康 杰，夏文豪，杨承汉，陈晓颖

（三江学院 机械与电气工程学院，江苏 南京210012）

近年来，国内外众多高校、研究机构对Delta机器人的研究一直比较热门[1-4]；由于在食品、码垛、3C等行业中快速性、稳定性和性价比等方面的较好表现，Delta机器人厂商如雨后春笋般崛起。商用Delta机器人多采用传统的专用控制器；随着计算机技术和DSP技术的快速发展，基于PC+运动控制板卡（DSP、FPGA）的开放式控制器成为新的潮流方向；鉴于PLC编程灵活方便、工作可靠，在工业领域应用广泛，触摸屏（或PC+组态软件）+PLC+运动控制模块的控制系统架构也成为部分研究人员或工厂自动化的选择；部分研究人员和工程技术人员也在探索自主设计成本低、开放式、可靠性高、使用方便的各种机器人控制系统。本次设计采用PC+MCU控制器架构的教学型Delta机器人控制系统就是一次尝试，免去昂贵的机器人控制器，增加了控制系统的开放性和多技术，便于教学。

1 控制系统总体方案设计

控制系统方案图如图1所示。上位机通过USB转RS485接口或以太网接口连接下位机；下位机控制器、步进电机驱动器、电源、开关、按钮、指示灯等集中安装于电控箱中；下位机主要完成至少4路频率和个数可控的高速脉冲输出，另外需要控制安全逻辑、数字量输入采集、数字量输出执行、加减速控制、每路的多段连续脉冲规划、通信等。本次设计主要解决下位机基于MCU的控制器硬件、软件系统设计。

图1 控制系统总体方案框图

2 硬件设计

2.1 上位机及其接口

采用通用的PC或便携式PC或工业控制计算机，带USB接口或以太网接口即可。电脑应预装好微软操作系统和C++编程软件。开发串口Modbus RTU通信方式，通常只需要一个USB-RS485接口转换器，电脑安装其驱动。采用宇泰UT-890型工业级防浪涌屏蔽线转接口，后期拟开发以太网通信方式，不需要转接口，使用将更为方便。

2.2 下位机硬件设计

硬件部分主要包括机器人本体结构如图2所示和硬件控制包括核心控制模块、状态转换模块、功率放大模块和通信模块等如图3所示。在该系统中主控芯片采用了STM32F103RCT6，具有多路PWM脉冲输出接口，输出频率要达到10kHz左右，具有串行通信能力。利用内置的串行端口和RS485转换电路来构建RS485总线实现与主计算机通信的目的，并实现一台主机计算机主站可同时控制多个从属控制器。同时需要接收上位机发送的控制指令，将整个系统的当前运行状态信息发送给上位机。理论与实际偏移状态和上位机指令状态相结合，可获得步进电机的所需脉冲数，从而实现该多步进电动机的控制和准确地到达目标位置或姿态。Delta机构的三个步进电机系统配置一致，其运动协调由上位机根据机器人运动学反解计算而成；独立的第4轴（C轴）安装于动平台，可实现围绕Z轴的旋转。

图2 Delta机器人本体结构图

图3 下位机硬件控制连接图

2.2.1 通信接口电路设计

RS485是半双工通信，所组建的网络属于总线型网络。在教学过程中可以利用该网络实现集中控制。网络地址是区分每台Delta机器人的唯一标识。在该网络中，下位机与上位机通信所使用的协议是Modbus RTU协议，地址（ID）范围是0～127，127一般作为广播地址用，常用的是1～124。本系统采用4位拨码开关来实现地址ID的设定，后续改进可采用8位拨码开关来实现ID的设定，以满足通常实验室设备台（套）数的要求。另外为了进一步提高系统可扩展性，系统选用了ENC28J60芯片设计了以太网接口。该芯片内部具有DMA模块，能够实现快速数据吞吐，硬件支持IP校验和计算。通信速率可达到10Mb/秒。该芯片有两个引脚专用于连接的LED，它可以很容易指示网络活动的状态。

2.2.2 普通I/O接口设计

主控芯片STM32F103RCT6的逻辑电平是+3.3V，Delta机器人控制柜使用的是+24V的逻辑电平，所以输入输出I/O需要电平转换。输入部分采用光电耦合器控制电平隔离，输出部分需要提高电流输出能力，在光电耦合器隔离的基础上加入N沟道MOS管用来提高负载能力。

2.2.3 电源电路设计

主控制芯片STM32F103RCT6电源为+3.3V，步进电机驱动器的逻辑电源是+5V，但控制柜提供+24V电源，因此它需要必要的+3.3V电压调节器电路和+5V的电压调节器电路。+5V电源转换芯片采用XL4005E，该电源转换芯片输入电压范围为5V-32V，输出电压范围为0.8V-30V可调，输出电流能力高达5A，可以满足总体硬件系统的需求。+3.3V稳压电源部分由于涉及到通信的稳定性的要求，选用TPS7333器件，其是微功耗低压差LDO稳压器可以使通信更加稳定。

3 下位机软件设计

3.1 多路高频信号设计

教学型Delta机器人需要同时对3个主动臂进行控制，从而实现动平台的位置控制，再加上末端的旋转电机，需要4路高频脉冲信号。程序设计时使用TIM3、TIM4、TIM5、TIM6作为产生4路高频脉冲的定时器。首先需要对4个定时器进行初始化的操作：将4个定时器的自动重装载设置为1；定时器的预分频设置为7199，设置时钟分割为1，计数模式设置为向上计数模式；初始化4个定时器中断的优先级和编写中断服务子函数。下位机控制器所发出的各路实时累计脉冲数存储于其存储器中，可供上位机读取。在其定时器更新中断函数中进行各路脉冲数的实时累计，正转累加，相应的反转则累减，初始化回零时实时累计脉冲值清零。

3.2 多点Modbus设计

下位机作为Modbus从站，利用了STM32F103RCT6单片机的UASRT串口来进行通信。下位机串口接收到上位机发来的数据帧，并确定是否和本机的地址一致，若不一致，从机结束本次接收进入等待；若一致，从机首先对收到的数据帧进行CRC计算，并与主机发送的CRC进行校验。当检查没有错误时，可以根据主机发送的功能码去调用对应的功能函数来执行此函数操作；否则将错误消息以从机错误数据帧的格式返回给主机，Modbus RTU从站程序流程图如图4所示。

3.3 多段式控制

在Delta机器人运行过程中，虽然单段式控制可以满足点位运动的要求，但是插补运动时需要多段控制切换每段速度和脉冲数，否则机构容易出现抖动、卡顿等现象，为了平顺运动过程，下位机可以采取多段式连续点规划模式[5]控制步进电机。

如图5所示，一个完整的运动过程，根据转速被分成了3个步骤，下位机分别向步进电机发送连续多段运行频率和脉冲个数不同的脉冲串[5]。多个脉冲串之间没有停止间隙，进行连续平滑切换。包括起跳频率、终止频率以及起动、停止、频率切换过程中的加速频率、减速频率等规划，均由下位机单片机控制器根据上位机通过串行通信发送过来的相关参数进行准确规划，并将系列脉冲串发送给对应步进电机驱动器。

图5 步进电机控制的多段连续点规划模式示意图

4 教学设计与实验

目的：设计一个连续循环动作，比如取放物品，进行示教与循环再现操作。

内容：将几枚硬币放于操作空间内的平面上，在动平台中间安装电磁吸盘，控制Delta机器人进行拾取、移动、放置等动作；注意整套动作能循环执行多次，注意拾取（电磁吸盘通电）和放置（电磁吸盘断电）动作后应有一定延时时间才能使动作连贯。

通过前期的结构设计与实物制作装配完成了Delta机器人实验平台的搭建。其电控箱内实物图和总体实物图，分别如图6、图7所示。图8为实验平台进行的吸硬币示教与再现实验过程。对3枚1元硬币依次吸取、放置，图中的8个动作为一个周期，经过数百组循环实验，实验平台末端对硬币吸取与放置位置误差能达到预期效果。Delta并联机器人厂商通常以25*305*25mm门形路径的运行时间作为快速性指标，本实验平台经测试时间约为0.40s，达到国内知名商用机器人水平。

图6 数据采集数据库

图6 电控箱内实物图

图7 教学型Delta机器人实验平台

图8 硬币的拾取-放置循环再现实验

5 结束语

本文主要介绍了Delta机器人实验平台下位机控制系统设计，主要完成了以下工作：硬件部分主要包括核心控制模块，输入输出模块和通信等模块。软件部分包括解决了4个通用定时器来产生4路的高频PWM脉冲信号，通过Modbus通讯协议与上位进行通信的问题。通过各路实时累计脉冲数来验证开环步进电机运行位置是否准确。在点位控制上通过采用多段式路径规划来提高机器人的运行性能。初步教学设计并通过吸硬币实验进行验证，实验结果良好，达到预期效果。本实验平台也为机器人工程等专业的实践教学提供了一种新的尝试。