求一种双轴机械臂以及机械爪的驱动设计方案

01为什么制作整体控制板？

  原因1：更换了大力矩步进电机

在实验室样品自动上样 双轴机械臂 调试之后，出现了的肩关节 运动力矩不足 的问题。为此将原来的驱动肩关节的 42HS48步进电机 更换成 57HSXXXXEIS步进电机 。力矩有原来的0.4N·M，增加到2.0N·M。

实际上对于57HS电机的控制与原来42HS48控制接口都是相同的，基本上是由脉冲(PULSE)、方向（DIR）、使能（EN）开关量控制组成。
原因2：增加机械爪

为了抓取试剂瓶，使用了 开关闭合式两爪机械爪 ，并配合以 FSR402电阻式薄膜压力传感器 来感知机械爪抓取的力度。

3. 整体控制板的功能

• 具有两路步进电机驱动脉冲端口。需要有6组IO口；
  
• 具有两路485总结结构，读取肩关节、肘关节角度传感器 BH38绝对位置角度传感器 数值。
  
• 具有一路舵机控制端口，输出50Hz, 1.0~2ms时间宽度的脉冲。
  
• 具有一路ADC，读取来自于FSR压力数值。
  
  

此外为了调试方便，具有程序下载串口。使用 制作新版STC单片机WiFi下载器 对开发板进行程序下载和调试。
设计参考 基于STC8H1K28的双轴机械臂驱动模块:步进电机42HS348E,BH32角度传感器 中的方案，在它的基础上增加ADC端口。

02控制电路板设计1

  1.原理图设计

电路核心还是基于STC8H来设计的。其中主要接口（485，步进电机脉冲等）都与 基于STC8H1K28的双轴机械臂驱动模块 的设计一致。
(1) 主要改动：

• 将原来的ULC2003达林顿驱动隔离IC省去了。直接由STC8H1K28进行驱动。建议，在只有的设计中，在所有的IO1-6的增加100Ω电阻，在一定意义上可以保护MCU的IO端口。
  
• 将BEEP端口移动到P2.5。
  
• 使用P2.0(PWM1_P)作为舵机（扩展的PWM端口）驱动信号。同样将来的设计中，增加100Ω作为保护电阻；
  
• 使用P1.4（ADC4）读取FSR的变化电阻。
  
  

对于最后两部分，增加对外的端口以及FSR的上拉电阻。
(2) SCH图











2.PCB设计

PCB各个端口定义如下图所示：





实验电路板使用单面覆铜板通过 一分钟制版法 制作。焊接完之后形成测试实验电路板。

3.单片机软件2

单片机软件在原来 双轴机械臂调试模块 基础上进行修改。
在8H基础上增加对于PWM的输出控制。
设置STC8H1K28的宏定义，启动Advance PWM 功能。

#define ADVANCE_PWM1_EN     1
1


//------------------------------------------------------------------------------
#if ADVANCE_PWM1_EN
void AdvancePWM1Init(void) {
   
    //----------------------------------------------------------------------   
    _push_(P_SW2);
   
    P_SW2 = 0x80;
    PWM1_CCER1 = 0x00;                      // Clear CCERx before write CCMRx
    PWM1_CCMR1 = 0x60;                      // Set CC1 as PWM1 output mode
    PWM1_CCER1 = 0x01;                      // Enable CC1 channel
    PWM1_CCR1 = 1500;                        // Set duty  1500us
    PWM1_ARR = 19999;                         // Set Period
    PWM1_ENO = 0x01;                        // Set PWM1P as output: ENO1P,1N....,ENO4P,4N
    PWM1_IOAUX = 0x0;                       //
    PWM1_BKR = 0x80;                        // Enable main output
    PWM1_CR1 = 0x01;                        // Begin counter
    PWM1_PSCR = 34;                         // 35MHz as pre clock divide : clock 1us
   
    PWM1_PS  = 0x1;                         // B01: PWM1P1.0, 2.0....


    _pop_(P_SW2);
}


#endif // ADVANCE_PWM1_EN


03控制板调试

  1.调试机械爪

在初始状态，将机械爪设置成如下的最大张开的状态。

在调试过程中，为了能够使得整体控制板输出驱动舵机的电功率，使用了 STC单片机功率控制下载板 作为中间过渡板，从而使得舵机的运动不会影响WiFi下载电路的电源波动。
2.增加FSR传感器

为了控制机械爪对于试剂瓶的夹持压力，在机械爪一个手指增加FSR传感器。

修改电路中的上拉电阻RCL=51k，这样使用手指压按FSR，测量得到的CLAWPRESS的电压在1.5 ~ 4.6V的变化。
3.测试加持力

使用机械爪抓取试剂瓶，同时测量FSR对应的ADC值。

下面是两次测量到的FSR分压后的电压ADC转换值。由于机械运动出现抖动，所以压力出现抖动。





▲ 设置舵机的指令与读取FSR的AD值





▲ 设置舵机的指令与读取FSR的AD值





▲ 设置多级指令与压力传感器FSR读数

#!/usr/local/bin/python
# -*- coding: gbk -*-
#============================================================
# TEST1.PY                     -- by Dr. ZhuoQing 2020-09-05
#
# Note:
#============================================================


from headm import *
from tsmodule.tsstm32       import *


setv = linspace(1000, 1500, 100, endpoint=False)
printf(setv)


stm32cmd('servo 1000')
time.sleep(1)


fsrdim = []


for v in setv:
    stm32cmd('servo %d'%int(v))
    stm32cmd('CLEAR')
    time.sleep(.25)


    while True:
        stm32cmd('fsr')
        val = stm32memo(1)
        if len(val) > 0: break
        time.sleep(.25)


    fsrdim.append(val[0])
    printff(v, val[0])


tspsave('fsrdata', setv=setv, fsr=fsrdim)
stm32cmd('servo 1000')
plt.plot(setv, fsrdim)
plt.xlabel("SETV")
plt.ylabel("FSR")
plt.grid(True)
plt.tight_layout()
plt.show()


#------------------------------------------------------------
#        END OF FILE : TEST1.PY
#============================================================

※ 结论

  设计了双轴机械臂以及机械爪的驱动方案。同时调试初步完成了在原来 基于STC8H1K28的双轴机械臂驱动模块:步进电机42HS348E,BH32角度传感器 没有调试的机械爪的控制部分。