民航電子設備維修機務助手機械臂的研制

鄒志宏

【摘 要】由于機械臂的技術不斷的發展，機械臂在各行各業的應用越來越多。現代民航電子維修中機務人員常常因為去撿一個零件而花費大量時間和精力，甚至會拆掉整個維修部分，此外還有飛機電子線路中線頭的抽取也會降低工作效率。通過對這些問題的調研。我們團隊利用多自由度控制算法和靈活操縱控制算法實現一種具有高度靈活性、控制精度高、快速上手等特點的民航電子維修機械臂。該機械臂可以用于維護飛機過程中機務人員夾取零件和機務電子工程師抽取線頭等，以達到便捷維修的目的，從而提高維修效率。該款機械臂以STM32單片機作為主控制器，通過控制主控制器輸出的PWM波的占空比實現對舵機轉動的控制，進而實現各個關節的位置控制，實現機械臂在空間內的運動，并結合三個可自由安裝的臂端裝置，實現夾取物體，吸附金屬零部件，抽取殘余油液的功能。并且整體采用了開環設計，便于機務人員的操作。由于此機械手臂的功能多樣性，使得機務人員在進行普通工作時更加靈活方便，高危作業時操作更加精準安全，比起普通機械手臂有更加廣泛的應用空間。

【關鍵詞】STM32單片機；MG946R舵機；臂端裝置

一、機械臂總體方案設計

（一）機械臂整體結構

通過計算機編寫程序下載到STM32單片機內部，然后由轉動旋鈕輸出的大小不同的電壓信號傳輸至STM32單片機，STM32將收接收的電壓信號轉換為指令信號。STM32微處理器內部的PWM單元根據指令信號產生PWM信號，驅動舵機旋轉。從而達到舵機精確定位，使機械臂的各個關節轉過指定的角度，并且控制臂端裝置來實現夾取，吸附，抽取等動作。

（二）機械臂功能簡介

通過旋鈕的轉動產生不同的電壓信號，輸入到STM32機內單片機內，產生PWM波控制舵機的舵面轉動，帶動臂端裝置在空間內的移動。同時控制臂端裝置實現以下三個功能。

1.夾取功能：利用MR946舵機作為驅動裝置，實現了夾取，搬運物體的功能

2.吸附功能：采用電磁鐵作為主要部件，能夠吸附小型金屬零部件。如螺絲釘，螺帽等。

3.抽取功能：使用舵機給活塞提供動力，結合復位彈簧構成了抽取臂端裝置。能實現對殘余油液的直接抽取功能。避免了機務人員直接觸碰油液對人體造成傷害。

二、硬件系統設計

（一）主控制模塊設計

主控制器是機械臂的控制核心，對整個機械臂的控制效果都起著最為關鍵的作用。所以選擇合適的單片機作為主控制器是最為重要的。目前，應用于機械臂的微控制器有很多種，其中STM32單片機和51單片機是使用比較廣泛的兩種微控制器。51單片機結構簡單，成本低，比較經濟實惠。而且也不需要太多外設電路模塊。STM32單片機比51單片機結構更加復雜，價格更貴，另外編程也比51單片機更加繁瑣。但是其優點在于STM32單片機有著更加多的內置模塊和資源。

根據機械臂的結構和其需要實現的的功能，經過多次比較后，最后選擇STM32單片機作為主控制器

STM32單片機的主要特性如下：

內核為ARM32位的Cortex-M3 CPU512KB的閃存程序存儲器；64KB的SRAM；帶4個片選的靜態存儲器控制器。支持CF卡、SRAM、PSRAM、NOR和NAND存儲器。

（二）驅動模塊設計

驅動模塊的設計需結合機械臂的整體結構來考慮。首先驅動系統的質量不應太重，效率也應較高并且驅動系統的響應速度快，使機械臂在空間內運動時動作靈活，位移偏差以及速度偏差均較小；此外作為機械臂作為輔助機務人員工作的工具，必須要求機械臂的驅動系統安全可靠；在工作時操作和維護方便；而且機械臂必須經濟實惠，體積盡量要小。

基于上述驅動系統的特點和該機械臂驅動系統的設計要求，該設計選用MR946舵機和步進電機結合使用，來負責機械臂各個關節的驅動。

三、軟件系統設計

軟件系統采用開環設計，當人轉動旋鈕時產生的電壓變化輸入進STM32單片機，STM32單片機根據已編寫好的程序將電壓的變化轉變為PWM波輸出到舵機，由此控制舵機的舵面偏轉，從而使機械臂實現夾取，搬運等功能。系統整體框圖如下：

本裝置通過STM32單片機的IO口感受由外部控制旋鈕輸入的電壓變化，將其由模擬信號轉變為數字信號，通過已經編寫好的主函數程序，控制其他IO口輸出PWM波，使舵機偏轉，進而實現對機械臂運動的控制。

四、系統測試

機械臂的系統測試是開發過程中的重要環節，系統整機調試對系統運行過程中控制效果的好或是壞有著至關重要的作用，所以，必須進行系統軟件、硬件的調試。也就是說一個良好的機械臂控制系統必須經過系統調試才能達到控制系統預期的目的、。因為機械臂工作在高風險的環境下，所以它必須是可靠的，對于這樣的硬件，其穩定性要求必須很高。一般的情況下首先進行硬件的調試，只有在確定了硬件電路正常的前提下，進行軟件的調試才是有意義的。所以，硬件、軟件的調試在整個系統的調試過程中都是非常重要的

五、總結

隨著機械臂技術的不斷成熟，，其在各種領域的應用愈加廣泛。民航機務助手機械臂的設計目的在于探索機械臂在民航領域的應用。本設計以STM32的單片機作為控制核心，將舵機和步進電機結合，作為本系統的驅動裝置。在整個系統的設計中，硬件的設計是本論文研究的重點，芯片的選型是系統硬件設計的保證，并且輔以可靠性分析為指導，保證了系統運行的可靠性和穩定性。通過編寫控制程序，使主控制器輸出PWM 波實現對各個關節位置的控制。其亮點在于設計的三套可拆卸的臂端裝置。實現了機械臂的夾取搬運物體，吸附浸塑零部件，抽取殘余油液的功能。實現了機械臂功能的多樣化。

實驗結果表明，本文設計民航機務助手機械臂在在機務領域有較高的使用價值，在操作靈活度、控制精度、易操作性等方面都表現出良好的性能。

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