01为什么制作整体控制板？

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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。

^{▲ 57HSXXXXEIS步进电机}

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。

^{▲ 机械爪以及FSR压力触感器}

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

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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。

^{▲ 焊接实验电路板}

^{▲ 焊接后的实验电路板}

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 //------------------------------------------------------------------------------ #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

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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。

^{▲ 在初始状态，设置机械爪为最大张开状态}

^{▲ 机械爪的动作}

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。

^{▲ FSR压力传感器}

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。

^{▲ 测试夹持试剂瓶}

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

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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。

在实际机械臂上的应用调试另见它文。 它文： 双关节机械臂+机械爪运动控制 .

  ■ 相关文献链接:

双轴机械臂调试：步进电机42HS348E,BH32角度传感器，MCU:STC8H1K28 双轴机械臂位置闭环控制：STC8H1K28，42HS48EIS,BH32 42HS48步进电机实验 57HSXXXXEIS一体化步进伺服驱动电机 舵机控制的机械爪 FSR402电阻式薄膜压力传感器 BH38旋转编码器初步测试 制作新版STC单片机WiFi下载器 基于STC8H1K28的双轴机械臂驱动模块:步进电机42HS348E,BH32角度传感器 一分钟制版法 STC单片机功率控制下载板 双关节机械臂+机械爪运动控制

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电路AD工程文件:AD\XQWF\2020\机械臂\CNT2AXESCLAWSTC8H.SchDoc ↩︎

单片机软件开发工程文件:C51\STC\Project\XQWF\2020\STC8H2AXES\STC8H2AXES.uvproj ↩︎