基于智能感應的多自由度機械臂系統的設計探討*

張 錦，靳 煒，殷玉楓

(1.山西交通職業技術學院，山西 太原 030031； 2.太原科技大學 機械工程學院，山西 太原 030024)

0 引言

智能感應的多自由度機械臂可以在高溫高壓以及存在危險放射物的工作環境下作業，利用智能感應的多自由度機械臂不僅可以改善軍事工業的危險作業條件，也能夠在工業制造生產中確保工作人員的人身安全，同時還可以為工業生產節約生產成本，提高生產效率。智能化機械臂系統的實現需要改變當前機械臂操作復雜和應變能力差等特點，為此應用智能控制和傳感系統來實現智能感應的多自由度機械臂系統，從而確保相應的工作人員能夠實現超遠距離的信息傳輸和對智能機械臂生產作業的精準控制。本文對智能感應的多自由度機械臂系統的設計和實現進行研究分析，并重點探討其中的4個主要組成部分，即核心控制子系統、傳感子系統、開發控制子系統和智能信息控制子系統的具體實現方案。

1 智能機械臂系統設計思路

智能感應多自由度機械臂系統的主要核心設計思路為操作簡便和智能控制。因此，可以將智能感應多自由度機械臂的控制系統分為核心控制子系統、傳感子系統、開發控制子系統和智能信息控制子系統四大核心模塊。核心控制子系統主要由以ARDUION控制板為核心的硬件部分和IDE開發控制環境兩部分組成，硬件部分主要包括超聲波智能感應控制板、ARDUION控制板和電機智能驅動裝置三部分；傳感子系統主要由超聲波傳感器和系統電源兩部分組成；開發控制子系統主要由機械臂舵機驅動和選擇兩部分構成；智能信息控制子系統主要由智能信息控制板、智能電源控制和信息執行系統三部分構成。

1.1 智能感應多自由度機械臂的核心控制子系統

智能機械臂控制系統是基于ARDUION電子控制原型平臺實現的。智能機械臂核心控制子系統主要由超聲波智能感應控制板和ARDUION控制板以及電機智能驅動裝置三部分組成。在核心控制系統中，電源對智能核心控制子系統的三部分進行電源供給，通過智能傳感模塊接收超聲波傳感器的信息來對ARDUION的控制模板進行命令下達。智能機械臂核心控制子系統利用相關感應元件接收信息來對ARDUION進行操作，通過核心控制系統的集成開發環境來對相應的多自由度機械臂進行電機驅動，使相應的多自由度機械臂在驅動下準確地運動，從而控制多自由度機械臂能夠在智能感應下實現準確的作業。

1.1.1 智能機械臂核心控制系統硬件設備

智能感應多自由度機械臂的核心控制系統硬件設備主要由ARDUION UNO控制板、超聲波智能感應控制板以及電機智能驅動裝置等三部分組成。ARDUION UNO控制模塊是當前世界上ARDUION性價比最高的控制模塊之一，其核心主體為ATMEGA328單機片。核心控制軟件中，ARDUION IDE開發環境是借助于ARDUION UNO控制板進行程序開發的，從而確保ARDUION IDE開發環境能夠利用UNO控制板的各個不同的傳感器來感知環境，從而達到有效控制的目的。

硬件設備中的超聲波智能感應控制板用于感應模塊與物品的實際距離信息，通過信息流反饋到ARDUION IDE開發環境中，確保接收的信息能夠準確傳導到ARDUION UNO控制板中進行處理，從而保證信息的智能化和準確化。同樣由于多自由度機械臂的每一個自由度都受到單獨的舵機控制器的控制，因此在核心控制中，需要電機智能驅動裝置對多自由度機械臂進行控制和信息存儲，在接收到核心控制中心下達的驅動信息后能夠準確地通過電機驅動來實現機械臂多自由度的運動規劃。

1.1.2 智能機械臂核心控制子系統軟件程序

智能感應多自由度機械臂核心控制子系統的控制軟件主要由ARDUION IDE開發環境程序和舵機控制程序構成。

ARDUION IDE開發環境程序軟件是在C語言的基礎上編輯的，ARDUION軟件編程人員利用C語言代碼來構建相對應的ARDUION IDE開發數據庫，同樣程序開發人員也可以在ARDUION IDE開發環境中適當擴展鏈接相應的數據庫，從而減少使用人員的工作量。在ARDUION IDE開發環境的程序智能控制中，主要利用開發環境程序對超聲波進行有效的處理，通過確定回歸超聲波的時間差異來進行數據處理從而實現核心控制。在ARDUION IDE開發程序的主要流程中，首先需要定義超聲波的控制端和接收端，通過ARDUION IDE開發環境程序來將變量與實際的控制端相連，通過設定相應的觸發控制與接收端的數值定義，將回歸超聲波的時間轉換為現實相應的距離數值，從而調動舵機對多自由度機械臂的運動進行智能規劃。

多自由度的舵機控制程序主要包括舵機編號查詢和脈沖寬度擺動函數兩部分。在舵機控制程序中，舵機編號查詢能夠使相應的舵機操作相應的自由度。同樣脈沖寬度擺動函數能夠準確地控制相應的舵機來實現機械臂的自由度和需要的擺動寬度，從而使得機械臂能夠智能化地轉動到相應的位置。

1.2 智能感應多自由度機械臂傳感子系統

智能機械臂傳感子系統的核心是超聲波智能傳感模板，其主要由超聲波模塊的聲波發射控制端和接收端以及相應的電源與接地線組成。通過超聲波的發射和接收端口來實現距離的測定，通過超聲波的時間差距來進行距離的數據計算。智能感應多自由度機械臂的傳感子系統借助于超聲波傳感裝置和電源的運作來進行相應的數據錄入，從而為核心控制端的命令下達提供保障。

1.3 智能感應多自由度機械臂開發控制子系統

智能機械臂開發控制子系統主要由舵機的選擇和驅動模塊兩部分組成。由于舵機是核心控制與機械臂控制的連接中心，因此正確地選擇控制系統舵機才能確保智能化的多自由度機械臂能夠順利地運轉。舵機有數字信息舵機和模擬舵機兩種形式。其主要區別在于數字信息舵機能夠進行更加細微的處理且占有率更小，但其抗干擾能力不強，且成本更高。因此在實際開發控制系統時，往往將數字信息舵機和模擬舵機結合使用，從而提高相應的使用效率。在舵機的驅動模塊選擇中，由于智能化的機械臂需要更佳的便捷性，因此可以選擇S系列32路的舵機驅動模塊，從而能夠實現無線遠程控制。

1.4 智能感應多自由度機械臂的信息控制子系統

智能機械臂的信息控制子系統由智能信息控制板、智能電源控制和信息執行系統三部分構成。為了實現遠程信息控制，可采用PS2遙控手柄作為控制設備，通過信息控制系統的相關操作，保證手柄能夠與ARDUION控制板相連，從而進行命令的下達和輸送。

2 智能機械臂系統的實現流程

智能感應多自由度機械臂系統的工作流程如圖1所示，其主要的工作流程為：通過系統電路上電，由超聲波傳感器感應距離信息，并將探測到的實際有效數據傳送到核心處理系統中；利用ARDUION控制來對實際的信息進行處理，通過設定相應的觸發控制與接收端的數值定義，將回歸超聲波的時間轉換為現實相應的距離數值，從而調動舵機對多自由度機械臂的運動進行智能規劃；下達命令傳輸到舵機驅動模塊中，讓舵機模塊驅動機械臂進行相應的作業，實現機械臂的自由度和需求動作的擺動寬度，從而使得機械臂能夠智能化地轉動到相應的位置。

智能感應多自由度機械臂系統不僅可以應用到工業的大規模生產中，也能夠有效地運用于軍事行業的排雷除爆和搬運危險品等特殊場合。

3 結束語

由此可見，智能感應多自由度機械臂系統實現的關鍵在于借助當前創新技術進行核心控制子系統、傳感子系統、開發控制子系統和信息控制子系統等四大模塊的組構。通過智能控制系統實現多自由度機械臂控制，可以有效地保證機械臂的自由度和信息處理的智能化。智能感應的多自由度機械臂系統設計與實現不僅可以提高工業的生產安全性，也為工業生產節約生產成本、提高生產效率提供了保障。此外，系統能夠很好地實現操作人員與機械臂的交叉控制，確保相關工作人員能夠通過超遠距離的信息傳輸來實現智能機械臂生產作業的精準控制，為智能系統和工業制造的發展提供全面的保障。

圖1 智能感應多自由度機械臂系統的工作流程