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1、科學與工程技術期刊 第卷 第四期 民國九十九科學與工程技術期刊 第卷 第四期 民國九十九 Journal of Science and Engineering Technology, Vol. 6, No. 4, pp. 19-26 (2010) 19 機械手臂控制器之可程式系統晶片設計與實現機械手臂控制器之可程式系統晶片設計與實現 穎宏1 蔡政哲2 1長榮大學科技與工程管學系 2長榮大學資訊管研究所 711 台南縣歸仁鄉長榮一段 396 號 摘 要摘 要 本文應用可程式系統晶片（system on programmable chip, SOPC）技術設計與實現一機械手臂控制器以控制機械手臂夾
2、取空間中物體至定點，控制器控制之裝置包括一軸機械手臂以執夾物動作、組 CCD （charge coupled device） 模組以擷取物體影像進而判定物體空間座標值。控制器採用 ALTERA 公司的 Cyclone II FPGA 實現，其中包括： （1）NIOS II 軟核處器與自定義之 PWM 訊號產生周邊：NIOS II 用以執物體空間座標定位、物體空間座標值轉為機械手臂中伺服馬達之轉動角的 D-H 演算法，此後將轉動角送至自定義之 PWM 訊號產生周邊以產生 PWM 訊號驅動機械手臂。 （2）CCD 控制模組：此模組使用硬體描述語言設計，控制 CCD進影像擷取，並將擷取之影像轉換為灰
3、階存至 FPGA 外的 SDRAM 中以供 NIOS II 取用。所實現之控制器經實體測試可達控制機械手臂夾物至定點功能。 關鍵詞關鍵詞：FPGA，可程式系統晶片（SOPC） ，機械手臂控制器，影像擷取 Design and Implementation of a Controller for Robotic Manipulator Using SOPC YING-HONG LIN1 and ZHENG-ZHE CAI2 1Engineering (2) a CCD control module, designed by the hardware description language (H
4、DL), which is used for controlling processes of image capturing, turning the captured images into grayscale, and saving the images into SDRAM outside of FPGA (which also allows NIOS II to gain access). Field tests on the controller achieved the expected function of controlling the robotic manipulato
5、r to fetch an object in space to a fixed position. Key Words: FPGA, SOPC, robotic manipulator controller, image capture 一、前言一、前言 由於科技的進步 ， 自動化設備及電腦視覺應用的趨勢逐漸明顯，在工業域中，用電腦視覺進物體空間定位之技術已占有相當重要的角色，主要的優點為非接觸式的測距、目標物可在受外影響下取得其位置座標，另一方面，機械手臂是工業上常的自動化設備，機械手臂的控制需要搭配許多感測器、周邊電與多軸馬達控制，所以使用現成的微控器或 DSP 晶片實現控制器可能無法滿
6、足設計所需的資源或效能 8, 10, 13。 FPGA（field programmable gate array, FPGA）是一可規劃的輯元件，伴隨著半導體製程技術的進步，單一 FPGA已可容納百萬輯閘，使得 FPGA 所能實現的功能愈愈強，普遍應用於各域 11。FPGA 具有許多 IO 腳位與輯資源可使用，具有平處之能，所以使用者可使用單一 FPGA 完成所需之控制系統，相較於 DSP 或微控器，這些特性已引起位控制應用的注意 9, 12。現今，可程式系統晶片 （system on programmable chip, SOPC） 技術發展迅速 ， 其為於 FPGA 上實現的系統設計與軟
7、硬體整合設計技術1-2 ， 使用 SOPC 方式可快速地將智財 （intellectual property）（如處器、周邊模組及自定義輯電.等） 嵌入一 FPGA內，並進軟體設計，以達可規劃之軟/硬體系統的設計。這種設計方式具有設計快速及系統再修改彈性等優點 ， 是許多雛形設計的最佳選擇。 過去 ， 已有許多應用 SOPC 技術於控制器的設計與實現文發表 5-7，本文使用 SOPC 技術以設計與實現機械手臂控制器，展示應用 SOPC 技術於機械手臂控制應用之優點，文中實現一 SOPC 控制晶片執機械手臂之控制，控制器控制之裝置包含軸機械手臂以執夾物動作、組CCD（charge coupled
8、 device） 模組以擷取物體影像進而判定空間座標值，SOPC 系統配置包括参部份： （1）NIOS II 處器用以執物體空間座標定位 、 D-H 演算法將物體之座標值轉換為機械手臂中伺服馬達所需之轉動角； （2） 自定義之 PWM 訊號產生周邊是以硬體描述語言設計，其功能為產生機械手臂顆關節伺服馬達轉動所需之 PWM 訊號，此周邊接收自NIOS II處器所提供之轉動角後將產生相對應之 PWM 訊號； （3）CCD 控制模組：此模組是以 VHDL（VHSIC hardware description language, VHDL）設計，其功能為接收自NIOS II處器之命以選擇X-Y及Y-Z
9、平面影像之擷取，並將擷取之影像轉換為灰階存至 SDRAM，以供 NIOS II 處器使用。 本文所使用之低單價軸機械手臂如圖 1 所示 ， 其結構是由顆伺服馬達所組成，伺服馬達規格如表 1 所示，位於關節 1 和關節 2 上的伺服馬達型號為 HS-805BB；關節 3 伺服馬達型號為 HS-645MG；其餘關節之伺服馬達型號均是HS-475HB 。 各關節伺服馬達採用週期為 20ms 的 PWM 訊號控制，PWM 訊號其脈波寬介於 0.9 ms 至 2.1 ms（轉動角-4545 ） 為其最準確之控制轉動範圍，藉由 PWM 訊號脈波寬的同 ， 以開迴方式控制伺服馬達轉動至所需位置 。 使用之C
10、CD模組如圖2所示 ， 為友晶科技的TRDB_DC2 130 萬像素子卡，其內含一 130 萬畫素之 CCD 影像感測元件 。 使用之FPGA為裝置於友晶科技DE2實驗板上ALTERA cyclone II EP2C35F672C6 FPGA，DE2 實驗板如圖 3 所示。 圖圖 1. 低價軸機械手臂低價軸機械手臂 穎宏、蔡政哲：機械手臂控制器之可程式系統晶片設計與實現穎宏、蔡政哲：機械手臂控制器之可程式系統晶片設計與實現 21 表表 1. 伺服馬達規格伺服馬達規格 伺服馬達型號 HS-475HB HS-645MG HS-805BB 品牌 Hitec 脈波據 1. 脈波寬是以 1.5 ms 作
11、為中心（轉動角 0 ），其延伸範圍為 0.9 ms 至 2.1 ms （轉動角-45至 45 ）。 2. 脈波週期為 20 ms。 電壓範圍 工作電壓介於 4.8 至 6.0V 之間。 使用明 旋轉方向 順時針方向旋轉。 圖圖 2. CCD 模組模組 圖圖 3. DE2 實驗板實驗板 二、二、SOPC 控制晶片之設計控制晶片之設計 （一）硬體架構與系統程（一）硬體架構與系統程 機械手臂控制器之 SOPC 架構如圖 4 所示，CCD 控制模組硬體接收由 NIOS II 發送之控制訊號 ， 可選擇擷取 X-Y及 Y-Z 平面之影像並轉成灰階，進而將影像由 SDRAM 控制器存入 FPGA 外的 S
12、DRAM，SDRAM 控制器將接收由NIOS II 發送之控制訊號，將影像入至 NIOS II 內進物體座標定位，產生物體所在之空間座標，NIOS II 中會對此 圖圖 4. 控制器之控制器之 SOPC 架構架構 座標進 D-H 演算法運算，產生機械手臂伺服馬達所需轉動的角，此後將此轉動角送至自定義之 PWM 訊號產生周邊，以產生相對應之 PWM 訊號，可控制機械手臂達夾物至定點之目的。 圖 5 為控制器之控制程，首先由 NIOS II 處器發送訊號控制 CCD 控制模組以擷取 X-Y 平面之影像並存入SDRAM，之後 NIOS II 處器將由 SDRAM 中將灰階影像入進物體 X-Y 平面座
13、標定位，此後，NIOS II 處器再發送控制訊號以控制 CCD 控制模組擷取 Y-Z 平面之影像並存入 SDRAM，之後將灰階影像由 SDRAM 入至 NIOS II處器，以執物體 Y-Z 平面座標定位，其中 Y-Z 平面座標之 Y 值即為物體在空間中的高，即為 Z 軸之座標值。此後將儲存之 X-Y 座標及 Z 座標於 NIOS II 處器中執D-H 演算法，計算機械手臂中伺服馬達所需轉動之角，將此轉動角送至自定義之 PWM 訊號產生周邊，以產生相對應之 PWM 訊號，驅動機械手臂開始執夾取空間之物體，取得物體後，機械手臂回到終點位置將物體放下，並回到初始位置。 （二）（二）SOPC 硬體模組
14、明硬體模組明 1. CCD 模組控制 此模組用以控制 CCD 模組執影像擷取，並將擷取之影像轉換為灰階存至 FPGA 外的 SDRAM 中以供 NIOS II 取用，CCD 控制模組方塊圖如圖 6 所示，此模組使用硬體描述語言設計，為擴充修改友晶科技公司之矽智財所得。CCD控制模組以 I2C 協定控制 CCD 模組，由圖 6 中的 I2C 模組產生所需的控制訊號，而 CCD data Capture 擷取 CCD 模組所拍攝之影像。當資擷取後，影像資為 RAW 格式，此後將所擷取之影像先轉換成 RGB 格式後再轉為灰階影像， 科學與工程技術期刊 第卷 第四期 民國九十九科學與工程技術期刊 第卷
15、 第四期 民國九十九 22 圖圖 5. 系統程圖系統程圖 圖圖 6. CCD 控制模組方塊圖控制模組方塊圖 轉換後的資經由 SDRAM 控制器存入 SDRAM 中。其中使用一多工器以選擇所要使用的 CCD 模組。SDRAM 控制器將接收由 NIOS II 處器發送之控制訊號，此訊號控制SDRAM 控制器於上升緣時，將儲存於 SDRAM 中的灰階影像出至輸出埠，此後，NIOS II 處器將像素值入並進物體座標定位。 2. NIOS II 系統配置 本文所使用之 32 位元 NIOS II 處器系統配置如圖 7所示，其中 Avalon Bus 定義 NIOS II 和周邊進資傳輸的規範 ， SOP
16、C 技術的優點在於使用者可根據需求調整處器效能與使用之周邊，所使用之周邊包括 4 個內建 PIO 周邊與 6 個自定義 PWM 訊號產生周邊，分別明如下： （1）CCD 模組選擇 PIO 周邊 ： 用以指定 CCD 控制模組選擇 X-Y或 Y-Z 平面 CCD 模組以擷取影像； （2）影像擷取控制 PIO周邊：用以控制 CCD 控制模組開始執影像擷取； （3）影像入 PIO 周邊：作為灰階影像中每個 8 位元像素的輸入埠； （4）SDRAM 取控制 PIO 周邊:此 PIO 提供脈波訊號給 SDRAM 控制器以將 SDRAM 中的灰階影像之每個像素出。 （5）PWM 訊號產生周邊：接收自 NIOS II 的伺服馬達轉動角命，產生相對應所需的 PWM 訊號。上述周邊需透過 Avalon Bus 和 NIOS II
