基于雙控制器的六軸機(jī)械臂設(shè)計(jì)

毛潤，張珈龍

（成都大學(xué) 電子信息與電氣工程學(xué)院，四川成都，610106）

0 引言

隨著社會(huì)信息化技術(shù)的發(fā)展，工業(yè)、農(nóng)業(yè)、科研、國防等各個(gè)領(lǐng)域越來越需要高性能的自動(dòng)化系統(tǒng)。機(jī)械臂能模仿手臂的某些動(dòng)作功能，用以按固定程序抓取、搬運(yùn)物件或操作工具的自動(dòng)操作裝置[1～3]。它可代替人的繁重勞動(dòng)以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的機(jī)械化和自動(dòng)化，能在有害環(huán)境下操作以保護(hù)人身安全，因而廣泛應(yīng)用于機(jī)械制造、冶金、電子、輕工和原子能等部門，智能機(jī)械臂是具有感知、思維和行動(dòng)的機(jī)器人，可獲取、處理和識(shí)別多種信息，自主完成較為復(fù)雜的操作任務(wù)[4～5]。

在后疫情時(shí)代，很多應(yīng)用場(chǎng)景需要員工減少人與人之間的互動(dòng)，例如機(jī)場(chǎng)、地鐵等人流量特別大的地方，這些場(chǎng)所又需要員工與客人進(jìn)行近距離接觸，還需要員工幫助客人進(jìn)行行李的搬運(yùn)，這無疑會(huì)使疫情的風(fēng)險(xiǎn)更大，并且搬運(yùn)行李也是有一定勞動(dòng)強(qiáng)度，將機(jī)械臂運(yùn)用于這些場(chǎng)所，可以一定程度上減少人與人之間的交互和節(jié)省勞動(dòng)力[6～8]。

1 基本組成

本設(shè)計(jì)采用雙控制器方案，控制器2 為QT 控制器（ARM處理器），其運(yùn)行服務(wù)器代碼實(shí)現(xiàn)用戶賬號(hào)登錄注冊(cè)、機(jī)械臂控制信號(hào)接收以及打包發(fā)送功能。機(jī)械臂的硬件構(gòu)造主要分為核心驅(qū)動(dòng)模塊和舵機(jī)模塊兩個(gè)部分，機(jī)械臂核心驅(qū)動(dòng)模塊主要由控制器1（STM32F103C8T6 單片機(jī)）來控制，控制器1 為一個(gè)機(jī)械臂控制器，舵機(jī)模塊包含六個(gè)自由度，每個(gè)舵機(jī)通過相應(yīng)的PWM 的占空比脈沖信號(hào)加以控制[9]。兩控制器合作完成賬號(hào)登錄注冊(cè)以及機(jī)械臂手動(dòng)和自動(dòng)搬運(yùn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

2 硬件設(shè)計(jì)

QT 上位機(jī)控制界面的設(shè)計(jì)，包括賬號(hào)注冊(cè)登錄、機(jī)械臂控制界面；QT 控制器運(yùn)行多線程服務(wù)器代碼，使用三個(gè)線程分別負(fù)責(zé)各個(gè)功能；機(jī)械臂控制器對(duì)機(jī)械臂控制信息進(jìn)行解析處理，通過控制信息對(duì)PWM 占空比進(jìn)行控制從而實(shí)現(xiàn)舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，最終實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂的手動(dòng)和自動(dòng)搬運(yùn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

圖1 是一個(gè)基于雙控制器的民航機(jī)場(chǎng)行李自動(dòng)搬運(yùn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的硬件框架圖。這里的控制器1 為STM32F103C8T6 單片機(jī)，其是作為一個(gè)機(jī)械臂控制器，而控制器2 為FS4412開發(fā)板的核心模塊，其為一個(gè)QT 控制器。程序沒有開始前，QT 控制器的源代碼都是存放在SD 卡中，機(jī)械臂控制器的源代碼存放在Flash 中，上電后，程序啟動(dòng)，QT 控制器運(yùn)行服務(wù)器代碼，用戶登錄客戶端進(jìn)入到賬號(hào)登錄界面，然后輸入賬號(hào)信息后會(huì)通過網(wǎng)口傳輸發(fā)送到QT 控制器，賬號(hào)與QT控制器上的數(shù)據(jù)庫進(jìn)行對(duì)比，比對(duì)成功后再通過網(wǎng)口傳輸回客戶端進(jìn)行登錄，登錄成功后進(jìn)入到機(jī)械臂操作，客戶端發(fā)出機(jī)械臂控制信息后，控制信息會(huì)通過網(wǎng)口傳遞給QT控制器，然后封裝成協(xié)議包通過串口傳遞給機(jī)械臂控制器進(jìn)行解析，解析出機(jī)械臂控制信息后，進(jìn)行舵機(jī)控制。

圖1 硬件架構(gòu)圖

本設(shè)計(jì)使用六軸機(jī)械臂，硬件連接實(shí)物圖如圖2 所示。六軸機(jī)械臂主要包含六個(gè)自由度，分別由六個(gè)舵機(jī)分別來進(jìn)行控制，每一個(gè)舵機(jī)關(guān)節(jié)都可以轉(zhuǎn)動(dòng)180°，而舵機(jī)一般是由舵盤、減速齒輪組、位置反饋電位計(jì)、直流電機(jī)、控制電路幾部分組成。機(jī)械臂的六個(gè)舵機(jī)分別連接STM32 上的M4（TIM3_CH4）、M5（TIM3_CH3）、M6（TIM3_CH2）、M7（TIM3_CH1）、M8（TIM4_CH4）、M9（TIM4_CH3）時(shí)鐘引腳，舵機(jī)通過輸入線接收控制系統(tǒng)發(fā)出的PWM 波從而控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，電機(jī)帶動(dòng)一系列減速齒輪組，減速后傳動(dòng)至輸出舵盤，舵機(jī)的輸出軸帶動(dòng)位置反饋電位器，電位器將相應(yīng)角度的輸出電壓信號(hào)與到控制電路板的PWM控制信號(hào)進(jìn)行比較，然后控制電路板根據(jù)所在位置決定電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的方向和角度。其工作原理就是將脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換為角位移，閉環(huán)控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。步進(jìn)電機(jī)由單片機(jī)控制，控制信號(hào)為數(shù)字信號(hào)，不用經(jīng)過A/D 數(shù)模轉(zhuǎn)換，具有快速啟/停功能，迅速地實(shí)現(xiàn)啟動(dòng)或停止，且步距角越小、延時(shí)越短，定位越準(zhǔn)確，旋轉(zhuǎn)精度越高。其工作流程為：控制信號(hào)→控制電路板→電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)→齒輪組減速→舵盤轉(zhuǎn)動(dòng)→位置反饋電位計(jì)→控制電路板反饋[10]。

圖2 硬件實(shí)物圖

3 軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)的主進(jìn)程如圖3 所示，首先通過QT 設(shè)計(jì)一個(gè)用戶登錄的界面，用戶進(jìn)入到賬號(hào)登錄界面，然后輸入賬號(hào)與密碼，成功登錄后會(huì)進(jìn)入到用戶操作界面，程序同時(shí)通過線程執(zhí)行，互不干擾，它們的控制界面都顯示在QT 界面上，用戶可以通過其來進(jìn)行機(jī)械臂手動(dòng)和自動(dòng)控制。

圖3 主程序設(shè)計(jì)

■3.1 手動(dòng)控制程序設(shè)計(jì)

用戶在客戶端的操作界面按下手動(dòng)控制按鈕后，控制六根滑桿即可控制6 個(gè)舵機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，最終實(shí)現(xiàn)手動(dòng)控制，手動(dòng)控制的程序框圖如圖4 所示。首先進(jìn)行時(shí)鐘初始化、機(jī)械臂初始化、串口初始化。初始化完成后，從用戶界面選擇控制方式，客戶端將進(jìn)行手動(dòng)控制的信號(hào)發(fā)送給QT 控制器的服務(wù)器，QT 控制器再通過串口將控制信號(hào)發(fā)送給機(jī)械臂控制器，機(jī)械臂控制器接收到該手動(dòng)控制信號(hào)，進(jìn)入手動(dòng)控制模式。用戶控制指定舵機(jī)旋轉(zhuǎn)。舵機(jī)的控制信息從用戶界面?zhèn)鬏斀oQT 控制器，并被打包成協(xié)議包通過串口發(fā)送給機(jī)械臂控制器，此時(shí)機(jī)械臂控制器會(huì)檢測(cè)到有數(shù)據(jù)在串口通道中，產(chǎn)生串口中斷，機(jī)械臂控制器接收該控制協(xié)議包。機(jī)械臂控制器接收到數(shù)據(jù)協(xié)議包后進(jìn)行數(shù)據(jù)驗(yàn)證，通過協(xié)議頭和協(xié)議尾來判斷是否為需要的控制信息，如果不正確，重新進(jìn)行接收。當(dāng)確認(rèn)為需要的控制信息后，按照信息中所提供的舵機(jī)號(hào)和旋轉(zhuǎn)角度，進(jìn)行改變相應(yīng)舵機(jī)的占空比，實(shí)現(xiàn)指定舵機(jī)的旋轉(zhuǎn)。最后通過串口中斷接收用戶的控制信息，實(shí)現(xiàn)各個(gè)舵機(jī)的旋轉(zhuǎn)，最終實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂的手動(dòng)控制。

圖4 手動(dòng)控制流程圖

■3.2 自動(dòng)控制程序設(shè)計(jì)

用戶按下自動(dòng)控制按鈕后，進(jìn)入到機(jī)械臂自動(dòng)控制模式，機(jī)械臂會(huì)自動(dòng)完成貨物搬運(yùn)的操作，自動(dòng)控制的程序框圖如圖5 所示。首先進(jìn)行時(shí)鐘、舵機(jī)、串口的初始化，初始化完成后進(jìn)行控制方式的選擇。進(jìn)入自動(dòng)模式后，調(diào)用運(yùn)動(dòng)軌跡點(diǎn)位，QT 控制器將點(diǎn)位信息逐一放入串口通道中。機(jī)械臂控制器檢測(cè)到串口中有數(shù)據(jù)信息，將該數(shù)據(jù)信息取出進(jìn)行解析和校驗(yàn)，確定為正確信息后，通過改變對(duì)應(yīng)舵機(jī)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。當(dāng)運(yùn)動(dòng)軌跡點(diǎn)位都傳輸完成后，完成自動(dòng)控制。

圖5 自動(dòng)控制流程圖

QT 控制器的程序中有著一套完整的運(yùn)動(dòng)軌跡代碼（即從固定點(diǎn)位將物體搬運(yùn)到另一個(gè)固定點(diǎn)位的集合），每一次通過串口傳輸一個(gè)點(diǎn)位信息給機(jī)械臂控制器，機(jī)械臂控制器通過串口接收到該信息后，進(jìn)行解析驗(yàn)證，數(shù)據(jù)正確后改變舵機(jī)的占空比從而實(shí)現(xiàn)一個(gè)點(diǎn)位的運(yùn)行，隨后將第二個(gè)點(diǎn)位信息放入到串口通道中，讓機(jī)械臂控制器進(jìn)行讀取和解析，按照控制信息再次控制對(duì)應(yīng)舵機(jī)運(yùn)行，如此重復(fù)，直到機(jī)械臂完成所有設(shè)置好的運(yùn)動(dòng)軌跡點(diǎn)位，機(jī)械臂就完成了一個(gè)自動(dòng)搬運(yùn)的過程。

4 功能測(cè)試

由于QT 控制器沒有屏幕，所以使用PC 機(jī)的超級(jí)終端來模擬QT 控制器的操作界面，作為其“顯示器”方便用戶進(jìn)行調(diào)試和使用。進(jìn)入到LINUX 操作界面后直接運(yùn)行服務(wù)器代碼，即可啟動(dòng)服務(wù)器，服務(wù)器程序運(yùn)行后，打開客戶端程序，在終端界面上出現(xiàn)了客戶端的IP 和端口號(hào)意味著服務(wù)器和客戶端連接成功，如圖6 所示。

圖6 連接界面

■4.1 手動(dòng)控制測(cè)試

進(jìn)入到操作界面后，會(huì)出現(xiàn)六根滑桿，通過滑動(dòng)滑桿完成對(duì)六個(gè)舵機(jī)的旋轉(zhuǎn)控制。用戶需要通過六根滑桿逐一對(duì)0到5 號(hào)舵機(jī)進(jìn)行控制，每一次選擇滑動(dòng)一根滑桿就可控制一個(gè)關(guān)節(jié)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，逐漸控制6 個(gè)關(guān)節(jié)去合作實(shí)現(xiàn)搬運(yùn)物品的運(yùn)動(dòng)軌跡，最終就實(shí)現(xiàn)了手動(dòng)搬運(yùn)。在這之前首先要按下操作界面上的自動(dòng)/手動(dòng)轉(zhuǎn)換按鈕，當(dāng)按鈕顯示為手動(dòng)時(shí)，即可以進(jìn)行手動(dòng)測(cè)試。

如圖7(a)所示，機(jī)械臂進(jìn)行初始化后所有舵機(jī)都是旋轉(zhuǎn)0°，此時(shí)滑動(dòng)客戶端界面的6根滑桿進(jìn)行相應(yīng)舵機(jī)的操作。首先讓0 號(hào)舵機(jī)旋轉(zhuǎn)至對(duì)向瓶子，并控制1 號(hào)舵機(jī)使機(jī)械臂彎向瓶子，再控制2 號(hào)和3 號(hào)舵機(jī)將機(jī)械臂前端夾子移動(dòng)至瓶子上方和讓5 號(hào)舵機(jī)將夾子張開，然后控制1 號(hào)舵機(jī)使前端夾子下降至能夾起瓶子處，此時(shí)機(jī)械臂已完成夾起前的工作，隨后控制5 號(hào)舵機(jī)使夾子夾緊，成功夾住瓶子，此圖表示瓶子已經(jīng)成功被夾住。

圖7 手動(dòng)控制結(jié)果

如圖7(b)所示，夾起瓶子后，控制1 號(hào)舵機(jī)使機(jī)械臂將瓶子抬起脫離桌面，然后控制0 號(hào)舵機(jī)將瓶子移動(dòng)至目標(biāo)位置上方，此圖表示瓶子已被移動(dòng)至目標(biāo)位置上方。

如圖7(c)所示，此時(shí)機(jī)械臂已經(jīng)將瓶子移動(dòng)到了目標(biāo)位置上方，用戶控制1 號(hào)舵機(jī)將瓶子放置桌面上，此時(shí)機(jī)械臂仍夾著瓶子，然后控制5 號(hào)舵機(jī)使夾子松開瓶子，再控制1 號(hào)舵機(jī)使機(jī)械臂脫離瓶子，此圖表示機(jī)械臂已經(jīng)完成了瓶子搬運(yùn)，并且使夾子脫離了瓶子口。

■4.2 自動(dòng)控制測(cè)試

自動(dòng)抓取是在手動(dòng)抓取的基礎(chǔ)上，事先將實(shí)現(xiàn)自動(dòng)搬運(yùn)的運(yùn)動(dòng)軌跡點(diǎn)位代碼寫入程序中。在用戶控制界面按下自動(dòng)/手動(dòng)切換按鈕后，切換到自動(dòng)抓取模式，自動(dòng)抓取信號(hào)就會(huì)發(fā)送給QT 控制器，它再將信息發(fā)送給機(jī)械臂控制器，然后機(jī)械臂控制器控制機(jī)械臂執(zhí)行事先寫進(jìn)程序的運(yùn)動(dòng)軌跡點(diǎn)位程序，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂自動(dòng)抓取。

再進(jìn)行使用機(jī)械臂調(diào)試器工具進(jìn)行調(diào)試時(shí)，需要調(diào)試一號(hào)舵機(jī)，就需要給ID 為1 的選擇框打鉤，然后在后面的數(shù)據(jù)一欄填寫想要舵機(jī)旋轉(zhuǎn)的度數(shù)，通過發(fā)送給機(jī)械臂控制器，機(jī)械臂的1 號(hào)舵機(jī)就會(huì)旋轉(zhuǎn)相應(yīng)的度數(shù)。

通過對(duì)各個(gè)舵機(jī)點(diǎn)位調(diào)試后，成功確認(rèn)了點(diǎn)位，并將點(diǎn)位寫進(jìn)程序進(jìn)行調(diào)試。

①初始位置：0 號(hào)到5 號(hào)舵機(jī)都是旋轉(zhuǎn)0°。

②就位：將機(jī)械臂旋轉(zhuǎn)到準(zhǔn)備抓取物品的位置，需要將1 號(hào)舵機(jī)旋轉(zhuǎn)35°，2 號(hào)舵機(jī)旋轉(zhuǎn)-34°，3 號(hào)舵機(jī)旋轉(zhuǎn)39°，4 號(hào)舵機(jī)旋轉(zhuǎn)60°，5 號(hào)舵機(jī)旋轉(zhuǎn)-30°。

③抓取：機(jī)械臂進(jìn)行抓取物品，需要將1 號(hào)舵機(jī)旋轉(zhuǎn)43°，5 號(hào)舵機(jī)旋轉(zhuǎn)28°。

④抬起：將物品抓起離開桌面，只需將2 號(hào)舵機(jī)旋轉(zhuǎn)至25°。

⑤偏轉(zhuǎn)：抬起物品后，旋轉(zhuǎn)至目標(biāo)位置，使0 號(hào)舵機(jī)旋轉(zhuǎn)40°，1 號(hào)舵機(jī)旋轉(zhuǎn)15°。

⑥放下：將物品放下，使1 號(hào)舵機(jī)旋轉(zhuǎn)30°，5 號(hào)舵機(jī)旋轉(zhuǎn)-30°。

將這些點(diǎn)位按順序?qū)懭氲皆闯绦虍?dāng)中，并且在每個(gè)動(dòng)作之間加入了延遲函數(shù)，這樣串口接收數(shù)據(jù)時(shí)才能完整接收。自動(dòng)模式下可以抓取放置在固定位置的物體，并且將其放到固定位置去，實(shí)現(xiàn)物品的自動(dòng)搬運(yùn)。因?yàn)橹噶顐鬏斶^快會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失，所以各個(gè)關(guān)節(jié)指令間加入一秒的延遲，所以自動(dòng)模式下機(jī)械臂動(dòng)作稍微有些卡頓，成功實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂自動(dòng)控制。

5 結(jié)論

基于雙控制器的六軸機(jī)械臂的設(shè)計(jì)，最終實(shí)現(xiàn)了機(jī)械臂手動(dòng)抓取、自動(dòng)抓取貨物等功能，文章具體研究內(nèi)容如下：

（1）用戶能夠進(jìn)行登錄注冊(cè)賬號(hào)的功能。用戶在客戶端輸入賬號(hào)和密碼然后通過網(wǎng)絡(luò)傳輸給服務(wù)器中，服務(wù)器調(diào)用數(shù)據(jù)庫信息進(jìn)行賬號(hào)密碼對(duì)比，對(duì)比正確則成功登錄。

（2）用戶可以通過六個(gè)滑桿來手動(dòng)控制機(jī)械臂進(jìn)行手動(dòng)抓取物品的功能。每一個(gè)滑桿代表著六軸機(jī)械臂的0 到5號(hào)舵機(jī)，通過滑動(dòng)滑桿即可控制機(jī)械臂相應(yīng)舵機(jī)旋轉(zhuǎn)的角度。

（3）機(jī)械臂能夠自動(dòng)抓取物品放到目標(biāo)位置的功能，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)抓取。