基于智能感應(yīng)的多自由度機(jī)械臂系統(tǒng)的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)?

宦 婧 周偉祝 趙 媛

（海軍航空工程學(xué)院 煙臺(tái) 264001）

1 引言

機(jī)械臂系統(tǒng)可以在軍事及工業(yè)生產(chǎn)中提高設(shè)備自動(dòng)化、改善作業(yè)條件，提高作業(yè)效率，尤其在高溫、高壓以及放射性危險(xiǎn)場(chǎng)合［1］。傳統(tǒng)的機(jī)械臂主要分為兩類：一類是通過(guò)事先編程來(lái)完成各種預(yù)期的作業(yè)任務(wù)［2］；另一類是通過(guò)復(fù)雜的操作臺(tái)來(lái)控制。以上兩類機(jī)械臂在使用中，操作方式復(fù)雜，應(yīng)變能力較差?；趯?duì)當(dāng)前國(guó)內(nèi)外機(jī)械臂結(jié)構(gòu)和控制裝置情況的研究，綜合運(yùn)用智能傳感原理以及無(wú)線傳輸技術(shù)等技術(shù)，本文設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一套智能感應(yīng)機(jī)械臂系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)距離信息的感應(yīng)實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械臂多自由度的準(zhǔn)確作業(yè)控制。

2 機(jī)械臂系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

智能感應(yīng)機(jī)械臂基于便捷化操作的基本思路和感應(yīng)控制的基本原理，其硬件部分由智能感應(yīng)系統(tǒng)和機(jī)械執(zhí)行系統(tǒng)構(gòu)成，如圖1所示。智能感應(yīng)系統(tǒng)由Arduino UNO控制板、Arduino IDE開發(fā)環(huán)境、超聲波傳感器以及電源組成，機(jī)械執(zhí)行系統(tǒng)由數(shù)字舵機(jī)、底座、支架、手爪和電源構(gòu)成。

圖1 機(jī)械臂系統(tǒng)總體硬件結(jié)構(gòu)

3 智能機(jī)械臂控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

智能感應(yīng)多自由度機(jī)械手臂由超聲波智能感應(yīng)模塊、基于Arduino控制板的控制模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊（機(jī)械臂機(jī)械主體）以及電源模塊組成，其控制系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)如圖2所示，智能機(jī)械臂以Ardui?no控制板為核心控制器，連接感應(yīng)元器件和舵機(jī)，通過(guò)Arduino IDE集成開發(fā)環(huán)境開發(fā)控制程序作用于電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊驅(qū)動(dòng)機(jī)械臂各個(gè)舵機(jī)的準(zhǔn)確運(yùn)動(dòng)，以此構(gòu)成閉合的控制系統(tǒng)，最后通過(guò)系統(tǒng)調(diào)試，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械臂多自由度準(zhǔn)確的作業(yè)控制。

1）控制模塊：該中心控制模塊包含硬件和軟件開發(fā)環(huán)境，它以Arduino UNO控制板為硬件，Ar?duino IDE基于processing IDE開發(fā)，具有很強(qiáng)的靈活性，Arduino能通過(guò)各種各樣的傳感器來(lái)感知環(huán)境，通過(guò)控制燈光、馬達(dá)和其他的裝置來(lái)反饋和影響環(huán)境［3］。

圖2 智能機(jī)械臂控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

2）超聲波智能感應(yīng)模塊：通過(guò)超聲波傳感模塊檢測(cè)與物體的距離信息，并將接受到的信息通過(guò)智能轉(zhuǎn)化，發(fā)送給控制中心模塊。

3）電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊：驅(qū)動(dòng)通過(guò)16路舵機(jī)控制器實(shí)現(xiàn)，首先通過(guò)上位機(jī)監(jiān)控軟件界面的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂多自由度協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)規(guī)劃和存儲(chǔ)動(dòng)能，同時(shí)接受控制中心發(fā)送的驅(qū)動(dòng)信息，調(diào)動(dòng)不同的舵機(jī)運(yùn)動(dòng)。

3.1 傳感器模塊

1）工作原理及連線

本系統(tǒng)采用的SRF-04超聲波傳感器有四個(gè)腳：5V電源腳（Vcc），觸發(fā)控制端（Trig），接收端（Echo），地端（GND），如圖3所示為傳感器模塊電路連接方法。將超聲波傳感器的輸入輸出端連接到Arduino的端口2和端口3，電源輸入端連接到Arduino的高電平輸出端，接地端連接到Arduino的接地端。

傳感器模塊采用I/O觸發(fā)測(cè)距，給至少10μs的高電平信號(hào)［4］；模塊自動(dòng)發(fā)送8個(gè)40KHz的方波，自動(dòng)檢測(cè)是否有信號(hào)返回；有信號(hào)返回，通過(guò)I/O輸出一高電平，高電平持續(xù)的時(shí)間就是超聲波從發(fā)射到返回的時(shí)間［5］。

測(cè)試距離=（高電平時(shí)間*聲速（340m/s））/2；

圖3 傳感器模塊線路連接方法

2）Arduino程序設(shè)計(jì)

通過(guò)Arduino程序讀出超聲波傳感器發(fā)射超聲波到接受反射回來(lái)的波所經(jīng)過(guò)的時(shí)間差［6～7］，然后將這個(gè)時(shí)間差發(fā)送出去，讓電腦接收。這里列出部分Arduino程序，首先定義觸發(fā)控制端（TrigPin），接收端（EchoPin）變量，將變量與對(duì)應(yīng)針腳相連：

const int TrigPin=2；

const int EchoPin=3；

接著設(shè)置TrigPin為輸出端，EchoPin為輸入端：

pinMode（TrigPin，OUTPUT）；

pinMode（EchoPin，INPUT）；

接著使用低高低電平發(fā)一個(gè)短時(shí)間脈沖去TrigPin：

digitalWrite（TrigPin，LOW）；

delayMicroseconds（2）；

digitalWrite（TrigPin，HIGH）；

delayMicroseconds（10）；

digitalWrite（TrigPin，LOW）；

最后將回波時(shí)間換算成厘米（cm）。

cm=pulseIn（EchoPin，HIGH）/58.0；

將程序燒錄到Arduino板后，串口實(shí)時(shí)顯示的傳感器所測(cè)距離數(shù)據(jù)如圖4所示。

圖4 串口通信實(shí)時(shí)效果

3.2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊可以控制機(jī)械臂肘部、腕部和手爪的上下左右轉(zhuǎn)動(dòng)，首先定義6個(gè)舵機(jī)對(duì)象，分別控制機(jī)械臂肩部轉(zhuǎn)動(dòng)、肘部上下擺動(dòng)、腕部上下擺動(dòng)、腕部左右旋轉(zhuǎn)以及手爪的開合，將引腳1，2，3，4，5，6上的舵機(jī)與聲明的舵機(jī)對(duì)象鏈接起來(lái)，并且寫入舵機(jī)角度，最后根據(jù)感應(yīng)到的感應(yīng)數(shù)據(jù)給不同的舵機(jī)寫入不同的角度，實(shí)現(xiàn)對(duì)舵機(jī)的控制，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)作業(yè)。如圖5所示為舵機(jī)的線路圖，舵機(jī)三路控制，其中GND（黑色線）、VCC（紅色線）、Signal（黃色線）。

圖5 舵機(jī)連線圖

如下給出了舵機(jī)模塊簡(jiǎn)要設(shè)計(jì)代碼，其中使用的serve類函數(shù)［8］如表1所示。#include＜Servo.h>

Servo myservo；//建立一個(gè)舵機(jī)對(duì)象

int pos=0； //pos存儲(chǔ)舵機(jī)角度

void setup（）

｛myservo.attach（9）；//將舵機(jī)與9號(hào)接口相連

｝

void loop（）

｛for（pos=0；pos＜ 180；pos+=1）//從0°到180°，步長(zhǎng)為1

｛myservo.write（pos）； //改寫舵機(jī)角度

delay（15）； //延時(shí)15ms

｝

for（pos=180；pos>=1；pos-=1）//從180°到0°

｛myservo.write（pos）； //改寫舵機(jī)角度

delay（15）； //延時(shí) 15ms

｝

｝

表1 使用serve類函數(shù)

4 六自由度機(jī)械臂機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)

圖6 智能機(jī)械臂機(jī)械結(jié)構(gòu)

智能感應(yīng)機(jī)械臂可以完成三維空間的各種動(dòng)作［9～10］，該機(jī)械臂由六個(gè)舵機(jī)作為動(dòng)力輸出，通過(guò)六個(gè)舵機(jī)對(duì)六個(gè)關(guān)節(jié)的直觀操作，實(shí)現(xiàn)肩部、腕部、肘部的轉(zhuǎn)動(dòng)以及抓取器的閉合等動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的作業(yè)控制。

機(jī)械臂的主體結(jié)構(gòu)包括肩關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)和腕關(guān)節(jié)。如圖6所示，它的肩關(guān)節(jié)由1、2號(hào)舵機(jī)組成，可以實(shí)現(xiàn)垂直方向的轉(zhuǎn)動(dòng)，肘關(guān)節(jié)由3號(hào)舵機(jī)組成，可以實(shí)現(xiàn)水平方向的轉(zhuǎn)動(dòng)，腕關(guān)節(jié)由4，5號(hào)舵機(jī)組成，可實(shí)現(xiàn)軸向的轉(zhuǎn)動(dòng)。機(jī)械爪由6號(hào)舵機(jī)控制，可實(shí)現(xiàn)90°的抓取動(dòng)作。

5 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

智能感應(yīng)機(jī)械臂的軟件執(zhí)行流程如圖7所示：電源為16路舵機(jī)控制板、舵機(jī)、Arduino控制面板在內(nèi)的所有元器件提供所需的電能。接通電源后，機(jī)械臂的高度智能化通過(guò)超聲波傳感器得以體現(xiàn)：通過(guò)超聲波傳感器接收到不同的距離信息，將信號(hào)傳至Arduino控制面板，當(dāng)接收到的距離信息在有效范圍內(nèi)，控制板通過(guò)燒錄程序判斷檢測(cè)距離所在的范圍區(qū)間，根據(jù)區(qū)間向16路舵機(jī)控制板發(fā)出不同的命令，調(diào)用儲(chǔ)存在其中的相應(yīng)的動(dòng)作組，從而控制不同部位的舵機(jī)旋轉(zhuǎn)不同角度，使機(jī)械臂做出各種動(dòng)作。這里的電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊采用PWM信號(hào)來(lái)控制直流電機(jī)的速度和正反轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)六個(gè)舵機(jī)在六個(gè)自由度方向的運(yùn)動(dòng)。

圖7 智能機(jī)械臂系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)流程

6 結(jié)語(yǔ)

智能機(jī)械臂系統(tǒng)的創(chuàng)意在于使用超聲波傳感模塊對(duì)于機(jī)械臂的智能控制，自主編程實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂的智能運(yùn)行。本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)綜合應(yīng)用了兩大知識(shí)模塊，傳感系統(tǒng)和微機(jī)控制系統(tǒng)，實(shí)踐證明，創(chuàng)新機(jī)械臂的控制系統(tǒng)，達(dá)到機(jī)械系統(tǒng)與數(shù)據(jù)信息的實(shí)時(shí)交互傳輸，實(shí)現(xiàn)了人與機(jī)械臂的有效交互操控，為未來(lái)實(shí)現(xiàn)智能系統(tǒng)人與物的相容互動(dòng)提供新的方法。

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