基于嵌入式系統(tǒng)的六軸關(guān)節(jié)型機(jī)械臂系統(tǒng)

本文引用格式：姜宇凡.基于嵌入式系統(tǒng)的六軸關(guān)節(jié)型機(jī)械臂系統(tǒng)[J].自動(dòng)化與信息工程，2024，45（1）：47-54;60.

JIANG Yufan. Six axis articulated robotic arm system based on embedded systems[J]. Automation & Information Engineering， 2024，45（1）：47-54;60.

摘要：基于嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一款六軸關(guān)節(jié)型機(jī)械臂系統(tǒng)。六軸關(guān)節(jié)型機(jī)械臂的各關(guān)節(jié)零件通過3D打印后組裝；主控板的微型控制器選用STM32F103C8T6芯片；利用MatLab仿真軟件對(duì)六軸關(guān)節(jié)型機(jī)械臂進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)建模和仿真；采用Java語言開發(fā)六軸關(guān)節(jié)型機(jī)械臂的上位機(jī)軟件，使機(jī)械臂可以通過上位機(jī)或無線裝置實(shí)現(xiàn)姿態(tài)控制、抓取等操作，并支持動(dòng)作記憶功能，可重復(fù)動(dòng)作。基于航空精確制導(dǎo)武器部裝產(chǎn)線，搭建溫度測試工業(yè)應(yīng)用場景，進(jìn)行六軸關(guān)節(jié)型機(jī)械臂的正逆解與點(diǎn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)，為后續(xù)數(shù)字孿生技術(shù)的研究打下基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：嵌入式系統(tǒng)；六軸關(guān)節(jié)型機(jī)械臂；STM32單片機(jī)；D-H參數(shù)法；運(yùn)動(dòng)學(xué)建模

中圖分類號(hào)：TP241.2? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-2605（2024）01-0008-09

DOI：10.3969/j.issn.1674-2605.2024.01.008

Six Axis Articulated Robotic Arm System Based on Embedded Systems

JIANG Yufan

（China Airborne Missile Academy， Luoyang 471009， China）

Abstract： A six axis articulated robotic arm system was designed based on embedded systems. The joint components of a six axis articulated robotic arm are assembled through 3D printing; The microcontroller of the main control board uses STM32F103C8T6 chip; Using MatLab simulation software to model and simulate the kinematics of a six axis articulated robotic arm; Developing the upper computer software of a six axis articulated robotic arm using Java language， enabling the robotic arm to achieve posture control， grasping， and other operations through the upper computer or wireless device， and supporting action memory function， with repeatable actions. Based on the aviation precision guided weapon assembly production line， a temperature testing industrial application scenario is constructed to conduct forward and inverse solutions and point motion experiments of a six axis articulated robotic arm， laying the foundation for subsequent research on digital twin technology.

Keywords： embedded systems; six axis articulated robotic arm; STM32 microcontroller; D-H parameter method; kinematic model

0? 引言

六軸關(guān)節(jié)型機(jī)械臂是一種模擬人類手臂運(yùn)動(dòng)的機(jī)械裝置，能夠?qū)崿F(xiàn)精確地抓取、搬運(yùn)、裝配等操作，可提高生產(chǎn)效率，為工業(yè)自動(dòng)化提供了新的可能性。

文獻(xiàn)[1]搭建了一款小型的六自由度機(jī)械臂系統(tǒng)，該系統(tǒng)基于51單片機(jī)開發(fā)板進(jìn)行控制系統(tǒng)開發(fā)，外設(shè)接口有限，且增加了額外的電氣連接，相比PCB更加復(fù)雜。文獻(xiàn)[2]通過藍(lán)牙手柄對(duì)多自由度機(jī)械臂姿態(tài)

進(jìn)行控制，交互性有限。文獻(xiàn)[3]基于AVR1280單片機(jī)設(shè)計(jì)了一款六自由度多軸機(jī)械臂，基于LabVIEW進(jìn)行上位機(jī)界面開發(fā)，交互性與可移植性有限。文獻(xiàn)[4]提出的機(jī)械臂系統(tǒng)利用Leap Motion傳感器獲取手勢信息，易受光照強(qiáng)度、動(dòng)作遮擋以及背景顏色等外界因素干擾。

針對(duì)以上問題，本文基于嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)一款六軸關(guān)節(jié)型機(jī)械臂系統(tǒng)。首先，介紹六軸關(guān)節(jié)型機(jī)械臂

的伺服舵機(jī)選型、驅(qū)動(dòng)芯片、驅(qū)動(dòng)方式以及控制方法等；然后，基于航空精確制導(dǎo)武器部裝產(chǎn)線的真實(shí)場景，在仿真平臺(tái)上搭建一個(gè)六軸關(guān)節(jié)型機(jī)械臂的溫度測試工業(yè)應(yīng)用場景，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械臂位姿和運(yùn)動(dòng)軌跡的控制。

1? 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

基于嵌入式系統(tǒng)的六軸關(guān)節(jié)型機(jī)械臂系統(tǒng)主要包括硬件系統(tǒng)、運(yùn)動(dòng)學(xué)建模和軟件系統(tǒng)3部分，框圖如圖1所示。

2? 硬件設(shè)計(jì)

基于嵌入式系統(tǒng)的六軸關(guān)節(jié)型機(jī)械臂系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)主要由六軸關(guān)節(jié)型機(jī)械臂、伺服舵機(jī)、ARM微控制器STM32F103C8T6及其外圍電路（包含最小系統(tǒng)、電源模塊、通信模塊）、MYO肌電交互手環(huán)4部分構(gòu)成。

2.1? 六軸關(guān)節(jié)型機(jī)械臂

六軸關(guān)節(jié)型機(jī)械臂主要利用三維軟件Solid- Works，參考開源的機(jī)械臂結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，增加了底座，并通過3D打印后進(jìn)行組裝。

2.2? 伺服舵機(jī)

六軸關(guān)節(jié)型機(jī)械臂的轉(zhuǎn)動(dòng)系統(tǒng)選用伺服舵機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。轉(zhuǎn)動(dòng)系統(tǒng)主要由Futaba S3003、Futaba S3305、Tower Pro MG90S和Hitec HS-55四款伺服舵機(jī)組成，其性能指標(biāo)對(duì)比如表1所示。

1） Futaba S3003為標(biāo)準(zhǔn)尺寸的伺服舵機(jī)，通過PWM信號(hào)能平穩(wěn)地控制運(yùn)動(dòng)，可輸出3 kg·cm的扭矩，并可在正逆兩個(gè)方向切換，適用于需要周期性輸出運(yùn)動(dòng)的應(yīng)用場景。該伺服舵機(jī)安裝在六軸關(guān)節(jié)型機(jī)械臂的關(guān)節(jié)部位，提供關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng)扭矩。

2） Futaba S3305采用金屬齒輪，利用數(shù)字信號(hào)對(duì)伺服舵機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度進(jìn)行控制，可輸出14 kg·cm的扭矩，具有響應(yīng)速度快、精度高且輸出平滑等特點(diǎn)。該伺服舵機(jī)安裝在六軸關(guān)節(jié)型機(jī)械臂的底座上，提供底座轉(zhuǎn)動(dòng)所需的扭矩。

3） Tower Pro MG90S和Hitec HS-55是兩款微型伺服舵機(jī)，具有尺寸小、質(zhì)量輕、扭矩大等特點(diǎn)。這兩款伺服舵機(jī)安裝在六軸關(guān)節(jié)型機(jī)械臂的手腕和末端執(zhí)行器部位，阻力小，可以提供足夠的扭矩來移動(dòng)機(jī)械臂。

六軸關(guān)節(jié)型機(jī)械臂的位置反饋信息通過讀取伺服電機(jī)的位置獲取，而伺服電機(jī)的位置由電位計(jì)控制。因此，本文將單極電纜焊接到電位計(jì)的中心引腳，即位置信號(hào)上，以獲取伺服電機(jī)的位置。

2.3? 主控制器電路

2.3.1? 主控芯片

本文基于STM32F103C8T6芯片進(jìn)行六軸關(guān)節(jié)型機(jī)械臂的硬件控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[5-6]，該芯片含有定時(shí)器、ADC、DAC、I2C、SPI、USART等外設(shè)接口。

2.3.2? 最小系統(tǒng)

STM32F103C8T6的最小系統(tǒng)主要由電源模塊、STM32F103C8T6芯片、外部晶振、調(diào)試模塊、復(fù)位及濾波電路等組成，電路圖如圖2所示，主要實(shí)現(xiàn)控制與驅(qū)動(dòng)信號(hào)的輸出以及反饋信號(hào)的采集等功能[7]。

通過配置主控芯片STM32F103C8T6可輸出PWM信號(hào)[8]，改變PWM信號(hào)的頻率與占空比等參數(shù)，可實(shí)現(xiàn)伺服舵機(jī)位置與速度的控制。伺服舵機(jī)與主控制板的接口電路如圖3所示。

2.3.3? 電源模塊

根據(jù)六軸關(guān)節(jié)型機(jī)械臂系統(tǒng)的供電需求，本文的電源模塊主要由3個(gè)穩(wěn)壓電路組成，分別輸出3.3、5、6 V的直流電壓給主控芯片、NRF24L01通信模塊以及伺服舵機(jī)供電。本文選用的穩(wěn)壓芯片以及外圍電路圖如圖4所示。

2.3.4? 通信模塊

本文采用的NRF24L01通信模塊與主控芯片可通過SPI總線進(jìn)行通信。NRF24L01通信模塊可在? 2.4 GHz ISM低功耗頻段無限地收發(fā)模塊，具有低功耗、長距離傳輸、高抗干擾能力等特點(diǎn)；內(nèi)置的SPI接口，可實(shí)現(xiàn)六軸關(guān)節(jié)型機(jī)械臂系統(tǒng)的遠(yuǎn)程無線控制。NRF24L01通信模塊與主控制器的接口連接圖如圖5所示。

2.4? MYO肌電交互手環(huán)

MYO肌電交互手環(huán)用于采集手勢動(dòng)作執(zhí)行過程中產(chǎn)生的肌電信號(hào)。不同手勢產(chǎn)生的肌電信號(hào)存在差異，通過對(duì)肌電信號(hào)的分類來對(duì)應(yīng)不同的控制指令，實(shí)現(xiàn)六軸關(guān)節(jié)型機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)控制。MYO肌電交互手環(huán)包含8通道sEMG電極，肌電信號(hào)交互方式不受光照強(qiáng)度、背景顏色等因素的影響，具有便攜性。

3? 運(yùn)動(dòng)學(xué)模型搭建與仿真

3.1? 機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)學(xué)模型

機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)學(xué)模型在描述空間位置、速度和加速度時(shí)，一般選用笛卡爾坐標(biāo)系[9]。本文在笛卡爾坐標(biāo)系下分析六軸關(guān)節(jié)型機(jī)械臂相對(duì)于基座參考坐標(biāo)系的運(yùn)動(dòng)，并利用標(biāo)準(zhǔn)D-H參數(shù)法[10-12]建立六軸關(guān)節(jié)型機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型。

3.1.1? 機(jī)械臂坐標(biāo)系的建立

根據(jù)六軸關(guān)節(jié)型機(jī)械臂的各個(gè)關(guān)節(jié)位置，建立的機(jī)械臂關(guān)節(jié)笛卡爾坐標(biāo)系及實(shí)物尺寸參數(shù)如圖6所示。

六軸關(guān)節(jié)型機(jī)械臂的6個(gè)關(guān)節(jié)坐標(biāo)系采用右手笛卡爾坐標(biāo)系，坐標(biāo)系的原點(diǎn)位于關(guān)節(jié)軸心，Z軸沿著關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)軸方向。通過對(duì)六軸關(guān)節(jié)型機(jī)械臂各關(guān)節(jié)角度的控制與轉(zhuǎn)換，可實(shí)現(xiàn)6個(gè)關(guān)節(jié)坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換。

3.1.2? D-H參數(shù)表建立

D-H參數(shù)是一種對(duì)連桿的坐標(biāo)描述。D-H參數(shù)法根據(jù)機(jī)械臂的長度、關(guān)節(jié)角等參數(shù)，確定每個(gè)關(guān)節(jié)引起的坐標(biāo)系變換。該方法通過建立D-H參數(shù)表，推導(dǎo)出六軸關(guān)節(jié)型機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型。D-H參數(shù)表的交換規(guī)則如下：

1） 關(guān)節(jié)角：繞軸旋轉(zhuǎn)，直到與平行（方向一致）；

2） 連桿偏移：沿軸平移，直到與共線；

3） 連桿長度：沿軸平移，直到與原點(diǎn)重合；

4） 連桿扭轉(zhuǎn)角：繞軸旋轉(zhuǎn)，直到與共線。

根據(jù)圖6所示的六軸關(guān)節(jié)型機(jī)械臂尺寸參數(shù)以及D-H參數(shù)表變換規(guī)則，得到的六軸關(guān)節(jié)型機(jī)械臂D-H參數(shù)表如表2所示。

3.2? 算法實(shí)現(xiàn)

機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)學(xué)正逆解[13]主要用于位置控制和路徑規(guī)劃[14]。本文選用Denavit -Hartenberg算法進(jìn)行六軸關(guān)節(jié)型機(jī)械臂的正運(yùn)動(dòng)學(xué)分解。

3.2.1? 正解（FK）算法

FK算法是在已知機(jī)械臂各關(guān)節(jié)姿態(tài)，求機(jī)械臂末端執(zhí)行器位姿的過程[11]。假設(shè)六軸關(guān)節(jié)型機(jī)械臂6個(gè)關(guān)節(jié)的角度為，求解機(jī)械臂末端執(zhí)行器的位姿的計(jì)算公式為

（1）

式中：表示繞Z軸旋轉(zhuǎn)角度，表示沿Z軸平移，表示沿X軸平移，表示沿X軸旋轉(zhuǎn)角度。

的矩陣形式表示為

（2）

將D-H參數(shù)表中的數(shù)據(jù)代入公式（2），得到末端執(zhí)行器相對(duì)于基坐標(biāo)系的齊次變換矩陣，即六軸關(guān)節(jié)型機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)方程[12]：

3.2.2? 逆解（LK）算法

LK算法是已知機(jī)械臂末端執(zhí)行器的姿態(tài)，求機(jī)械臂各關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)角度[15]。利用MatLab仿真軟件構(gòu)建六軸關(guān)節(jié)型機(jī)械臂的仿真模型，調(diào)用Link函數(shù)和Robot函數(shù)實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)仿真[16-17]，如圖7所示。

3.2.3? 軌跡規(guī)劃

機(jī)械臂的軌跡規(guī)劃是確定機(jī)械臂末端執(zhí)行器的起始位置到目標(biāo)位置的無碰撞運(yùn)動(dòng)路徑[18-19]。

本文采用五次多項(xiàng)式插值算法[18]進(jìn)行六軸關(guān)節(jié)型機(jī)械臂的軌跡規(guī)劃，同時(shí)對(duì)起始點(diǎn)和目標(biāo)點(diǎn)的角度、角速度和角加速度給出約束條件。通過將六軸關(guān)節(jié)型機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)路徑離散化，利用五次多項(xiàng)式插值算法確定經(jīng)過離散點(diǎn)的具體路徑，得到的空間軌跡以及角加速度與時(shí)間的關(guān)系曲線如圖8、9所示。

由圖9可以看出，六軸關(guān)節(jié)型機(jī)械臂的關(guān)節(jié)1～6的角加速度變化曲線平滑連續(xù)，沒有出現(xiàn)跳變現(xiàn)象，軌跡平穩(wěn)，表明六軸關(guān)節(jié)型機(jī)械臂的電機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)。

4? 軟件設(shè)計(jì)

基于嵌入式系統(tǒng)的六軸關(guān)節(jié)型機(jī)械臂系統(tǒng)軟件主要包括STM32控制程序和上位機(jī)軟件。

4.1? STM32控制程序

STM32控制程序采用C語言進(jìn)行編程，集成開發(fā)環(huán)境為KEIL5，控制程序流程如圖10所示。

STM32控制程序分為主函數(shù)控制程序、中斷函數(shù)控制程序和通信模塊控制程序[3]。其中主函數(shù)控制程序主要用于控制命令的接收和六軸關(guān)節(jié)型機(jī)械臂的姿態(tài)控制；中斷控制程序主要用于六軸關(guān)節(jié)型機(jī)械臂的姿態(tài)控制；通信模塊控制程序主要用于控制命令的接收以及數(shù)據(jù)包的解算。

4.2? 上位機(jī)軟件

本文以Android Studio為集成開發(fā)環(huán)境，以Java為開發(fā)語言進(jìn)行上位機(jī)軟件的編寫與開發(fā)，設(shè)計(jì)了基于手機(jī)APP的藍(lán)牙控制端。該APP可以通過藍(lán)牙與六軸關(guān)節(jié)型機(jī)械臂主控制板的通信模塊建立連接，實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂的遠(yuǎn)程控制。上位機(jī)主界面的部分截圖如圖11所示。

5? 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

本文搭建的六軸關(guān)節(jié)型機(jī)械臂實(shí)物圖如圖12所示。

六軸關(guān)節(jié)型機(jī)械臂通過MYO肌電交互手環(huán)進(jìn)行遠(yuǎn)程姿態(tài)控制實(shí)驗(yàn)。MYO肌電交互手環(huán)分別以50、200 Hz的頻率采集慣性測量單元（inertial measurement unit， IMU）信號(hào)與肌電信號(hào)。本文定義五指張開、手腕向上屈伸、五指握緊、手腕向下屈伸4個(gè)分類動(dòng)作，對(duì)應(yīng)的手勢動(dòng)作如圖13所示。

在本文的控制實(shí)驗(yàn)中，五指張開、手腕向上屈伸、五指握緊、手腕向下屈伸4個(gè)分類動(dòng)作分別對(duì)應(yīng)六軸關(guān)節(jié)型機(jī)械臂的向上移動(dòng)、繞Z軸左轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)、向下移動(dòng)、繞Z軸右轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)4個(gè)控制任務(wù)，對(duì)應(yīng)采集的8路肌電信號(hào)如圖14所示。

解析MYO肌電交互手環(huán)采集的肌電信號(hào)，并將解析結(jié)果傳輸給六軸關(guān)節(jié)型機(jī)械臂的主控制板，實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂姿態(tài)的控制，4個(gè)分類動(dòng)作的控制結(jié)果如圖15所示。

6? 應(yīng)用測試

本文以航空精確制導(dǎo)武器部裝產(chǎn)線的溫度測試工業(yè)應(yīng)用場景為例，測試六軸關(guān)節(jié)型機(jī)械臂根據(jù)末端執(zhí)行器的位姿，通過正運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解，實(shí)時(shí)解算各關(guān)節(jié)的角度信息。六軸關(guān)節(jié)型機(jī)械臂抓取產(chǎn)品與放置產(chǎn)品的動(dòng)作如圖16所示，根據(jù)當(dāng)前抓取姿態(tài)解算出的各關(guān)節(jié)數(shù)據(jù)如表3所示。

由表3可知，通過在場景中選取不同密度的點(diǎn)，上位機(jī)可以通過配置好的運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解算模型，根據(jù)空間點(diǎn)的姿態(tài)求解對(duì)應(yīng)的關(guān)節(jié)姿態(tài)，以此界定各關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)的范圍。同時(shí)，通過記錄各關(guān)節(jié)姿態(tài)的方式記錄空間點(diǎn)，以此生成六軸關(guān)節(jié)型機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)路徑，來測試機(jī)械臂不同精度的分段運(yùn)動(dòng)控制和軌跡規(guī)劃的控制效果，如圖17所示。

7? 結(jié)論

本文基于STM32F103C8T6微控制器設(shè)計(jì)了一款六軸關(guān)節(jié)型機(jī)械臂系統(tǒng)，該機(jī)械臂各關(guān)節(jié)零件經(jīng)3D打印后組裝。首先，完成六軸關(guān)節(jié)型機(jī)械臂硬件系統(tǒng)的搭建；然后，通過KEIL完成軟件程序的編寫和調(diào)試；接著，通過MYO肌電交互手環(huán)對(duì)六軸關(guān)節(jié)型機(jī)械臂進(jìn)行遠(yuǎn)程的姿態(tài)控制實(shí)驗(yàn)；最后，以航空精確制導(dǎo)武器部裝產(chǎn)線的溫度測試工業(yè)應(yīng)用場景為例，進(jìn)行六軸關(guān)節(jié)型機(jī)械臂的正逆解與點(diǎn)動(dòng)測試。本文后續(xù)研究將完成仿真模型與實(shí)物之間的通信和數(shù)據(jù)傳輸解算，監(jiān)測六軸關(guān)節(jié)型機(jī)械臂的運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)真實(shí)場景中機(jī)械臂的狀態(tài)在仿真機(jī)械臂上的實(shí)時(shí)反應(yīng)與控制。

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作者簡介：

姜宇凡，女，1998年生，碩士研究生，助理工程師，主要研究方向：智能制造、控制工程。E-mail： 18847162723@163.com