送器输出端极限电流将减小．
拄制系统的硬件接口部分主要由微控制器（可以选用单片
２．３总体控制流程设计
设计的多关节智能机械手臂利用工业ＣＡＮ总线作为其各个关节模块的控制网络，其中机械手臂的各个关节模块为控制网络中的一个节点，将各个关节模块搭建在ＣＡＮ总线上，每个节点的关节模块均通过ＣＡＮ总线接口连接在ＣＡＮｂｕｓ七，各个节点从ＣＡＮ总线接收需要的数据包．从而通过控制器对机械手臂动
万方数据
Ｎｏ．Ｊ２
机械设计与制造
机、ＡＲＭ、ＤＳＰ等）、ＣＡＮ总线控制器（设计使用ＳＪＡｌ０００）和ＣＡＮ总线收发器（设计使用ＰＣＡ８２Ｃ２５０）构成，硬件电路图，如图５所
Ｄｅｃ．２０ｌ１
缓冲区是否锁定；判断完成之后．就可以将待发送的数据写人发
送缓冲区；最后．置位发送请求位，将数据报文发出。在发送报文
过程中．傲控制器将系统需要发送的信息整理打包．以报文的形式通过ＣＡＮ总线接口发送到ＣＡＮＢｕｓ上。发送时用户只需将待发送的报文按ｆｌｌｌ一定的格式组合成一帧报文。将其写入ＳＪＡｌ０００
示。ＣＡＮ控制器实现了物理层和数据链路层的通信功能，提供了
与镦控制器和总线的物理线路接口，用户只需编写符合自己通信控制要求的应用层协议即可凡
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慷嗍抖
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的发送缓冲区中．然后置位ＳｉＡｌ０００的发送请求标志位．即可完
成报文的发ｉ犁ｑ。
发送之前要判断ｔ次发送是否结束，当ｓＪ＾１０００正在发送
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Ｆｉｇ．５
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报文时，发送缓冲嚣馥虢定．因此，在将新报文放人发送缓冲器之
前．坯必须检查状态寄存器中的发送缓冲器状态标志位．等待报文被发送完成。
接收报文的步骤如下：
首先，访问状态暂自锵。判断接收缓冲区是否为满；若ＳＪＡｌ０００
接收缓冲区状态为满．则表示接ｌｌ叟缓冲区中巳接收到总线Ｅ传来的
ｄｉａｇｒａｍ
效据，这时可以将缓冲区数据读取．并保存；最后．访问命令寄存器，
释放接收缓冲区。等待下—帧报文传来。
微控制釉通过ＣＡＮ总线接口从ＣＡＮｂｕｓ上收到报文，对报
ＳＪＡｌ０００的片选端ｃｓ低电平有效，通过反相器连接到搬控制器的ＧＰＩＯ引脚，当ＧＰＩＯ引脚为高电平时，微控制器存储器地址可选中ｓＪＡ０００。封Ａ１０００的复位端接傲控制器的ＧＰＩＯ弓Ｉ脚．ＳＪＡｌ０００是低电平复位。ＳＪＡｌ０００的ＲＤ、ｗＲ、ＡＬＥ引脚分别接馓
文进行解析与处理．从而进行之后的工作。接收报文时可以采用
中断或查询的方式．当ＳＪＡｌ０００接收到一组报文后．报文通过验
控制器的对应功能端．通过这些控制国写信号的操作，完成数据
和地址的通信。ｓｊＡｌ０００的】ｌ脚ＭＯＤＥ接高电平．从而选择
Ｉｎ嘲＝分频模式。ＳＪＡｌ０００的１６脚ＩＮＴ是中断信号输出端．在中断允许的情况下．有中断发生时．ＩＮＴ脚出现由高到低的电平跳变．因此ＩＮＴ脚直接与搬控制器的外部中断引脚相连接．从而使
收滤波存放在接收缓冲器中，然后释放接收缓冲区，等待下一组
报文的接收。
４小结
设计并介绍了基于工业现场总线ＣＡＮ控制的多关节智能
微控制器可以通过中断方式访问ｓｌＡｉＯＧＯ。ＳＪＡｌ０００的ＡＤＯ—
机械手臂系统．通过ＣＡＮ总线对该机械手臂的各个关节进行控制．可以实现多节点统一控制与实时监测。充分发挥网络通信与
机坂手臂系统的运行功能。
ＡＤ７引脚为地蛐嗽据复用线。应与微控制器对应的数据触址复
用线相连，从而进行地址和数据的读写。ＳＪＡｌ０００的发送输出端
ＴＸＯ与接收输Ａ端ＲｘＯ分别与ＣＡＮ总线接口收发控制器
ＰＣＡ８２Ｃ２５０的ＴＸＤ和ＲＸＤ相连，ＰＣＡ８２Ｃ２５０的ＣＡＮＨ与ＣＡＮＬ引脚直接与ＣＡＮ物理总线相连。
同时这种控箭景统比直接用单片机来控制机械手更加可
靠．更加方便．对机械手臂与现场总线ＣＡＮ的实际应用具有一定的参考价值，促进了机械手智能化的发展。
３．２软件系统设计
软件系统设计主要包括初始化、报文发送、报文接收三大部分．机械手臂的控制系统通过ＣＡＮ总线接口从ＣＡＮｂｕｓ上收到报文数据包。经过通讯协议的解析，控制电机运转，完成机械手的动作．同时．将机梭手的实时状态信息再通过ＣＡＮ总线接口发送到ＣＡＮｂｕｓ上。从而实现对系统的反馈控制与实时监测ｍ。
◆考文献
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【２】ｔ敏．何勇基于Ｐｃ机和单片机的多机械手远程控制系统［Ｊ］．微电脑
应用，２００４（６）：１４１—１４３．
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２００８（９）：３５—３７
［４］ＳｅｍｉｃｏｎｄｕｃｌｏｒｓＰＳＪＡｌ０００ｓｔａｎｄ＿ａｌｏｎｅＣＡＮ＇ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ［Ｚ］－ＰＨ］Ｌｆｌ丐
ＤＡＴＡＳＨＥＥＴ．２０００．
控制系统的初始化对ＣＡＮ总线的正常工作非常重要，初始化只能在复位模式下才能进行．初始化中关键的步骤是＇赶置ＳＪＡｌ０００内部寄存器的参数．使其为报文的发送与接收蠼好准备％
韧始化的步骤有：
首先是ｓＪＡｌ０００自测．检查是否正常；之后进入复位模式．准备进行初始化：设置验收滤波器（通常将ｓ，Ａ１０００设置在无屏蔽的发送和接收数据），接着设置通讯所需的波特率．设置ｓＩＡｌ０００的
［５］Ｓｅｍ／ｃｏｎｄｕｃｔｏｒｓｐ．ＰＣＡ８２Ｃ２５０ＣＡＮｃｏｎｔｍｌｌｅｒｉｎｔｅｒｆａｃｅ［ｚ］．ＰＨＩＩＡＰＳ
ＤＡＴＡＳＨＥＥｒ．２０００，
（６］侯明。牡囊基于ＣＡＮ总线的接口电路避计１刃．通信技术，２００８．４ｌ（７）：
１３８一ｌ柏．
［７］陆前锋．刘渡．陈明昭基于Ｓ．ＩＡＩ｛Ｘ）Ｏ的ＣＡＮ总线智能控翻系统设计
［Ｊ］自动化技术与应用，２００３，２２（Ｉ）：６１－６４．
［Ｂ］夏继强．邢春香．现场总线工业控制网络技术［Ｍ］一￡京：北京航空靛夭
大学出版杜．２００５
工作方式（通常将ＳＪＡｌ０００设置在正常工作馘）；然后开放中断，
开始接收或发送数据，返回其工作状态。
发送报文的步骤如下：
使微控制器通过中断方式访问甜Ａ１０００；最后退出复位模式．准备
【９】韩斌．张●．何建新ＣＡＮ总线在控制系统中的应用［Ｊ］成都信息工程
学院掌报．２００３，１８｛４）：３３９－３４２．
［１０］赛晴．赳睦水基于ＣＡＮ总线通信协议的设计与实现［Ｊ］散计算机信
息．２００７，２３（１１）：２２－２４．
首先，访问状态寄存器，判断上次发送是否完成，判断发送
万方数据
一种多关节智能机械手臂控制系统设计
作者：
作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：
关智， GUAN Zhi
沈阳职业技术学院计算机系,沈阳,100045机械设计与制造
Machinery Design & Manufacture2011(12)
参考文献(10条)
1. 邓志平 机械制造技术基础 2004
2. 董毅;何勇 基于PC机和单片机的多机械手远程控制系统[期刊论文]-微电脑应用 2004(06)3. 陈杨;费凌;郑亮 基于80C51的抓物机械手臂设计[期刊论文]-机械工程师 2008(09)4. Semiconductors P SJA1000 stand-alone CAN controller 20005. Semiconductors P PCA82C250 CANcontroller interface 20006. 侯明;杜奕 基于CAN总线的接口电路设计[期刊论文]-通信技术 2008(07)
7. 陆前锋;刘波;陈明昭 基于SJA1000的CAN总线智能控制系统设计[期刊论文]-自动化技术与应用 2003(01)8. 夏继强;邢春香 现场总线工业控制网络技术 2005
9. 韩斌;张睿;何建新 CAN总线在控制系统中的应用[期刊论文]-成都信息工程学院学报 2003(04)10. 窦鹏;刘胜永 基于CAN总线通信协议的设计与实现[期刊论文]-微计算机信息 2007(11)
本文链接：http://d.wanfangdata.com.cn/Periodical_jxsjyzz201112020.aspx
机械设计与制造
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文章编号：１００１—３９９７（２０】１）１２－００５２－０３
Ｍａｃｈｉｎｅｒｙ
Ｄｅｓｉｇｎ＆Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅ
第１２期２０１１年１２月
一种多关节智能机械手臂控制系统设计
关智
（沈阳职业技术学院计算机系，沈阳１０００４５）
Ａｋｉｎｄｏｆｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍｄｅｓｉｇｎｆｏｒｍｕｌｔｉｐｌｅ
ＧＵＡＮＺｈｉ
ｊｏｉｎｔｍａｃｈｉｎｅａｒｍ
（ＤｅｐａｒｔｍｅｎｔｏｆＣｏｍｐｕｔｅｒ，ＳｈｅｎｙａｎｇＰｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃＣｏｌｌｅｇｅ，Ｓｈｅｎｙａｎｇ１０００４５，Ｃｈｉｎａ）
【摘要】在实际生产过程中，许多生产环境和工艺都要求机械手应具有准确定位和控制灵活的特性以满足生产，因而设计了多关节智能机械手臂模型，并通过工业现场总线ＣＡＮ对其进行分布式控
制。阐述了机械手臂的构成７Ｌ－Ｙ－作原理，设计了４自由度的多关节机械手臂以及基于ＣＡＮ总线控制系
统的机械手臂总体控制流程，给出了ＣＡＮ总线控制关节模块的硬件连接方案和软件编程内容。该设计提高了机械手的可靠性、智能性和控制精度。
关键词：机械手臂；ＣＡＮ总线；ＳＪＡｌ０００控制器；ＰＣＡ８２Ｃ２５０
【Ａｂｓｔｒａｃｔ】／ｎｔｈｅａｃｔｕａｌｐｒｏｃｅｓｓ，ｔｈｅｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔｏｆｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎａｎｄｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｒｅｑｕｉｒｅｔｈａｔ
ｔｏ
ｍｅｃｈａｎ—
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ｉｃａｌｓｈｏｕｌｄｈａｖｅｔｈｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ
ｏｆａｃｃｕｒａｔｅｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇａｎｄｆｌｅｘｉｂｌｅｃｏｎｔｒｏｌ
ａｒｍ
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ｂｕｓＣＡＮ．Ｄｅｓｃｒｉｂｅｄｔｈｅｍｅｃｈａｎｉｃａｌ
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ｏｆｔｈｅｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎａｎｄｗｏｒｋｉｎｇｐｒｉｎｃｉｐｌｅ．Ｉｔ
Ｏｎ
ｄｅｓｉｇｎｓ
４．．ＤＯＦ
ｍｕｌｔｉ－ｊｏｉｎｔｒｏｂｏｔｉｃｔＴｄ＇ｍａｎｄｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍｂａｓｅｄ
ＣＡＮｂｕｓｐｒｏｃｅｓｓｏｖｅｒａｌｌｍｅｃｈａｎｉ－
ｃａｌａｒｍ．Ｈａｒｄｗａｒｅ
ｃｏｎｎｅｃｔｉｖｉｔｙｓｏｌｕｔｉｏｎｓａｎｄ
ｓｏｆｉｗａｒｅ
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ＣＡＮｂｕｓ’ｓ
ｊｏｉｎｔ
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ｍｏｄｕｌｅａｒｅｇｉｖｅｎ．Ｔｈｅｄｅｓｉｇｎｔｒｏｌｐｒｅｃｉｓｉｏｎ．
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ｏｌ＇ｍｉｍｐｒｏｖｅｓｍａｎｉｐｕｌａｔｏｒｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ，ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｃｅａｎｄ
ｗｏｒｄｓ：Ｍａｃｈｉｎｅａｒｍ；ＣＡＮｂｕｓ；ＳＪＡｌ０００
ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ；ＰＣＡ８２Ｃ２５０
中图分类号：ＴＨｌ６文献标识码：Ａ
１前言
工业机械手臂是近代自动控制领域中出现的一项新技术，并已成为现代机械制造生产系统中的一个重要组成部分，这种新技术发展很快，其涉及到力学、机械学、电器液压技术、自动控制技术、传感器技术和计算机技术等科学领域，是－－ｆｌ跨学科综合技术，要满足当今多关节智能机械手臂的设计，必须依靠强大的网络控制总线，ＣＡＮ总线是国际上应用最广泛的现场总线之一，也是机械工业领域首选的现场总线。
将多关节机械手臂的各个关节模块通过ＣＡＮ总线进行分
轮、磁盘磁带、穿孔卡等记录程序，主要控制的是坐标位置。并注意其加速度特性。
在设计机械手臂的机械控制系统中。多采用步进电机及伺服电机操作的方式。步进电动机是将脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件，在非超载的情况下，电动机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，即给电动机加—个脉冲信号，电动机则转过—个步距角。这一线性关系的存在，加上步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特点，使得在速度、位置等控制领域用步进电机来控制变的非
布式控制，可以突出体现出可靠性、实时性和灵活性的糕点，使机
械手臂更好的发挥其功能（１１。
常的简单。伺服电动机又叫执行电动机，它将所收到的电信号转换成电动机轴上的角位移或角速度输出，其执行精度非常高，但相对步进电动机成本较高。
伺服主要靠脉冲来定位，伺服电机接收到１个脉冲，就会旋转１个脉冲对应的角度，从而实现位移。因为，伺服电机本身具备发出脉冲的功能，所以伺服电机每旋转一个角度，都会发出对应数量的脉冲，这样，和伺服电机接受的脉冲形成了呼应，或者叫闭环。如此一来，系统就会知道发了多少脉冲给伺服电机，同时又收了多少脉冲回来。这样，就能够很精确的控制电机的转动，从而实现精确的定位日。
设计采用的是电动式机械手臂，机械手臂的各关节模块自由度运动分别采用步进电动机的方式来驱动。
２机械手臂关节模块
２．１构成以及工作原理
工业机械手由执行机构、驱动机构和控制机构三部分组成。执行机构由手部、腕部、臂部、手臂等部件。驱动机构是工业机械手的重要组成部分，根据动力源的不同，工业机械手的驱动机构大致可分为液压、气动、电动和机械驱动等四类，采用液压机构驱动机械手，结构简单、尺寸紧凑、重量轻、控制方便。在机械手的控制上，有点动控制和连续控制两种方式，大多数用插销板进行点位控制，也有采用可编程序控制器控制、微型计算机控制，采用凸
★来稿日期：２０１ｌ也一１４
万方数据
第１２期
关智：一种多关节智能机械手臂控制系统设计
５３
２２多关节模块设计
设计的机械手臂是一种４自由度的抓物机械手臂，如图１所示机械手臂甫４个活动关节构成．可以在两个ｆ而的水平和乖直方向运动．用４个电机分别带动每个活动关节转动，从而带动４个活动臂来完成运动。当控制机械手臂行动目标的信号发Ｈｉ后，传感部件将物体的位置（ｘ、ｙ、Ｚ坐标）信号传递给控；例器，然后控制器发ｍ控制信号控制步进电机，步进电机带动各个关节旋转，从而使得与之扣台的横臂运动，行走机械部分开始运动。当行走机械部分停ＪＰ后，从外部发来・个手臂启动信号，拄制器发出抓物信号，经由集成驱动电路单元放大整合后发给们服电机，使得机械手抓闭合，执行抓物：抓物过程结束后，于臂控制系统发送一个动作完成成功信号同馈给控制电路目。
作．通过对总线的监洲吲空制，完成所需的枷麻功能。同时．各个｛，点也将机械手臂动作的实时信息通过ＣＡＮ接广ｉ传送到ＣＡＮｂｕｓ上，进而形成完整的闭环控制系统。系统的总体控制流程，如
降ｉ３所示，
。。１
ｊ。¨训ｍＦｆ
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３机械手臂ＣＡＮ总线控制系统
３．１硬件系统设计
ＣＡＮ总线控制系统设计最通用、最广泛的方法是采用微控
刚ｌ机械手臂多戈节设计同
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Ｄｅｓｉｇｎ
ｏｆｔｈｅｍｅｃｈａｎｉｃａｌ
柳器｛单片机、ＡＲＭ、ＤＳＰ）与ＣＡＮ控制器和ＣＡＮ收发器相结合的方式，接口的结构，如罔４所示．所设计的机械手臂ＣＡＮ总线控制系统使用的是目前市场Ｉ‘使用最为普遍和流行的独立ＣＡＮ总线控制器ｓＪＡ１０００，以及高速ＣＡＮ总线收发器ＰＣＡ８２Ｃ２５０月。
ａ邢Ｊｏｉｎｔ
多关节机械手臂的控制设计，如图２所示。其中Ａ组电缆接步进电机１的控制端．当步进电机接收单片机发出的脉冲时，带动机械手臂Ｉ关节转动。同理．Ｂ、Ｇ、Ｄ组电缆接步进电机２、３、４的控制端，分别控静Ｊ机械手臂２、３．４关节的转动。符个控制关节单元模块与总控制器相连，由Ｐｃ机作为总控制器，利用上位机操作软件来发出控制命令。
矧４｛、、臼’ｔ罐【】。卅≈
Ｆｉ９４ＳｌｒｕｃｔｕｒｅｏｆＣＡＮｂｕｓｉｎｔｅｒｆａｃｅ
哪Ａ１００渺是一种独立的ＣＡＮ控制器，它是Ｐｈｉｌｉｐｓ半导体公司ＰＣＡ８２Ｃ２００ＣＡＮ控制器的替代品，而且还增加了一种新的操作模式一ＰｅｌｉＣＡＮ，这种模式支持具有很多新特性的ＣＡＮ２０协议，主耍用于移动目标和一般工业环境中的区域网络控制。ＳＪＡｌ０００的接口管理逻辑负责解释来自ＣＰＵ的命令，控制ＣＡＮ寄存器的寻址，向ＣＰＵ提供中断信息和状态信息，其发送缓冲器是ＣＰＵ和位流处理器之问的接门，负责存储发送到ＣＡＮ总线上
图２机械手臂关节控制设计图
Ｆｉｇ．２
Ｄｅｓｉｇｎｏｆｔｈｅｍｅｃｈａｎｉｃａｌ
的一条完整的撤史．接收缓冲器是验收滤波器和ＣＰＵ之间的接
ｃｏｎｔｒｏｌ
ａ唧ｊｏｉｎｔ
口，用来存储从ＣＡＮ总线Ｉ：接收并被确认的信息。
ＰＣＡ８２Ｃ２５０ｔ１是ＣＡＮ控制器与物理总线之间的接口，器件可以提供对总线的差动发送和接收功能。ＰＣＡ８２Ｃ２５０驱动电蹄内部具有限流电路，ｎｒ防止发送输出级对电源、地或负载短路。虽然短路出现时功耗增加，但不至于使输Ｈ｛级损坏。若结温超过大约１６０％：，则两个发送器输出端极限电流将减小．
拄制系统的硬件接口部分主要由微控制器（可以选用单片
２．３总体控制流程设计
设计的多关节智能机械手臂利用工业ＣＡＮ总线作为其各个关节模块的控制网络，其中机械手臂的各个关节模块为控制网络中的一个节点，将各个关节模块搭建在ＣＡＮ总线上，每个节点的关节模块均通过ＣＡＮ总线接口连接在ＣＡＮｂｕｓ七，各个节点从ＣＡＮ总线接收需要的数据包．从而通过控制器对机械手臂动
万方数据
Ｎｏ．Ｊ２
机械设计与制造
机、ＡＲＭ、ＤＳＰ等）、ＣＡＮ总线控制器（设计使用ＳＪＡｌ０００）和ＣＡＮ总线收发器（设计使用ＰＣＡ８２Ｃ２５０）构成，硬件电路图，如图５所
Ｄｅｃ．２０ｌ１
缓冲区是否锁定；判断完成之后．就可以将待发送的数据写人发
送缓冲区；最后．置位发送请求位，将数据报文发出。在发送报文
过程中．傲控制器将系统需要发送的信息整理打包．以报文的形式通过ＣＡＮ总线接口发送到ＣＡＮＢｕｓ上。发送时用户只需将待发送的报文按ｆｌｌｌ一定的格式组合成一帧报文。将其写入ＳＪＡｌ０００
示。ＣＡＮ控制器实现了物理层和数据链路层的通信功能，提供了
与镦控制器和总线的物理线路接口，用户只需编写符合自己通信控制要求的应用层协议即可凡
、、静斟矗
慷嗍抖
忠嚣怒
的发送缓冲区中．然后置位ＳｉＡｌ０００的发送请求标志位．即可完
成报文的发ｉ犁ｑ。
发送之前要判断ｔ次发送是否结束，当ｓＪ＾１０００正在发送
：Ｉ兽＿ｊ誉雾＿
引‘坩”㈨二半’・
Ｆｉｇ．５
Ｈａｒｄｗａｒｅ
ｃｉｒｃｕｉｉ
报文时，发送缓冲嚣馥虢定．因此，在将新报文放人发送缓冲器之
前．坯必须检查状态寄存器中的发送缓冲器状态标志位．等待报文被发送完成。
接收报文的步骤如下：
首先，访问状态暂自锵。判断接收缓冲区是否为满；若ＳＪＡｌ０００
接收缓冲区状态为满．则表示接ｌｌ叟缓冲区中巳接收到总线Ｅ传来的
ｄｉａｇｒａｍ
效据，这时可以将缓冲区数据读取．并保存；最后．访问命令寄存器，
释放接收缓冲区。等待下—帧报文传来。
微控制釉通过ＣＡＮ总线接口从ＣＡＮｂｕｓ上收到报文，对报
ＳＪＡｌ０００的片选端ｃｓ低电平有效，通过反相器连接到搬控制器的ＧＰＩＯ引脚，当ＧＰＩＯ引脚为高电平时，微控制器存储器地址可选中ｓＪＡ０００。封Ａ１０００的复位端接傲控制器的ＧＰＩＯ弓Ｉ脚．ＳＪＡｌ０００是低电平复位。ＳＪＡｌ０００的ＲＤ、ｗＲ、ＡＬＥ引脚分别接馓
文进行解析与处理．从而进行之后的工作。接收报文时可以采用
中断或查询的方式．当ＳＪＡｌ０００接收到一组报文后．报文通过验
控制器的对应功能端．通过这些控制国写信号的操作，完成数据
和地址的通信。ｓｊＡｌ０００的】ｌ脚ＭＯＤＥ接高电平．从而选择
Ｉｎ嘲＝分频模式。ＳＪＡｌ０００的１６脚ＩＮＴ是中断信号输出端．在中断允许的情况下．有中断发生时．ＩＮＴ脚出现由高到低的电平跳变．因此ＩＮＴ脚直接与搬控制器的外部中断引脚相连接．从而使
收滤波存放在接收缓冲器中，然后释放接收缓冲区，等待下一组
报文的接收。
４小结
设计并介绍了基于工业现场总线ＣＡＮ控制的多关节智能
微控制器可以通过中断方式访问ｓｌＡｉＯＧＯ。ＳＪＡｌ０００的ＡＤＯ—
机械手臂系统．通过ＣＡＮ总线对该机械手臂的各个关节进行控制．可以实现多节点统一控制与实时监测。充分发挥网络通信与
机坂手臂系统的运行功能。
ＡＤ７引脚为地蛐嗽据复用线。应与微控制器对应的数据触址复
用线相连，从而进行地址和数据的读写。ＳＪＡｌ０００的发送输出端
ＴＸＯ与接收输Ａ端ＲｘＯ分别与ＣＡＮ总线接口收发控制器
ＰＣＡ８２Ｃ２５０的ＴＸＤ和ＲＸＤ相连，ＰＣＡ８２Ｃ２５０的ＣＡＮＨ与ＣＡＮＬ引脚直接与ＣＡＮ物理总线相连。
同时这种控箭景统比直接用单片机来控制机械手更加可
靠．更加方便．对机械手臂与现场总线ＣＡＮ的实际应用具有一定的参考价值，促进了机械手智能化的发展。
３．２软件系统设计
软件系统设计主要包括初始化、报文发送、报文接收三大部分．机械手臂的控制系统通过ＣＡＮ总线接口从ＣＡＮｂｕｓ上收到报文数据包。经过通讯协议的解析，控制电机运转，完成机械手的动作．同时．将机梭手的实时状态信息再通过ＣＡＮ总线接口发送到ＣＡＮｂｕｓ上。从而实现对系统的反馈控制与实时监测ｍ。
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控制系统的初始化对ＣＡＮ总线的正常工作非常重要，初始化只能在复位模式下才能进行．初始化中关键的步骤是＇赶置ＳＪＡｌ０００内部寄存器的参数．使其为报文的发送与接收蠼好准备％
韧始化的步骤有：
首先是ｓＪＡｌ０００自测．检查是否正常；之后进入复位模式．准备进行初始化：设置验收滤波器（通常将ｓ，Ａ１０００设置在无屏蔽的发送和接收数据），接着设置通讯所需的波特率．设置ｓＩＡｌ０００的
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工作方式（通常将ＳＪＡｌ０００设置在正常工作馘）；然后开放中断，
开始接收或发送数据，返回其工作状态。
发送报文的步骤如下：
使微控制器通过中断方式访问甜Ａ１０００；最后退出复位模式．准备
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首先，访问状态寄存器，判断上次发送是否完成，判断发送
万方数据
一种多关节智能机械手臂控制系统设计
作者：
作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：
关智， GUAN Zhi
沈阳职业技术学院计算机系,沈阳,100045机械设计与制造
Machinery Design & Manufacture2011(12)
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