基于FPGA的智能無線遙控排險機械臂設計

王柏東+王文竹+閆曉東

摘要：本設計是基于FPGA為核心控制系統的智能救援機器人設計。分別研究了救援機器人的機械機構設計，信息采集與探測以及遠程控制三大模塊，設計出了一套理論清晰，具有實際應用價值的災難救援機器人。

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

正文：

歷經了一年的努力終于完成了項目的制作，通過這次項目設計讓我們收獲了許多，這其中不僅僅是知識的擴充與鞏固，還有對創新更新的認識，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計了這個項目，并賦予了它很多功能，最后我們發現部分功能難以實現，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年美國聯合控制公司研制出第一臺機械手。不論是傳統產業，還是新興產業，都離不開各種各樣的機械裝備，機械工業所提供裝備的性能、質量和成本，對國民經濟各部門技術進步和經濟效益有很大的和直接的影響。機械工業的規模和技術水平是衡量國家經濟實力和科學技術水平的重要標志。我國已經基本掌握了機器人的設計制造技術，控制系統和驅動系統的設計以及機器人的軟件和編程等關鍵技術。不過我國在救援機器人的研究方面起步晚，大多數研究還是停留在某個單項研究階段。

機械手是近幾十年發展起來的一種高科技自動化生產設備。它的特點是可通過編程來完成個人中預期的作業任務，在構造和性能上具有人和機器各自的特點，尤其體現了認得智能和適應性。機械手作業的準確性和各種環境中完成作業的能力，在國民經濟各領域有著廣闊的發展前景。機械手雖然目前還不如人手那樣靈活，但它具有能不斷重復工作和勞動，不知疲勞，不怕危險，抓舉重物的力量比人手力大的特點，因此，機械手已受到許多部門的重視，并越來越廣泛地得到了應用。

此次項目的機械手臂用于物流生產線上物品的抓取和易位。整個機械臂安裝在一個回轉支座上，回轉角度范圍為360°；肩關節為轉動關節，回轉角度范圍為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械手，機械手具有開閉能力，用于直徑30-45mm工件的抓取。機構是一個六自由度的機械手，能完成夾緊、旋轉、俯仰、搖擺以及回轉動作，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雜環境。我們主要針對設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），機構簡便、效率高，可控范圍大，基座運用齒輪傳動，效率高，強度大，可調角度大，回轉機構和俯仰機構都是-60°到60°。機構所用零件便于加工，標準件較多，便于機構的組裝，相應的成本也不高。

程序的編寫重在原理的掌我們使用的舵機工作周期均為20ms，用單片機定時器產生的六路PWM波的周期也相同。使用單片機的內部定時器產生脈沖計數，一般來說，舵機工作正脈沖寬度小于周期的1/5，這樣能夠在1個周期內分時啟動各路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定時中斷響應后，將當前輸出I/O口對應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束后，將當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，往復輸出。在每次循環的第10次（2×5=10）中斷實行關定時中斷T0的操作，最后就能夠實現6路舵機控制信號的輸出。在舵機運動過程中，既為了整個機械手臂平穩運行，又為了保護舵機不被燒毀，所以在程序算法中加入了緩沖機制。

在實現履帶車與機械臂的結合過程中，遇到最大的問題就是程序的編寫，程序稍有不慎就會將機械臂的舵機燒毀，同時還伴隨部分舵機抖動的現象，很是讓我們頭疼，最初我們排除了無線電干擾，后來發現除了程序有不足外，電源也有很大問題，特別是我們在接收機與動力電機共用同一組電源。雖然大多數情況下接收機的電路中都有穩壓措施，但在電源電壓不足或電源容量過小，動力電機又有較大的啟動電流時，穩壓電路也會無能為力；由此造成電源電壓嚴重波動，接收機輸出波形失常，引起舵機抖動。就是在接收機單獨供電時，如果電源容量過小，又同時配接了多只舵機特別是功耗較大的強力舵機時，產生了這種情況。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。可是這樣會影響我們設計的部分功能，如果那樣的話就無法操作機械臂拾取重物了。

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

總結一下這次創新項目給我們帶來的收獲：

1.對學習知識有了新的認識。知識來源于書本的同時，也要從實踐中運用，不然知識就只是白紙上的黑字，毫無意義。我們三個人結合自身愛好與優勢，合理分工，學習到了各自感興趣的知識，在創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.對團隊協作有了新的看法。創新意識來源與我們這個團隊，所以在項目的執行過程中，我們從始至終保持著溝通，在很多方面上都得到了體現，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，在這期間也加強了小組成員間的默契度。

3.對創新有了新的想法。如果說這一年時間我們全身心投入這個項目，沒心思想別的是很不現實的，我們在研究過程中發現了當前項目的很多不足，并想辦法加以改進，與此同時就滋生出了很多創新的新想法。其實有很多舉世發明就是在不經意間產生的，設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合這次對創新的訓練得到的啟發，達到一個新的高度，然后在下一次創新實踐中充分發揮我們的能力，做出更好的表現，同時也十分感謝指導教師對我們的幫助。

參考文獻：

《FPGA現代數字系統設計及應用》陳金鷹著 機械工業出版社

《機械臂系統的控制同步理論與應用》韓清凱著國防工業出版社

《FPGA/CPLD應用技術》韓曉敏著清華大學出版社endprint