基于K60的交通指揮機(jī)械手臂設(shè)計(jì)

龍 玲，張姍姍，黃勤珍

基于K60的交通指揮機(jī)械手臂設(shè)計(jì)

龍 玲，張姍姍，黃勤珍

(西南民族大學(xué)電氣信息工程學(xué)院，四川 成都 610041)

為了提高城市交通指揮工作效率和可靠性，提出一種基于K60單片機(jī)的交通指揮機(jī)械手臂設(shè)計(jì)，該機(jī)械手臂通過(guò)舵機(jī)和各種支架構(gòu)成，具備兩關(guān)節(jié)且每個(gè)關(guān)節(jié)能360度自由運(yùn)動(dòng).采用K60單片機(jī)作為主控器，通過(guò)前端檢測(cè)到的實(shí)際路口交通情況，自動(dòng)擺出相應(yīng)的指揮手勢(shì)，協(xié)助交警指揮交通.該設(shè)計(jì)不僅可以高效率的完成指揮任務(wù)，還對(duì)智慧城市的交通建設(shè)有著重要的意義.

機(jī)械手臂；舵機(jī)；交通指揮；K60

1 引言

自從1958年美國(guó)的聯(lián)合控制公司研制出了世界第一臺(tái)機(jī)器人以來(lái)，如今機(jī)器人技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于機(jī)械、電子、化工、汽車(chē)等領(lǐng)域[1].而機(jī)械手臂是機(jī)器人的一個(gè)重要分支.機(jī)械手臂可以代替人處理一些高危險(xiǎn)、高危害、高工作負(fù)荷的工作，大大加快了工作效率，拓寬工作范圍[2-3].此外，機(jī)械手臂作業(yè)的準(zhǔn)確性和各種環(huán)境中完成作業(yè)的能力，在各個(gè)領(lǐng)域擁有廣闊的發(fā)展前景[4-5].

面對(duì)機(jī)械手臂強(qiáng)大的工作能力和廣泛的工作范圍，我們提出是否可以將機(jī)械手臂應(yīng)用于交通指揮呢?如今，交警執(zhí)法時(shí)存在受時(shí)間、地域的限制和天氣的影響以及警力不足等問(wèn)題，雖然交通指揮手勢(shì)單調(diào)重復(fù)，但是交通指揮的重要性時(shí)時(shí)刻刻讓交警保持警惕.于此，本文提出一種可以應(yīng)用于交通指揮的機(jī)械手臂.此機(jī)械手臂由舵機(jī)和支架搭建而成，具備三關(guān)節(jié)六自由度的特點(diǎn).通過(guò)對(duì)K60單片機(jī)[6]編程，手臂能模仿交警指揮動(dòng)作指揮交通，能有效發(fā)揮機(jī)械手臂的優(yōu)勢(shì)，減輕交警指揮的工作強(qiáng)度.

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)中包含兩個(gè)機(jī)械手臂，手臂主要組成部件為舵機(jī)、金屬舵盤(pán)、硬質(zhì)鋁合金長(zhǎng)U型支架、硬質(zhì)鋁合金L型支架、硬質(zhì)鋁合金U型梁.其中手臂的固定平臺(tái)由三個(gè)U型梁拼接而成；四個(gè)U型支架通過(guò)螺絲搭接為手臂臂部；手臂的關(guān)節(jié)則由兩個(gè)舵機(jī)和兩個(gè)舵盤(pán)構(gòu)成，使手臂具有靈活的自由度，實(shí)現(xiàn)上下、左右兩個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)[7].單片機(jī)通過(guò)產(chǎn)生PWM波控制舵機(jī)的運(yùn)動(dòng)，從而控制手臂各個(gè)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)，而各個(gè)關(guān)節(jié)之間的相互配合完成各種指揮手勢(shì).

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理框圖Fig.1 System structure principle diagram

系統(tǒng)硬件電路共分為單片機(jī)最小系統(tǒng)、電源模塊、PWM波輸出模塊和校準(zhǔn)模塊四部分.該設(shè)計(jì)采用了由飛思卡爾公司設(shè)計(jì)的MK60DN512ZVLQ10型單片機(jī)[8]，它是一款基于Cortex-M4內(nèi)核的，具有低功耗特點(diǎn)的高性能32位單片機(jī)[9-10].系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理框圖如圖1所示，K60單片機(jī)根據(jù)接收到檢測(cè)模塊返回的路口情況的信號(hào)配置PWM波，實(shí)現(xiàn)對(duì)手臂的控制.由于手臂長(zhǎng)期工作可能會(huì)影響手勢(shì)的正確性，校準(zhǔn)模塊的加入為日后的調(diào)試帶來(lái)便利.該模塊主要由液晶與按鍵組成，通過(guò)觀察液晶上實(shí)時(shí)顯示各個(gè)舵機(jī)的參數(shù)，我們可以使用按鍵調(diào)節(jié)這些參數(shù)以達(dá)到我們的要求.

2.1 PWM輸出模塊設(shè)計(jì)

舵機(jī)是一種置伺服的驅(qū)動(dòng)器，它是機(jī)器人、機(jī)電系統(tǒng)和航模的重要執(zhí)行結(jié)構(gòu)[11].它可以接收一定的控制信號(hào)，然后輸出一定的角度，適用于需要角度不斷持續(xù)變化的控制系統(tǒng)[12].本設(shè)計(jì)中雙軸舵機(jī)雙軸舵機(jī)雙軸舵機(jī)負(fù)責(zé)手臂肘關(guān)節(jié)上下運(yùn)動(dòng)的部位采用雙軸舵機(jī)，它是一款180度大扭力數(shù)碼舵機(jī)，可帶動(dòng)15公斤的負(fù)載.因此在手臂肘關(guān)節(jié)支撐整個(gè)手臂長(zhǎng)時(shí)間被舉起時(shí)，不會(huì)產(chǎn)生抖舵、發(fā)熱現(xiàn)象，不會(huì)影響手臂的指揮動(dòng)作.而手臂中其他部位在手臂運(yùn)動(dòng)中受力比較小，我們則采用扭力小一點(diǎn)的負(fù)載為7公斤的MG996舵機(jī).

舵機(jī)控制線輸入的PWM信號(hào)是一個(gè)周期性的方波脈沖信號(hào)，其周期是20ms，頻率是50Hz.輸入的方波脈沖寬度改變時(shí)，舵機(jī)轉(zhuǎn)軸的角度相應(yīng)發(fā)生變化，對(duì)應(yīng)的角度變化與脈沖寬度的變化成正比，也就是利用占空比的變化改變舵機(jī)位置.在本設(shè)計(jì)中通過(guò)對(duì)K60單片機(jī)的GPIO口和FTM模塊底層驅(qū)動(dòng)配置，使八路PWM波從單片機(jī)的PTA0-PAT7口輸出，每路PWM波控制著一個(gè)舵機(jī).最后八路PWM波協(xié)同控制，使舵機(jī)轉(zhuǎn)軸偏轉(zhuǎn)不同的角度，實(shí)現(xiàn)手臂的指揮動(dòng)作.

2.2 電源模塊設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)包含部件的工作電壓主要有兩種，所以電源模塊將根據(jù)不同的需要提供兩種電壓.其中，一部分是K60單片機(jī)最小系統(tǒng)的電源，另一部分是舵機(jī)的電源.首先，K60最小系統(tǒng)需要的電源電壓為3.3V，于是我們采用LM1117作為穩(wěn)壓芯片.該芯片是一個(gè)低壓降穩(wěn)壓器，輸出電流可達(dá)800mA，輸出電壓為3.3V.此外，輸出電壓除為最小系統(tǒng)供電外，還為液晶提供工作電壓.

圖2 LM2596電路原理圖Fig.2 LM2596 circuit principle diagram

其次，我們?cè)诒驹O(shè)計(jì)控制手臂中采用MG996舵機(jī)與雙軸舵機(jī)，兩種舵機(jī)的輸入電壓都為4.8V-7.2V.為了讓手臂具有較大的扭力，且舵機(jī)在工作時(shí)安全穩(wěn)定，經(jīng)過(guò)試驗(yàn)比較舵機(jī)最適合采用7V的輸入電壓.于是我們選用LM2596為舵機(jī)提供工作電壓，它是壓降型電源管理單片機(jī)集成電路，能夠輸出3A的驅(qū)動(dòng)電流，同時(shí)具有很好的線性和負(fù)載調(diào)節(jié)特性[13].如圖2 LM2596電路原理圖所示，電源電壓從IN腳輸入后，從OUT腳輸出經(jīng)過(guò)濾波輸出電壓.輸出電壓受反饋電壓控制，通過(guò)調(diào)節(jié)反饋電阻，得到想要的輸出電壓.輸出電壓Vout＝Vref(1+R1/R2)，其中Verf＝1.23V.電位器電阻R1＝R2(Vout/Verf-1)，為了確保輸出穩(wěn)定，R1選標(biāo)稱(chēng)阻值1KΩ，精度1%的電阻.

2.3 校準(zhǔn)模塊

校準(zhǔn)模塊中主要包括按鍵與12864液晶.由于在本設(shè)計(jì)中共有八個(gè)舵機(jī)，而舵機(jī)又需要八路PWM波來(lái)控制.更重要的是，手臂每擺出一個(gè)動(dòng)作，八個(gè)舵機(jī)都要調(diào)到相應(yīng)的角度，并且指揮手勢(shì)中有較多的動(dòng)作，所以在手臂執(zhí)行整個(gè)指揮手勢(shì)中，控制各個(gè)舵機(jī)的PWM波就有很多變化.為了讓PWM波能按時(shí)正確變化，手臂能完美的實(shí)現(xiàn)預(yù)期的指揮手勢(shì)，就需要液晶實(shí)時(shí)顯示各個(gè)舵機(jī)的參數(shù)，然后我們使用按鍵調(diào)節(jié)這些參數(shù)以達(dá)到我們的要求.

本設(shè)計(jì)我們采用的是由龍丘生產(chǎn)的高清晰度OLED.該款液晶尺寸小，只有0.96寸.但分辨率高，分辨率為128?64，顯示效果遠(yuǎn)超過(guò)LCD.單片機(jī)只用到CS(片選管腳)、DC(命令數(shù)據(jù)選擇管腳)、RES(復(fù)位管腳)、D0(時(shí)鐘腳)、D1(輸入數(shù)據(jù)腳)五只引腳.當(dāng)配置好液晶底層驅(qū)動(dòng)后，只需要單片機(jī)將PWM波的占空比讀出，通過(guò)D0口發(fā)送給液晶即可顯示.然后設(shè)置每個(gè)PWM波參數(shù)的顯示位置，液晶上就能同時(shí)顯示八路PWM波的占空比，我們就可以結(jié)合液晶上的參數(shù)和實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)試.

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要由主函數(shù)、初始化子函數(shù)、定時(shí)器中斷函數(shù)和檢查函數(shù)構(gòu)成，圖3為系統(tǒng)主控程序流程圖.

如圖3所示，初始化子函數(shù)包括一個(gè)PIT定時(shí)初始化函數(shù)，用于產(chǎn)生1ms的中斷；一個(gè)FTM初始化函數(shù)，用于產(chǎn)生八路PWM波；一個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘初始化函數(shù)，用于開(kāi)啟系統(tǒng)時(shí)鐘，得到96MHz系統(tǒng)時(shí)鐘和48MHz總線時(shí)鐘；一個(gè)GPIO口初始化函數(shù)，用于配置系統(tǒng)所需端口；一個(gè)液晶初始化函數(shù)，用于驅(qū)動(dòng)12864液晶顯示.

圖3 系統(tǒng)主控程序流程圖Fig.3 System main control program flow chart

單片機(jī)通過(guò)串口將路口的各種交通情況讀入，然后將這些信息通過(guò)端口PTC0-PTC7進(jìn)行編碼.一種交通情況對(duì)應(yīng)著一種編碼，且一種編碼對(duì)應(yīng)著一套指揮手勢(shì).在中斷程序中通過(guò) if語(yǔ)句來(lái)檢測(cè)這些編碼[14-15].一旦檢測(cè)到與程序設(shè)定的相同編碼時(shí)，就會(huì)執(zhí)行相應(yīng)的指揮手勢(shì).

4 結(jié)束語(yǔ)

機(jī)械手臂是一種能夠進(jìn)行自動(dòng)化定位控制并且可以根據(jù)需要編寫(xiě)程序的多功能機(jī)器裝置，它可以有多個(gè)自由度，可以在不同環(huán)境中工作，具有很好的移植性和適應(yīng)性.本文將機(jī)械手臂應(yīng)用于交通指揮，可以在不用改動(dòng)現(xiàn)有交通設(shè)備的基礎(chǔ)上，直接投入使用，減少因投入使用中附加的建設(shè)成本.其次，此機(jī)械手臂協(xié)助交警指揮交通，一定程度上避免執(zhí)法時(shí)存在受時(shí)間、地域的限制和天氣的影響以及警力不足等問(wèn)題，降低交警工作強(qiáng)度，使得交通指揮更加人性化和全面化.因此，機(jī)械手臂加入交通指揮，讓交通指揮智能化、科技化，必將于智慧城市相結(jié)合.

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(責(zé)任編輯:張陽(yáng)，付強(qiáng)，李建忠，羅敏；英文編輯:周序林)

A design of traffic command robotic arm based on K60

LONG Ling，ZHANG Shan-shan，HUANG Qin-zhen

(School of Electrical and Information Engineering，Southwest University for Nationalities，Chengdu 610041，P.R.C.)

In order to improve the work efficiency and reliability of traffic command in cities，this paper presents a design of traffic command robotic arm based on K60，which is formed by the steering gear and bracket of various shapes，and has two joints each of which can be of360-degreemovement.Single chip microcomputer K60 is selected as themain controlmodule.By detecting actual traffic conditions at intersections，robotic arms automatically swing a corresponding command gesture to assist the police directing traffic.This design not only can efficiently complete the command tasks，but also have important significance to intelligent urban traffic construction.

mechanical arm；steering engine；traffic command；K60

TP241

A

2095-4271(2015)03-0379-04

10.11920/xnmdzk.2015.03.022

2015-01-21

龍玲(1981-)，女，苗族，貴州松桃人，實(shí)驗(yàn)師，碩士，研究方向:自動(dòng)化測(cè)試技術(shù)研究.E-mail:long_ling_ll＠163.com.

西南民族大學(xué)國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目(201310656003).