基于FPGA的智能無線遙控排險機(jī)械臂設(shè)計

王柏東+王文竹+閆曉東

摘要：本設(shè)計是基于FPGA為核心控制系統(tǒng)的智能救援機(jī)器人設(shè)計。分別研究了救援機(jī)器人的機(jī)械機(jī)構(gòu)設(shè)計，信息采集與探測以及遠(yuǎn)程控制三大模塊，設(shè)計出了一套理論清晰，具有實際應(yīng)用價值的災(zāi)難救援機(jī)器人。

機(jī)械臂智能遙控系統(tǒng)包括傳感器、機(jī)械臂動作系統(tǒng)、無線信號發(fā)射裝置和無線信號接收裝置，機(jī)械臂動作系統(tǒng)和無線信號接收裝置安裝在機(jī)械臂上，機(jī)械臂動作系統(tǒng)和無線信號接收裝置連接，傳感器和無線信號發(fā)射裝置連接，無線信號發(fā)射裝置和無線信號接收裝置通信連接。本項目通過人體手臂的動作達(dá)到控制機(jī)械臂進(jìn)行與人體手臂相近或類似的動作，使得在救援時，機(jī)械臂能更好的完成操作人員所下達(dá)的動作命令；救援機(jī)器人通過履帶在各種路況行進(jìn)，避免被凹凸不平的地面阻礙導(dǎo)致行進(jìn)困難，在災(zāi)難發(fā)生后能很好的發(fā)揮作用并得到利用，在搜救過程中能夠代替救援人員避免不必要的傷害。

正文：

歷經(jīng)了一年的努力終于完成了項目的制作，通過這次項目設(shè)計讓我們收獲了許多，這其中不僅僅是知識的擴(kuò)充與鞏固，還有對創(chuàng)新更新的認(rèn)識，最重要的是通過共同努力取得成功的喜悅。最初的我們滿懷信心設(shè)計了這個項目，并賦予了它很多功能，最后我們發(fā)現(xiàn)部分功能難以實現(xiàn)，但畢竟是一個新的思維，我們圍繞著一個個難題逐步突破，在這期間我們查閱了大量資料，遇到難以理解的地方就會去請教指導(dǎo)教師，從中獲取了大量的知識，并解決了一個個難題。

1958年美國聯(lián)合控制公司研制出第一臺機(jī)械手。不論是傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)，還是新興產(chǎn)業(yè)，都離不開各種各樣的機(jī)械裝備，機(jī)械工業(yè)所提供裝備的性能、質(zhì)量和成本，對國民經(jīng)濟(jì)各部門技術(shù)進(jìn)步和經(jīng)濟(jì)效益有很大的和直接的影響。機(jī)械工業(yè)的規(guī)模和技術(shù)水平是衡量國家經(jīng)濟(jì)實力和科學(xué)技術(shù)水平的重要標(biāo)志。我國已經(jīng)基本掌握了機(jī)器人的設(shè)計制造技術(shù)，控制系統(tǒng)和驅(qū)動系統(tǒng)的設(shè)計以及機(jī)器人的軟件和編程等關(guān)鍵技術(shù)。不過我國在救援機(jī)器人的研究方面起步晚，大多數(shù)研究還是停留在某個單項研究階段。

機(jī)械手是近幾十年發(fā)展起來的一種高科技自動化生產(chǎn)設(shè)備。它的特點(diǎn)是可通過編程來完成個人中預(yù)期的作業(yè)任務(wù)，在構(gòu)造和性能上具有人和機(jī)器各自的特點(diǎn)，尤其體現(xiàn)了認(rèn)得智能和適應(yīng)性。機(jī)械手作業(yè)的準(zhǔn)確性和各種環(huán)境中完成作業(yè)的能力，在國民經(jīng)濟(jì)各領(lǐng)域有著廣闊的發(fā)展前景。機(jī)械手雖然目前還不如人手那樣靈活，但它具有能不斷重復(fù)工作和勞動，不知疲勞，不怕危險，抓舉重物的力量比人手力大的特點(diǎn)，因此，機(jī)械手已受到許多部門的重視，并越來越廣泛地得到了應(yīng)用。

此次項目的機(jī)械手臂用于物流生產(chǎn)線上物品的抓取和易位。整個機(jī)械臂安裝在一個回轉(zhuǎn)支座上，回轉(zhuǎn)角度范圍為360°；肩關(guān)節(jié)為轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)，回轉(zhuǎn)角度范圍為360°；小臂相對于大臂可擺動，擺動范圍為60°-120°；小臂末端的手腕也可以擺動，水平和垂直擺動范圍為-60°到+60°；手腕的末端安裝一機(jī)械手，機(jī)械手具有開閉能力，用于直徑30-45mm工件的抓取。機(jī)構(gòu)是一個六自由度的機(jī)械手，能完成夾緊、旋轉(zhuǎn)、俯仰、搖擺以及回轉(zhuǎn)動作，加之將其放于移動履帶車上，自由度大大提升，可用于野外探險等復(fù)雜環(huán)境。我們主要針對設(shè)計的是在流水線上對已加工成品的夾取放置（范圍為邊長為1000mm），機(jī)構(gòu)簡便、效率高，可控范圍大，基座運(yùn)用齒輪傳動，效率高，強(qiáng)度大，可調(diào)角度大，回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和俯仰機(jī)構(gòu)都是-60°到60°。機(jī)構(gòu)所用零件便于加工，標(biāo)準(zhǔn)件較多，便于機(jī)構(gòu)的組裝，相應(yīng)的成本也不高。

程序的編寫重在原理的掌我們使用的舵機(jī)工作周期均為20ms，用單片機(jī)定時器產(chǎn)生的六路PWM波的周期也相同。使用單片機(jī)的內(nèi)部定時器產(chǎn)生脈沖計數(shù)，一般來說，舵機(jī)工作正脈沖寬度小于周期的1/5，這樣能夠在1個周期內(nèi)分時啟動各路PWM波的上升沿，再利用定時器中斷T0確定各路PWM波的輸出寬度，定時器中斷T1控制20ms的基準(zhǔn)時間。第1次定時器中斷T0按20ms的1/5配置初值，并配置輸出I/O口，第1次T0定時中斷響應(yīng)后，將當(dāng)前輸出I/O口對應(yīng)的引腳輸出置高電平，配置該路輸出正脈沖寬度，并啟動第2次定時器中斷，輸出I/O口指向下一個輸出口。第2次定時器定時時間結(jié)束后，將當(dāng)前輸出引腳置低電平，配置此中斷周期為20ms的1/5減去正脈沖的時間，此路PWM信號在該周期中輸出完畢，往復(fù)輸出。在每次循環(huán)的第10次（2×5=10）中斷實行關(guān)定時中斷T0的操作，最后就能夠?qū)崿F(xiàn)6路舵機(jī)控制信號的輸出。在舵機(jī)運(yùn)動過程中，既為了整個機(jī)械手臂平穩(wěn)運(yùn)行，又為了保護(hù)舵機(jī)不被燒毀，所以在程序算法中加入了緩沖機(jī)制。

在實現(xiàn)履帶車與機(jī)械臂的結(jié)合過程中，遇到最大的問題就是程序的編寫，程序稍有不慎就會將機(jī)械臂的舵機(jī)燒毀，同時還伴隨部分舵機(jī)抖動的現(xiàn)象，很是讓我們頭疼，最初我們排除了無線電干擾，后來發(fā)現(xiàn)除了程序有不足外，電源也有很大問題，特別是我們在接收機(jī)與動力電機(jī)共用同一組電源。雖然大多數(shù)情況下接收機(jī)的電路中都有穩(wěn)壓措施，但在電源電壓不足或電源容量過小，動力電機(jī)又有較大的啟動電流時，穩(wěn)壓電路也會無能為力；由此造成電源電壓嚴(yán)重波動，接收機(jī)輸出波形失常，引起舵機(jī)抖動。就是在接收機(jī)單獨(dú)供電時，如果電源容量過小，又同時配接了多只舵機(jī)特別是功耗較大的強(qiáng)力舵機(jī)時，產(chǎn)生了這種情況。因為是電源電壓不足或因電源容量小而起的抖舵，我們更換了大容量的電源。當(dāng)然有時也可以用減小動力消耗的辦法來解決，比如更換一只工作電流較小的動力電機(jī)?？墒沁@樣會影響我們設(shè)計的部分功能，如果那樣的話就無法操作機(jī)械臂拾取重物了。

在接下來實物的調(diào)試中，我們開始用單片機(jī)自身的PWM來簡單控制舵機(jī)，但是發(fā)現(xiàn)只能控制六路舵機(jī)，為了方便今后舵機(jī)的擴(kuò)展我們采用定時器來模擬PWM脈沖，但是當(dāng)我們調(diào)試時發(fā)現(xiàn)計算的理論值與實際的值有很大差別，為了實現(xiàn)周期20msPWM波，我們用示波器來跟蹤輸出的脈沖并實時調(diào)整計算的理論值。

總結(jié)一下這次創(chuàng)新項目給我們帶來的收獲：

1.對學(xué)習(xí)知識有了新的認(rèn)識。知識來源于書本的同時，也要從實踐中運(yùn)用，不然知識就只是白紙上的黑字，毫無意義。我們?nèi)齻€人結(jié)合自身愛好與優(yōu)勢，合理分工，學(xué)習(xí)到了各自感興趣的知識，在創(chuàng)新實踐中得到了鞏固，這些成為了我們一生的財富，是別人用錢買不到的。

2.對團(tuán)隊協(xié)作有了新的看法。創(chuàng)新意識來源與我們這個團(tuán)隊，所以在項目的執(zhí)行過程中，我們從始至終保持著溝通，在很多方面上都得到了體現(xiàn)，如果我們各司其職，絕對不會把這個項目作品做成的。平時我們要上課，只有晚上有時間在一起研究項目的制作，時間雖然足夠充足，但別忘了時間很寶貴。我們能夠合理利用時間，全依靠與及時的溝通與交流，在這期間也加強(qiáng)了小組成員間的默契度。

3.對創(chuàng)新有了新的想法。如果說這一年時間我們?nèi)硇耐度脒@個項目，沒心思想別的是很不現(xiàn)實的，我們在研究過程中發(fā)現(xiàn)了當(dāng)前項目的很多不足，并想辦法加以改進(jìn)，與此同時就滋生出了很多創(chuàng)新的新想法。其實有很多舉世發(fā)明就是在不經(jīng)意間產(chǎn)生的，設(shè)計者最初沒考慮到會做出這樣的作品，完全是靈光一閃而過。

希望我們在今后的生活中能夠結(jié)合這次對創(chuàng)新的訓(xùn)練得到的啟發(fā)，達(dá)到一個新的高度，然后在下一次創(chuàng)新實踐中充分發(fā)揮我們的能力，做出更好的表現(xiàn)，同時也十分感謝指導(dǎo)教師對我們的幫助。

參考文獻(xiàn)：

《FPGA現(xiàn)代數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計及應(yīng)用》陳金鷹著 機(jī)械工業(yè)出版社

《機(jī)械臂系統(tǒng)的控制同步理論與應(yīng)用》韓清凱著國防工業(yè)出版社

《FPGA/CPLD應(yīng)用技術(shù)》韓曉敏著清華大學(xué)出版社endprint