機械臂控制系統的整機調試

蔡宇， 周興華

（1.黑龍江省機械科學研究院，哈爾濱 150040;2.中國航空工業江西景航航空鍛鑄有限公司，江西 景德鎮 333400）

0 引言

根據四自由度機械臂需要完成的工作任務，編寫了系統的軟件控制程序，之后對整個系統進行了反復的調試。作為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。一般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，進行軟件的調試是有意義的，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[1-6]。

1 硬件調試

控制系統的硬件主要包括如下幾部分：機械部分、電源及穩壓模塊、直流伺服電動機、超聲波傳感器和主控制器[7]。

對于機械部分，對應原理圖，將機械部分以及舵機安裝起來，組裝成品，檢查零件安裝是否合適，松動要繼續固定，直到滿意為止，如圖1所示[8]。

對于電源及穩壓模塊，采用萬用表測量的方法確定電源電壓合適以及穩壓模塊正常工作；對于舵機，采用舵機測試儀檢測和設定舵機的虛位、中位和抖動，用手左右旋轉確定舵機均具有180°轉角[9]；對于超聲波傳感器模塊，將測試程序寫入控制芯片中，通過串口顯示的數據確定該模塊正常工作；對于主控制器，將其自帶的芯片相應的初始化程序下載至STM32芯片里[10]，然后對所需要的各個引腳的輸出狀況進行測試，如果各個引腳的輸出正確，就可以證明芯片是正常的[11]。

測試所有硬件部分均正常后，用杜邦線將其按電路原理圖連接起來，同時注意布線的整齊以及不能影響機械臂的正常工作[12]。

圖1 機械臂成品

2 軟件調試

軟件調試的主要任務是通過反復試湊確定PWM波的占空比，進而確定各個關節運動到指定位置需要轉過的角度[13]。經反復試湊，各個關節在整個過程中運動到指定位置的占空比如表1~表4所示，直立狀態如圖1所示[14]。將工件搬運到位置1的分解動作如圖2、圖3所示[15]。將工件搬運到位置2的分解動作如圖4、圖5所示。將工件搬運到位置3的分解動作如圖6、圖7所示。在進行硬件和軟件的單獨調試后，按照系統整體連接原理圖和器件具體接口及功能，將電源、穩壓模塊、超聲波傳感器模塊、舵機及控制器進行整體連接。

表1 機械臂各關節運動到指定位置的占空比 ‰

表2 機械臂完成動作1各關節運動到指定位置的占空比 ‰

圖2 位置1—抓取過程

圖3 位置1—放置過程

表3 機械臂完成動作2各關節運動到指定位置的占空比 ‰

圖4 位置2—抓取過程

圖5 位置2—放置過程

表4 機械臂完成動作3各關節運動到指定位置的占空比 ‰

圖6 動作3—抓取過程

圖7 動作3—放置過程

應用STM32開發軟件Keil，通過J-Link仿真器將控制程序寫入控制器，觀察開發板上的電源指示燈及軟件上的提示，等程序下載完成后，即可按復位鍵進行搬運動作的操作。

打開電源模塊的開關和開發板上的電源開關，即可聽到控制手爪的舵機發出輕微的響聲，同時手爪有小幅度的張合動作，這是超聲波傳感器循環掃描的結果。即可初步判斷連接正確，并且舵機也得到了電力供應。

移動工件不斷接近指定位置，機械臂沒有動作。當工件到達指定位置時，超聲波傳感器發送控制信號給控制器，機械臂動作，完成抓取、搬運、放置一系列動作后，回到初始位置進入等待狀態。整個調試的過程中，由于受到來自系統內部以及外部的各種干擾，各個關節旋轉的角度有輕微的誤差，其中引起位置誤差最嚴重的因素是由于采用可調降壓器而使整個系統在運行過程中電壓不穩。解決的辦法是在調試前先用萬用表測量關節驅動系統的輸入電壓，進行校正，在進行幾次調試確定系統比較精確后再投入使用。

3 故障原因分析及解決方法

在進行整機調試的過程中，并沒有很順利，其中出現過很多問題。當調試出現問題時，一般的步驟是先進行硬件的單獨調試以及硬件間接線的檢查，當確定硬件沒有問題后再檢查程序是否正確。遇到的問題以及解決方案如下：

1）當系統以及單片機供電后，將程序通過J-Link仿真器下載至開發板，按下復位鍵后，本應直立的機械臂并沒有直立，肩關節處有明顯的彎曲，同時舵機發出嗡嗡的聲音。當用手將機械臂拉直后，這種聲音就沒有了。以上現象說明肩關節舵機的轉矩不是足夠大能使其直立，所以需要更換為轉矩更大的舵機。在進行舵機的選型時，轉矩是一個重要數據，要充分考慮工件的重量以及機械臂的自重，在留有一定余量的前提下選擇舵機。

2）當系統以及開發板供電后，通過指示燈初步判斷沒有異常后，按下復位鍵，整個系統沒有按正常程序工作，經仔細排查，發現控制器和機械臂之間沒有共地，將硬件做稍微的改變，控制器和機械臂實現共地后該問題就得以解決。因為如果控制器和機械臂之間沒有共地時，舵機就無法正確識別控制器輸出的PWM波的高低電平，進而導致其不能正常工作。

3）在進行多次調試后，經常出現整個系統不按正常程序工作的現象。斷電檢查沒有發現任何問題，然而當再次出現這種問題的同時用萬用表測量電源電壓，發現帶載電壓過低，而斷電后測量，空載電壓正常，說明整個機械臂系統工作時是一個很大的負載，并且當電源電壓較低時，舵機無法正常工作。所以，在該系統應用的過程中應按時給電池充電，并適當提高降壓模塊的輸出電壓。

4)在進行整機調試的過程中，由于末端手爪以及被搬運的物體的表面較光滑，經常出現在將物體搬運至位置3的過程中，物體出現翻轉的現象；為解決這個問題，要增加末端手爪的摩擦力，解決的方法是在末端手爪上附加一層橡膠。采用這種方法后，在搬運過程中物體翻轉的現象就沒有再發生。

4結語

詳細描述了該機械臂系統硬件的機械部分、電源及穩壓模塊、直流伺服電動機、超聲波傳感器和主控制器的調試過程和結果；軟件部分的調試過程及結果。最后，對整個調試過程中出現的故障進行描述和分析，并且通過反復試驗，最終找出錯誤所在，并給出了合理的解決方案。