EZ Controller

陸澤鋒+陳莎娜

摘 要：文中設(shè)計(jì)了一種全新的機(jī)械臂控制模式，可實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂執(zhí)行端自動(dòng)同步跟蹤遙控手柄動(dòng)作的功能，擺脫了傳統(tǒng)機(jī)械臂需編程或手柄控制的復(fù)雜性；利用自穩(wěn)云臺(tái)，實(shí)現(xiàn)監(jiān)控設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行，保證實(shí)時(shí)獲取高質(zhì)量的圖像畫面。系統(tǒng)具有良好的市場前景和經(jīng)濟(jì)效益。

關(guān)鍵詞：機(jī)械臂；同步跟蹤

1 作品簡介

EZ Controller旨在采用一種全新的機(jī)械臂控制模式，實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂執(zhí)行端自動(dòng)同步跟蹤遙控手柄動(dòng)作的功能，擺脫傳統(tǒng)機(jī)械臂需編程或手柄控制的復(fù)雜性，為機(jī)械臂控制者提供一種趣味性的操作和隨心所欲的控制體驗(yàn)。

EZ Controller是控制端與執(zhí)行端機(jī)械臂成比例的體感控制器，執(zhí)行端的工作機(jī)械臂具有個(gè)6自由度，同時(shí)在底座加有移動(dòng)式履帶底盤，并在執(zhí)行末端增加了攝像頭，使操作者可實(shí)時(shí)獲悉執(zhí)行端的工作情況，并增加自穩(wěn)定云臺(tái)以確保操作者獲得清晰穩(wěn)定的工作畫面。

這種新型控制模式給機(jī)械臂在艱難環(huán)境下無死角監(jiān)控、視頻拍攝、故障監(jiān)測、危險(xiǎn)行動(dòng)帶來更廣闊的應(yīng)用空間，并且為降低喂飯機(jī)器人、娛樂機(jī)器人等生活型機(jī)器人的成本提供了新的發(fā)展思路，使機(jī)械臂的操作不再停留在“實(shí)驗(yàn)室”，而是走向了大眾生活。實(shí)物如圖1所示。

2 工作原理

本項(xiàng)目基于傳感器技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、電機(jī)拖動(dòng)控制技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)等，開發(fā)了一款機(jī)械臂遙控端與操作端完全同步的控制系統(tǒng)EZ Controller。EZ Controller包括遙控端和執(zhí)行端兩部分，可通過操作遙控端遠(yuǎn)程控制執(zhí)行端機(jī)械臂的工作運(yùn)動(dòng)，并實(shí)時(shí)監(jiān)控執(zhí)行端的工作情況，利用自穩(wěn)云臺(tái)，實(shí)現(xiàn)監(jiān)控設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行，保證實(shí)時(shí)獲取高質(zhì)量的圖像畫面。

EZ Controller遙控端利用STC12C5A60S2單片機(jī)的AD采集功能，采集6路電位器的電阻值（模擬值），并轉(zhuǎn)換成具有8位精度的數(shù)字量，以確定遙控端機(jī)械臂當(dāng)前所處位置，為后續(xù)控制執(zhí)行端機(jī)械臂提供精準(zhǔn)的位置依據(jù)。遙控端也可使用32位單片機(jī)作為協(xié)處理器進(jìn)行浮點(diǎn)運(yùn)算、PID算法控制，使用I2C接口采集MPU6050的數(shù)據(jù)，以控制監(jiān)視器所處云臺(tái)的俯仰角、橫滾角，同時(shí)產(chǎn)生兩路PWM信號(hào)以控制機(jī)械臂在履帶式機(jī)車的動(dòng)力電機(jī)，共計(jì)10路信號(hào)。通過2.4G nRF24L01無線模塊周期性地將12路控制信號(hào)發(fā)送出去，EZ Controller的執(zhí)行端接收信號(hào)并執(zhí)行同步動(dòng)作。此外，EZ Controller接收端安裝有OLED液晶屏幕，用于顯示姿態(tài)等信息，便于實(shí)時(shí)查看控制信號(hào)量。

EZ Controller執(zhí)行端的實(shí)物硬件主要由六自由度機(jī)械臂和履帶式機(jī)車底盤構(gòu)成，使機(jī)械臂不僅可以完成六自由度的運(yùn)動(dòng)，還可以通過履帶式機(jī)車底盤完成平移運(yùn)動(dòng)，同時(shí)執(zhí)行端的電路設(shè)計(jì)主要由驅(qū)動(dòng)電路模塊、信號(hào)采集模塊、信號(hào)產(chǎn)生模塊三部分組成。

首先，由于伺服電機(jī)使用舵機(jī)，若電路電壓過高，則會(huì)損毀舵機(jī)驅(qū)動(dòng)電路；若電壓太低，則導(dǎo)致扭矩不足。故采用LM2956-ADJ集成可調(diào)降壓芯片實(shí)現(xiàn)降壓處理。LM2956-ADJ芯片組成電路屬于開關(guān)型穩(wěn)壓電路，效率高，功率足，用來驅(qū)動(dòng)舵機(jī)最為合適。

信號(hào)采集模塊用以采集2.4 G nRF24L01無線模塊接收到的信息，并融合機(jī)械臂端陀螺儀MPU6050采集的姿態(tài)角信息，產(chǎn)生10路PWM（脈寬調(diào)制）信號(hào)。其中兩路PWM信號(hào)用來控制自穩(wěn)云臺(tái)舵機(jī)，通過單片機(jī)周期性地采集MPU6050陀螺儀的信號(hào)，使用PID算法實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制舵機(jī)，使得被控對(duì)象保持一定的角度，從而達(dá)到自穩(wěn)效果。同時(shí)，另外兩路PWM信號(hào)用來控制履帶式機(jī)車主電機(jī)，通過線性轉(zhuǎn)換PWM控制信號(hào)的占空比便可實(shí)現(xiàn)。其余6路信號(hào)分別控制六個(gè)自由度的機(jī)械臂舵機(jī)，線性轉(zhuǎn)換PWM信號(hào)的占空比控制，從而控制整個(gè)EZ Controller執(zhí)行端。6路姿態(tài)位置信號(hào)采集電路如圖2所示。系統(tǒng)工作原理如圖3所示。

3 創(chuàng)新點(diǎn)

（1）EZ Controller產(chǎn)品的核心特點(diǎn)即“Easy Control”，這種機(jī)械臂執(zhí)行端自動(dòng)同步跟蹤遙控手柄動(dòng)作的全新控制模式使用簡單，操作者無門檻限制，輕巧靈便，自由度高，適應(yīng)性強(qiáng)。

（2）EZ Controller實(shí)現(xiàn)了遙控手柄與執(zhí)行機(jī)械臂成比例的體感控制，操作無死角，并實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程監(jiān)控，控制距離可達(dá)2 000 m。

（3）EZ Controller執(zhí)行端創(chuàng)新地增加了自穩(wěn)定云臺(tái)，可自動(dòng)調(diào)整監(jiān)視設(shè)備的絕對(duì)水平姿態(tài)，使監(jiān)視設(shè)備實(shí)時(shí)保持與目標(biāo)物的相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)，并在小于30°的擺幅下實(shí)現(xiàn)圖像高度穩(wěn)定，從而確保操作者獲得高質(zhì)量的圖像畫面。

（4）執(zhí)行端機(jī)械臂的末端可以任意更換工作配件，即EZ Controller的延展性很強(qiáng)，便于將EZ Controller的控制模式應(yīng)用于各種不同的場合。

（5）執(zhí)行端采用履帶底盤進(jìn)行平面移動(dòng)，環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)，可保證機(jī)械臂在崎嶇不平路面上平穩(wěn)工作。

4 市場前景

雖然程序控制或遙控按鈕控制等傳統(tǒng)機(jī)械臂控制技術(shù)已發(fā)展成熟，但對(duì)于大多數(shù)人來說，需先熟練掌握書寫代碼或掌握遙控手柄的控制方式，對(duì)操作者本身的專業(yè)功底有要求，且操作復(fù)雜、體驗(yàn)不佳。而EZ Controller實(shí)現(xiàn)了機(jī)械臂執(zhí)行端自動(dòng)同步跟蹤遙控手柄動(dòng)作的功能，為機(jī)械臂控制者提供了一種趣味性的操作和隨心所欲的控制體驗(yàn)，并使機(jī)械臂的操作走向了大眾化、簡單化、智能化。由于現(xiàn)在機(jī)械臂的應(yīng)用涵蓋了工業(yè)加工、快遞運(yùn)輸、機(jī)器人研究等領(lǐng)域，因此這種全新的機(jī)械臂控制模式必然會(huì)為整個(gè)機(jī)械臂應(yīng)用行業(yè)帶來新的發(fā)展方向。

同時(shí)，基于全新的機(jī)械臂控制模式EZ Controller具有很強(qiáng)的延展性，因此可根據(jù)客戶的不同需求及不同領(lǐng)域的運(yùn)用，通過改變機(jī)械臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及執(zhí)行末端的設(shè)計(jì)，將EZ Controller擴(kuò)展出多樣功能。另一方面，EZ Controller使用的是自主設(shè)計(jì)的動(dòng)力舵機(jī)系統(tǒng)，在保證動(dòng)力強(qiáng)勁的同時(shí)可有效降低產(chǎn)品成本，從而保證我們的產(chǎn)品擁有更好的發(fā)展前景。endprint