可伸縮高空作業機械臂及其控制系統的設計

文/劉一澎

1 引言

隨著科技的發展，越來越多的領域需要進行高空作業，依賴于高空作業機械臂來完成的任務也越來越多。以往，在將關節和長度固定的臂組合而對人類的手臂進行仿真時，針對不同的任務需求，會設計出不同的長度的機械臂。在高空作業機械臂的設計完成時，機械臂的工作能力及其能夠工作的空間范圍也就已經確定了。高空作業機械臂無法有效地擴展其能夠執行的任務范圍，從而應用領域被極大程度地制約。

本文提出一種可伸縮高空作業機械臂，其能夠適應不同類型的高空任務，協助、代替高空作業人員工作，降低高空作業人員發生危險的可能性。并且，在對整條機械臂進行構型時，合理考慮構成機械臂的各個臂所要發揮的功能。以下，將對高空作業機械臂及其控制系統的設計進行介紹。

2 高空作業機械臂總述

2.1 高空作業機械臂的功能概述

高空作業機械臂的主要功能包括如下方面：

（1）機械臂整體為5自由度，即，旋轉臺具有1回轉自由度，肩部具有1回轉自由度，軸部具有1回轉自由度，長臂和短臂分別具有1伸縮自由度。

（2）機械臂能夠進行可靠且可重復的伸展與收縮運動。

（3）長臂和短臂各自的內外筒直徑相差盡量小，整體剛度大，以能夠承受作業過程中的沖擊。

2.2 高空作業機械臂的結構

高空作業機械臂如圖1所示。具體而言，高空作業機械臂包括：旋轉臺1，其可自由旋轉；肩部2，其裝設于旋轉臺1上，能夠繞與旋轉臺1平行的第1軸線CL1旋轉；長臂3，其一端安裝于肩部2，能夠沿長臂3的長度方向伸縮；肘部4，其設于長臂3的另一端，能夠繞與第1軸線CL1平行的第2軸線CL2旋轉；短臂5，其一端安裝于肘部4，能夠沿短臂5的長度方向伸縮；以及腕部6，其設于短臂5的另一端。任務操作部安裝于腕部6，用于執行高空作業任務，其可根據高空作業機械臂所要執行的任務而安裝不同的工具。

長臂3能夠沿長臂3的長度方向伸縮，并且能夠多級伸縮，在高空作業機械臂的工作中用于解決工作距離問題。短臂5能夠沿短臂5的長度方向伸縮，并且能夠兩級伸縮，在高空作業機械臂的工作中用于執行精細化操作。

由于長臂3的作用在于確定高空作業的高度，因此長臂3并不需要較高的定位精度。另一方面，由于短臂5主要進行精細化作業，因此對精度要求較高。為了對構成機械臂的各個臂進行合理構型，長臂3采用直線驅動機構加上多級滑輪-排繩的方案，短臂5采用電機驅動滾珠絲杠組傳動的方案，其具有傳動效率高、構造簡單、質量輕這樣的優點。

2.3 高空作業機械臂的短臂的結構

由于短臂對精度要求較高，以下對短臂的結構進行詳細的說明。

短臂5包括直流馬達51、滾珠絲杠52以及絲杠螺母53。直流馬達51布置于第1筒56，通過聯軸器連接驅動軸，再經由安裝于驅動軸的主動齒輪54和從動齒輪55連接于滾珠絲杠52，其中，從動齒輪55與主動齒輪54嚙合。第2筒57以能夠相對滑動而不能相對轉動的方式配置于第1筒56。絲杠螺母53與第2筒57固定連接。從直流馬達51以齒輪傳動的方式將動力傳遞至滾珠絲杠52，滾珠絲杠52相對于絲杠螺母53旋轉，從而短臂5進行伸縮運動。

3 高空作業機械臂控制系統的構成和控制流程

以下將對控制系統的構成和控制流程進行介紹。

3.1 控制系統的構成

高空作業機械臂的驅動和控制系統主要包括電源、上位機、主控制器、CAN總線通信模塊、回轉驅動電機和伸縮驅動電機及其對應的電機驅動器這六大部分。驅動和控制系統的構成如圖3所示。

電源包含用于將220V交流電轉換為24V/5V直流電的AC-DC模塊，以滿足主控制器、電機驅動器、回轉驅動電機以及伸縮驅動電機等的供電要求。AC-DC模塊的輸出電壓精度為±1%，并具有過流保護。

主控制器包括串口傳輸模塊、CAN傳輸模塊以及主芯片。主控制器通過CAN總線與電機驅動器相連，各驅動器分別與回轉驅動電機、伸縮驅動電機相連，串口傳輸模塊用于收發數據，CAN傳輸模塊用于與電機驅動器實現通信，主芯片實現控制邏輯與功能。

圖3：驅動與控制系統構成

系統控制指令由上位機通過串口傳輸方式發送給主控制器，主控制器解算控制指令并經由CAN總線使電機驅動器控制回轉驅動電機和伸縮驅動電機轉動。主控制器將當前電機驅動器速度、電流數據等通過串口傳輸方式反饋給上位機，發揮遠程監測的功能。主控制器通過CAN總線對回轉驅動電機和伸縮驅動電機分別進行控制。電機編碼器的輸出信號分別反饋給與回轉驅動電機和伸縮驅動電機相對應的電機驅動器，構成速度閉環控制。

3.2 控制系統的控制流程

圖4：高空作業機械臂的控制系統的控制流程

圖5：機械臂工作流程圖

圖6：LPC1788最小系統

圖7：電源電路原理圖

在高空作業機械臂的控制系統中，控制信號由上位機通過串口發送給高空作業機械臂的主控制器，主控制器經由CAN總線向各關節的電機驅動器發送控制指令，從而電機驅動器驅動各電機進行轉動。具體而言，首先進行機械臂控制器初始化；然后對CAN口初始化，使能CAN中斷并設置CAN中斷優先級；然后初始化串口，初始化外接，初始化系統時鐘；然后初始化CAN通信主機（控制器），初始化CAN通信從機（驅動器），初始化CAN定時器。之后，每隔20ms檢測串口狀態，等待來自串口的指令，并且，每隔50ms更新驅動器狀態，發送驅動器狀態以及速度值等信息。控制流程如圖4所示。

3.3 高空作業機械臂的控制系統的控制方式

利用高空作業機械臂的控制系統，能夠控制機械臂執行各種作業。控制系統所執行的控制的流程圖如圖5。

圖8：JTAG原理圖

具體而言，首先，根據實際情況確定作業目標相對于高空作業裝置的位置關系。然后，控制系統對旋轉臺的朝向進行調整，使得高空作業機械臂朝向作業目標，并對肩部的角度進行控制，使長臂相對于旋轉臺的夾角處于初始角度。然后，調整長臂的長度從而調整長臂的末端的高度，例如使肘部相對于作業目標處于同一或大致同一高度。判斷作業目標是否處于短臂的工作范圍內，并修正肩部的角度。

在確定了長臂的姿態之后，對短臂的長度進行調整，從而使得作業目標處于任務操作部的工作范圍內。對肘部的角度進行修正，從而執行作業過程。

4 主控制器設計

以下，對可伸縮高空作業機械臂的控制系統的主控制器進行介紹。主控制器是基于ARM微控制器LPC1788的最小系統的運動控制器。

4.1 LPC1788最小系統設計

最小系統是指去除掉其中任何一部分，該最小系統都無法成為一個獨立的系統。本文的最小系統包括LPC1788芯片及其外圍電路和接口，為滿足與PC通信的需要，進一步添加了串口通信電路。具體而言，最小系統包括LPC1788芯片、復位電路、時鐘電路、電源電路和JTAG等。最小系統的框圖如6所示。

4.2 電源電路設計

LPC1788是一塊功耗比較小的芯片，I/O電壓為3.3V。本控制系統采用AMS公司的117M3穩壓電源芯片。該芯片包括3.3V和5V這兩種電壓，能夠同時滿足LPC1788芯片和外圍電路的電力要求。電路原理圖如圖7所示。

具體而言，電源從DC接口接入，輸入的電源經過開關K1后利用電容C1、C2進行濾波，其中，電容C1濾除高頻雜波，電容C2濾除低頻雜波。濾波之后的電源在利用三端穩壓器ASM1117進行穩壓之后再次利用電容C3、C4進么濾波，最后輸出VCC電壓供電路使用。其中，電阻R1和LED構成電源指示電路。

4.3 JTAG接口設計

ARM仿真器支持Flash存儲器的在線燒寫，并可以在線對程序進行調試。在傳統電路仿真中，若線纜過長，則會導致信號失真、仿真插頭可靠性差等不良狀況。通過LPC1788芯片提供的掃描仿真消除了上述問題。JTAG設計原理如圖8所示。另外，在調試程序時，須與IAR編譯環境以及仿真器配合使用。

4.4 CANopen通信

高空作業機械臂的關節和伸縮驅動電機與主控制器之間采用CANopen通信。

上位機和兩個子系統的控制器通過無線模塊傳輸，它們之間的通信協議為CANopen協議。本文選用PCA82C250。在進行數據收發時，首先，與CAN控制器連接的處理器從其數據存儲區讀取要發送的數據，將數據與主機的ID地址一起組成的信息幀按照CAN報文結構向發送緩沖器發送。之后，對命令寄存器中的發送請求標志置位，在接收到發送請求之后，CAN控制器自動完成發送過程。當檢測到接收緩沖器中存在有效報文之后，接收程序將讀取接收緩沖器中的內容。

5 結語

以上，介紹了一種可伸縮高空作業機械臂。結合可伸縮高空作業機械臂的運動以及研制要求，確定了其控制系統的構成，并且對機械臂的控制系統的控制流程進行設計。之后闡述了控制系統的主控制器的最小系統、電源電路以及JTAG接口的設計。該機械臂的控制系統與電機驅動器之間采用CANopen通信方式進行通信。