基于機械臂的智能小車

張玉政++莫琦++莫松穎

摘要：隨著科技的日益發(fā)達，人類社會正在向自動化，智能化的方向快速發(fā)展。由于人的雙手有太多的局限性，比如：人的雙手沒有太多的力量，也不能在高溫、嚴寒、深海、外太空等特殊的環(huán)境下工作，而且，隨著高科技時代的發(fā)展，凡事早也不是都靠人的雙手來做了。因此設計出機械臂來代替人的手臂也就顯得很有必要。再者，目前大多數(shù)機械手臂控制系統(tǒng)不夠完善，控制起來比較繁瑣，要想讓機械手爪到達某一目的地需要好幾個控制指令，又不能通過網(wǎng)絡進行超遠程控制，基于這些問題我們這個團隊打算設計此智能機械手臂，其可以在控制者發(fā)出指令后，手機app處理語音指令，然后通過互聯(lián)網(wǎng)發(fā)送給機械臂小車，小車根據(jù)指令與周圍環(huán)境自動處理指令并執(zhí)行相應動作，此過程中便不再人為參與。

關鍵詞：機械臂；控制；信息處理

中圖分類號：TP29 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2017）10-0047-02

1 項目實施的目的及意義

通過設計制作遠程可控制機械臂，意在培養(yǎng)大學生的創(chuàng)新動手能力，思考及處理問題的能力，旨在把關于電子信息專業(yè)的理論知識轉(zhuǎn)化為實踐，把理論與實踐相結(jié)合才能有效提高我們的綜合素質(zhì)及能力。近年來隨著互聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展，“互聯(lián)網(wǎng)+”已經(jīng)是現(xiàn)代信息社會的潮流，再者，各類傳感器的發(fā)展與使用，計算機技術的發(fā)展，芯片集成度的提高，使得自動化技術日益成熟并向AI的方向前進，所以我們認為設計這個機械臂小車，以電子信息技術為基礎，通過各類傳感器的應用，并與計算機通信網(wǎng)絡相結(jié)合，使得此機械臂小車可在不同的網(wǎng)絡中被語音控制，一來適用于當今自動化控制的技術，第二為以后智能機器人的研究做鋪墊。

2 系統(tǒng)組成

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)由手機app上位機遠程控制部分和機械臂[1]小車兩部分組成，如圖1所示。

硬件系統(tǒng)以小車平臺做底座，一來可以作為一個搭載平臺，二是可以讓機械臂小車來回移動以實現(xiàn)遠程控制機械臂的目的。機械臂和小車平臺的控制系統(tǒng)主要是用stm32核心板來控制，用來控制電機，舵機運行，以及PID的調(diào)節(jié)[2]。其次是arm9處理器，主要是用來處理信息指令，當手機app通過網(wǎng)絡將語音指令發(fā)送給arm9處理器后，處理器便進行語音識別，并翻譯成第二級指令，然后發(fā)送給stm32，stm32收到指令后翻譯成機器指令，進而控制機械臂以及小車的動作。再者，當遠距離通信時，我們需要時刻關注小車狀態(tài)，這時就需要通過傳感器將小車狀態(tài)以及周圍環(huán)境實時傳輸給控制者，這是就需要arm9處理器來處理并傳輸這些信息 。

2.2 研究內(nèi)容

2.2.1 小車平臺PID調(diào)節(jié)、六方向舵機械手臂控制算法[3]

小車平臺是所有硬件搭建的基礎，因此對于小車平臺的調(diào)節(jié)使其精確的到達某一地點便很有必要，所以在控制小車平臺時我們就需要其有自動調(diào)節(jié)能力，目前最簡單且方便的自動控制算法便是PID。

所謂PID調(diào)節(jié)，其實就是一個閉環(huán)自主控制調(diào)節(jié)[2]，其目的是通過算法及程序控制使得小車工作在設計者設計初衷狀態(tài)下，我們知道，如果小車在一般情況下工作，電機的參數(shù)會不同，電源之間也會有差異，工作環(huán)境也不是理想環(huán)境，所以，隨著時間的推移，小車行走路徑就會有改變，如此便達不到我們的目的，因此使用PID調(diào)節(jié)非常有必要，根據(jù)電機編碼盤傳輸回來的參數(shù)與設定值比較，然后通過比例，積分，微分使得參數(shù)值維持與設定值相同，然后再把此參數(shù)值輸入到電機中，這樣我們就可以精確控制小車平臺的走向，進而達到預定目的地。

目前PID控制方式一般有兩種：模擬PID控制和數(shù)字PID控制[3]，由于我們是使用芯片來控制的，屬于數(shù)字信號，所以使用的是數(shù)字PID控制，其中數(shù)字PID控制又包含位置式、增量式算法、積分分離算法、梯形積分算法、模糊算法等，選好一種合適的算法后還要考慮參數(shù)的整定?？刂破鲄?shù)整定：指決定調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)、積分時間Ti、微分時間Td和采樣周期Ts的具體數(shù)值，其實質(zhì)是通過改變調(diào)節(jié)器的參數(shù)，使其特性和過程特性相匹配，以改善系統(tǒng)的動靜態(tài)指標，取得最佳的控制效果。整定調(diào)節(jié)器參數(shù)的方法一般有理論計算整定法和工程整定法，理論計算整定法有對數(shù)頻率特性法和根軌跡法，工程整定法有湊試法、臨界比例法、經(jīng)驗法、衰減曲線法和響應曲線法等，基于我們這個小車平臺，移動速度不會太快，硬件本身穩(wěn)定性比較好，所以我們使用增量式PID算法，而機械臂去抓取某一物體時，由于物體的不同機械臂的調(diào)整也會不同，所以這部分我們采用的是模擬算法，而當小車平臺去實現(xiàn)到某一個指定地點時，只需要判斷方位即可，所以我們采用湊試法來整定參數(shù)，機械臂則根據(jù)探測器反饋的物體參數(shù)利用相應曲線來整定。

舵機是機械臂的主要組成部分，舵機的控制是影響手機械臂性能的重要因素[1]，因此，為了精準的操作機械臂，那就需要更好地控制舵機。舵機控制如圖2所示，舵機內(nèi)部一般是由小型直流馬達、電子控制板、可調(diào)電位器、變速齒輪組等組成。

舵機是用PWM信號進行控制的，利用空占比的變化改變舵機轉(zhuǎn)軸的位置，舵機的控制一般需要一個20ms左右的時基脈沖，該脈沖的高電平部分一般為0.5ms—2.5ms范圍內(nèi)的角度控制脈沖部分。如何設計這個脈沖信號進而使舵機發(fā)生不同的轉(zhuǎn)動呢？在這里，我們用stm32單片機作為舵機的控制單元，其原因有：第一，stm32單片機能夠模擬PWM信號，第二，stm32單片機便于與舵機相連接，而且系統(tǒng)穩(wěn)定，不易受到干擾，它能使PWM信號的脈沖寬度實現(xiàn)微妙級的變化，進而也能提高舵機的轉(zhuǎn)角精度。stm32單片機完成控制算法，再將計算結(jié)果轉(zhuǎn)化為PWM信號輸出到對應的舵機。其中，stm32單片機系統(tǒng)實現(xiàn)對舵機輸出轉(zhuǎn)角的控制，必須首先完成兩個任務：首先是產(chǎn)生基本的PWM周期信號；其次是脈沖寬度的調(diào)整，即單片機模擬PWM信號的輸出，并且調(diào)整占空比。但是如果要機械手臂完成到達某一指定位置的動作，則需要以此控制六個舵機，這樣一來既浪費時間又會導致控制精度不夠。所以為了便于操作者操控，并且體現(xiàn)出其智能一面，我們只需要一條語音指令便能實現(xiàn)操作者目的，這樣，當我們的語音指令發(fā)送過來后，arm9處理器便分析此語音指令，其目的是將此語音指令翻譯成能夠控制六個舵機的機器命令，這樣當控制者發(fā)送過語音指令后便不再參與此過程，整個過程完全由機器完成，由此，如何只通過一條語音指令轉(zhuǎn)換成六個機械臂指令變成了最大的問題，而且整個過程為保證機械臂的穩(wěn)定性，還需要上述的PID調(diào)節(jié)，因此，在一條語音指令控制機械臂的過程中，為了使機械臂和小車平臺能夠自主分析要抵達位置，我們在小車平臺上安裝了兩個超聲波模塊以及攝像頭模塊，然后數(shù)學公式以及圖像處理來分析當前環(huán)境，判斷此物體以機械臂小車為基準的偏角，高度，經(jīng)過arm9處理器處理后，將機械臂將要到達的位置信息發(fā)送給stm32，從而能夠精確的到達目的位置。endprint

2.2.2 無線遠程通信的內(nèi)網(wǎng)間信息通信

遠程人機交互主要利用網(wǎng)絡來實現(xiàn)，語音指令由手機app接收然后app通過網(wǎng)絡將指令發(fā)送給小車的arm9處理器；arm9將機械臂周圍的環(huán)境以及小車狀態(tài)通過網(wǎng)絡返回給操縱者，從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)的交互。其中首先要解決的問題是“兩內(nèi)網(wǎng)間通信問題”，如何讓兩個處于不同內(nèi)網(wǎng)的機器通信一直是一個比較難以解決的問題，一般解決的辦法有：使用服務器作為中間媒介，先把信息發(fā)送到外網(wǎng)服務器中，然后再由服務器轉(zhuǎn)發(fā)到另一局域網(wǎng)的機器中，或者通過虛擬局域網(wǎng)間接的把兩臺不同局域網(wǎng)的主機連接到同一個局域網(wǎng)中，以實現(xiàn)兩者之間的通信。但是基于目前通信軟件數(shù)量極多，所以借用這些通信軟件的服務器便是一個不錯的選擇，我們的解決辦法是使用微信的開源軟件，將我們自己開發(fā)的app模塊以插件的方式嵌入到微信中去，再者小車平臺搭載有arm9處理器，其可以上安卓操作系統(tǒng)，所以安裝一個微信軟件也比較容易，以此解決內(nèi)網(wǎng)間的通信問題。

2.2.3 語音識別

在此項目中我們主要通過控制者的語音信息來操作機械臂小車，但是我們需要遠程控制（實現(xiàn)不同網(wǎng)絡中進行通信控制），所以以硬件設備來實現(xiàn)語音到控制指令的識別轉(zhuǎn)換并不可取，所以這里我們用自己編寫的app插件來進行語音識別轉(zhuǎn)換。事先app先把語音信息識別成文字，然后通過網(wǎng)絡把文字信息發(fā)送給機械臂小車，機械臂小車接收到文字指令后便轉(zhuǎn)換成機器指令，最終實現(xiàn)語音控制。

3 結(jié)語

機械臂的設計給人們帶來了極大的方便，幫助人們完成非正常條件下人們幾乎無法完成的事情，其應用范圍十分廣泛，比如：工業(yè)制造、醫(yī)學治療、娛樂服務、軍事上可以排雷，應用于爆破、半導體制造、短距離運輸以及太空探索，深海探索方面可以幫助采集樣品等，而本設計作品主要是幫助大學生了解機械臂的基本知識，培養(yǎng)其創(chuàng)新意識，提高動手能力，學習控制算法PID以及衍生算法，嵌入式開發(fā)，網(wǎng)絡以及app編程，語音識別等多項技術。

參考文獻

[1]田海波，馬宏偉，魏娟.串聯(lián)機器人機械臂工作空間與結(jié)構(gòu)參數(shù)研究[J].農(nóng)業(yè)機械學報，2013，04：196-201.

[2]王琨.提高串聯(lián)機械臂運動精度的關鍵技術研究[D].中國科學技術大學，2013.

[3]甘亞輝，戴先中.多機械臂協(xié)調(diào)控制研究綜述[J].控制與決策，2013，03：321-333.endprint