一款基于ARM嵌入式的機(jī)械臂的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

吳家合 張玉薇 朱慶紅 藍(lán)祝愿 方敏

摘要：機(jī)械臂在當(dāng)今的醫(yī)療、工業(yè)等方面起著重要作用，為使機(jī)械臂更加適用、靈活、易于控制，基于ARM，通過(guò)依賴于ARM架構(gòu)與ESP8266WiFi模塊以及各種模塊，實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂的動(dòng)作以及對(duì)物件的抓持。利用DsP算法使采集的信號(hào)轉(zhuǎn)換為PWM控制信號(hào)，采用消抖算法，從而達(dá)到械臂在運(yùn)行中的高穩(wěn)定性。本機(jī)械臂可提升控制精度以及靈活性、機(jī)械臂與程序功能的融合。

關(guān)鍵詞：機(jī)械臂;ARM;靈活性;控制

中圖分類號(hào)：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2020）05-0137-02

機(jī)械臂是一種可以通過(guò)編譯軟件程序來(lái)完成的自動(dòng)設(shè)備，它漸漸具備了有人的視覺(jué)以及判斷能力。在工作的過(guò)程中，機(jī)械臂的控制的準(zhǔn)確性和對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性，使其在各個(gè)領(lǐng)域都有著廣闊的發(fā)展前景。特別是高級(jí)的機(jī)械臂，可以執(zhí)行更加復(fù)雜的任務(wù)。機(jī)械臂是當(dāng)今科研領(lǐng)域及工業(yè)領(lǐng)域的研究前沿和熱點(diǎn)，兼有人行為意識(shí)和機(jī)械手的作業(yè)效能，因此在軍事、醫(yī)療、空間、工業(yè)等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。在國(guó)外，工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展已經(jīng)較為成熟，并且得到了非常廣泛的應(yīng)用，在國(guó)內(nèi)，機(jī)械臂的設(shè)計(jì)還處于—個(gè)模仿的階段。目前在機(jī)械臂的應(yīng)用中，對(duì)于機(jī)械還的操控多為按鍵控制或者需要多個(gè)控制桿來(lái)控制一個(gè)機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)，其設(shè)計(jì)繁瑣，操作復(fù)雜，給操作者使用帶來(lái)很大不便。針對(duì)上述問(wèn)題，側(cè)重研究基于ARM的機(jī)械臂，旨在提升機(jī)械臂的傳輸信息實(shí)時(shí)性與控制精度以及靈活性，促進(jìn)機(jī)械臂與程序功能的融合。

1系統(tǒng)功能分析

系統(tǒng)以ARM微型處理器架構(gòu)為核心，以MG996R金屬數(shù)字舵機(jī)、舵機(jī)驅(qū)動(dòng)板PCA9685芯片、MMA7361三軸加速度傳感器為主要外圍元件，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換控制芯片采集相應(yīng)的數(shù)字量信號(hào)，并編寫控制算法程序調(diào)節(jié)輸出PWM波的占空比，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)控制相應(yīng)舵機(jī)運(yùn)動(dòng)的目的。通過(guò)CPU控制、三軸加速傳感器對(duì)數(shù)據(jù)的采集以及消抖算法，使得機(jī)械臂的運(yùn)行變得更加的穩(wěn)定與協(xié)調(diào)，實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂的靈活傳動(dòng)與自由制動(dòng)。進(jìn)而實(shí)現(xiàn)處理器架構(gòu)與各模塊之間功能。

2系統(tǒng)功能模塊設(shè)計(jì)

在系統(tǒng)中，擬選擇ARM作為主控單元，ARM可以使PwM信號(hào)的脈沖寬度實(shí)現(xiàn)微妙級(jí)的變化，從而提高舵機(jī)的轉(zhuǎn)角精度。此舵機(jī)驅(qū)動(dòng)板使用PCA9685芯片是16通道12bit，PWM舵機(jī)驅(qū)動(dòng)，用兩個(gè)引腳通過(guò)12C就可以驅(qū)動(dòng)16個(gè)舵機(jī)。通過(guò)級(jí)聯(lián)的方式最多級(jí)聯(lián)62個(gè)驅(qū)動(dòng)板，增強(qiáng)可擴(kuò)展性，此外還解決驅(qū)動(dòng)電路和控制電路隔離的問(wèn)題。ARM再完成消抖控制算法，再將計(jì)算結(jié)果轉(zhuǎn)化為PWM信號(hào)輸出到舵機(jī)，由于單片機(jī)系統(tǒng)是一個(gè)數(shù)字系統(tǒng)，其控制信號(hào)的變化完全依靠硬件，所以受外界干擾較小，整個(gè)系統(tǒng)的工作性可靠，其原理框圖如圖1、圖2所示。

系統(tǒng)利用觸摸屏與串口通訊實(shí)現(xiàn)編譯程序?qū)C(jī)械臂的控制，實(shí)現(xiàn)操作者所輸入編碼的要求。再次根據(jù)機(jī)械臂控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，以CPU為核心進(jìn)行個(gè)模塊問(wèn)的總體設(shè)計(jì)，然后重點(diǎn)以協(xié)調(diào)為核心進(jìn)行協(xié)控制器的功能和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，分以下部分：舵機(jī)控制器模塊、數(shù)據(jù)采集模塊，并采用加速傳感器、仿真、已至加以實(shí)用。

3機(jī)械臂的軟件設(shè)計(jì)

基于ARM的機(jī)械臂的軟件測(cè)試，編譯的主要環(huán)境是Windows7，選用的編程軟件是KEIL5，通過(guò)輸入一些關(guān)鍵的軟件代碼，通過(guò)串口燒錄入硬件，實(shí)現(xiàn)我們的需要的功能。每一個(gè)模塊都應(yīng)該有一個(gè)屬于自己模塊的程序流程圖，這樣才能十分清晰的完成編譯的目的，達(dá)到功能實(shí)現(xiàn)的效果。機(jī)械臂的主控制程序流程圖詳見(jiàn)圖3所示。

4結(jié)語(yǔ)

基于ARM的機(jī)械臂綜合多方的技術(shù)進(jìn)行整合，依靠ESP8266 WiFi模塊以及其他輔助模塊，通過(guò)DSP算法使采集的信號(hào)轉(zhuǎn)換為PWM控制信號(hào)，采用消抖算法，實(shí)現(xiàn)了機(jī)械臂的動(dòng)作以及對(duì)物件的抓持機(jī)械臂夾持力度、通過(guò)算法保證工作的穩(wěn)定性、提升控制精度以及靈活性、機(jī)械臂與程序功能的融合，以此達(dá)到其功能的實(shí)現(xiàn)。