模塊化可重構(gòu)機(jī)械臂關(guān)節(jié)模塊的控制研究

摘要：文章設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一款可通過模塊化拼接實(shí)現(xiàn)可重構(gòu)機(jī)械臂的控制系統(tǒng)，可通過簡單的拼接和設(shè)置來改變機(jī)械臂的動作和結(jié)構(gòu)。該系統(tǒng)以CH32為主控核心，用戶可利用MPU6050傳感器和4.3寸觸摸屏自由設(shè)定機(jī)械臂的運(yùn)動參數(shù)，主控部分接收數(shù)據(jù)后，通過串口控制CAN總線電路，CAN總線電路再利用H橋電路去驅(qū)動掛載在CAN總線上的不同ID號的電機(jī)動作。可重構(gòu)機(jī)械臂可獨(dú)立控制每一個關(guān)節(jié)模塊的轉(zhuǎn)動角度，轉(zhuǎn)動最小精度達(dá)0.112 5度，通過給多個電機(jī)發(fā)送不同的指令實(shí)現(xiàn)各電機(jī)動作差異化的動作，實(shí)現(xiàn)多自由度的機(jī)械臂控制。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)具有良好的控制精度和響應(yīng)速度，能夠滿足可重構(gòu)機(jī)械臂的控制需求。

關(guān)鍵詞：可重構(gòu)機(jī)械臂；H橋電路；MPU6050；模塊化控制；CAN總線；嵌入式系統(tǒng)

中圖分類號：TP393" " " 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2025）16-0107-05

開放科學(xué)（資源服務(wù)） 標(biāo)識碼（OSID）

0 引言

近年來，技術(shù)的發(fā)展使得機(jī)器人的能力不斷提高，然而隨著制造裝備的柔性要求越來越高和應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)大，機(jī)器人的工作環(huán)境和工作范圍也越來越廣，傳統(tǒng)的機(jī)器人由于構(gòu)形固定的限制很難同時很好地適應(yīng)諸多工作任務(wù)類型及工作環(huán)境的要求[1]。而模塊化可重構(gòu)機(jī)械臂為解決這一問題提供了 promising 的途徑。可重構(gòu)機(jī)器人系統(tǒng)是一種能夠適應(yīng)不同的任務(wù)需要改變自身構(gòu)型的機(jī)器人，可以在未知環(huán)境中完成多種復(fù)雜的作業(yè)任務(wù)[2]。模塊化可重構(gòu)機(jī)械臂是通過各個提前準(zhǔn)備好的模塊進(jìn)行拼接搭建，類似搭積木一樣，再控制模塊化可重構(gòu)機(jī)械臂的動作，具有很高的兼容性和靈活性。根據(jù)具體的任務(wù)，機(jī)器人可通過人工介入的方式實(shí)現(xiàn)重組，使機(jī)器人具有不同的功能[3]。本文研究了一種基于模塊化設(shè)計(jì)的可重構(gòu)機(jī)械臂控制系統(tǒng)，重點(diǎn)探討關(guān)節(jié)模塊的控制方法，旨在實(shí)現(xiàn)對機(jī)械臂的精確、靈活控制。

1 系統(tǒng)硬件

系統(tǒng)硬件分為主控模塊、姿態(tài)傳感器模塊、電機(jī)驅(qū)動模塊以及CAN總線通信模塊四大部分構(gòu)成，主控模塊采用CH32微控制器，負(fù)責(zé)接收用戶指令、處理傳感器數(shù)據(jù)、控制觸摸屏顯示以及發(fā)送電機(jī)控制信號。姿態(tài)傳感器模塊基于MPU6050，用于采集用戶的姿態(tài)信息并通過藍(lán)牙模塊傳輸姿態(tài)數(shù)據(jù)給主控。電機(jī)驅(qū)動模塊采用雙H橋電路驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)，并通過諧波減速器提高扭矩輸出。CAN總線通信模塊負(fù)責(zé)主控模塊與多個驅(qū)動模塊之間的數(shù)據(jù)傳輸，實(shí)現(xiàn)對多個關(guān)節(jié)的協(xié)調(diào)控制。

主控模塊的板子尺寸為10 cm×10 cm，方便嵌入機(jī)械臂中。主控模塊的功能是實(shí)現(xiàn)對4.3寸觸摸屏的驅(qū)動，設(shè)置用戶界面可以靈活地控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動，另外通過藍(lán)牙傳感器可以接收到姿態(tài)傳感器模塊的控制數(shù)據(jù)，然后通過串口將這兩個控制數(shù)據(jù)發(fā)給CAN總線通信模塊，為了使得控制數(shù)據(jù)不丟失，其數(shù)據(jù)均存儲在SD卡。主控模塊不僅僅是系統(tǒng)的核心，也把各個模塊連接到一起，其實(shí)物圖如圖1所示，下面對主控模塊的功能進(jìn)行一一介紹。

對觸摸屏的控制方面，利用了電容觸摸屏接口電路與4.3寸觸摸屏連接，在程序上使用了LVGL圖像庫，使得界面更加絲滑。觸摸屏可以顯示系統(tǒng)的基礎(chǔ)信息和使用說明并可在屏幕中設(shè)置電機(jī)動作角度，來控制機(jī)械臂的動作。其電路圖如圖2所示。

對于姿態(tài)模塊的數(shù)據(jù)獲取和存儲數(shù)據(jù)信息方面，主控模塊上預(yù)留了藍(lán)牙接口，與姿態(tài)模塊上的藍(lán)牙配置為主從模式，可以實(shí)時接收到姿態(tài)模塊發(fā)來的控制命令。為了數(shù)據(jù)的安全，其數(shù)據(jù)均存放在SD卡中，于是主控部分加入了SD卡存儲電路，主要是利用FAT文件系統(tǒng)管理來控制系統(tǒng)的所有數(shù)據(jù)信息，比如藍(lán)牙發(fā)送過來的信息、與電機(jī)驅(qū)動電路通信的數(shù)據(jù)等，其電路圖如圖3所示。

主控模塊接收了前端的控制命令后，就需要將控制數(shù)據(jù)傳輸給后端，以控制電機(jī)動作，此處使用的是USB串口電路來實(shí)現(xiàn)與CAN總線通信模塊的信息交互，實(shí)現(xiàn)兩電路的通信以達(dá)到主控電路對機(jī)械臂的控制，其電路圖如圖4所示。

除此以外，為了使得主控模塊可以正常使用，還有LED電路用于指示燈的作用、電源管理電路可以把輸入的12 V電源轉(zhuǎn)化為5 V和3.3 V電壓為芯片和設(shè)備供電、芯片以及外圍電路使得芯片可以正常燒錄程序正常使用等。

姿態(tài)傳感器模塊就是姿態(tài)控制電路，其板子尺寸為4.5 cm×3.5 cm，可以佩戴在手腕上便于采集用戶的姿態(tài)數(shù)據(jù)，去控制電機(jī)動作。姿態(tài)控制電路的主控芯片是STM32，電路中有MPU6050姿態(tài)傳感器、HC-05藍(lán)牙模塊、WS2812B彩燈電路、電源管理電路等。其功能是MPU6050傳感器采集用戶的姿態(tài)控制信號，并發(fā)送給STM32。經(jīng)過濾波后大約每400 ms獲取一次航向、俯仰和橫滾角度，數(shù)據(jù)通過主藍(lán)牙模塊發(fā)出，可以被主控模塊的從藍(lán)牙模塊接收到，實(shí)現(xiàn)電機(jī)控制的發(fā)送，為了方便佩戴，其供電只需要一塊3.7 V的鋰電池通過電源管理電路實(shí)現(xiàn)整個電路的供電。電路如圖5所示。

在科技快速發(fā)展的背景下，現(xiàn)階段應(yīng)用的步進(jìn)電機(jī)所配置的齒輪箱、直線運(yùn)動執(zhí)行裝置等較為先進(jìn)，能實(shí)現(xiàn)難度較大、復(fù)雜程度較高的線性運(yùn)動，這使步進(jìn)電機(jī)得到了廣泛應(yīng)用與快速發(fā)展[5]。基于這些優(yōu)點(diǎn)，本文的驅(qū)動均采用步進(jìn)電機(jī)。但步進(jìn)電機(jī)也有本身的缺點(diǎn)，具體缺點(diǎn)是相對于同尺寸的直流減速電機(jī)或者大一點(diǎn)的伺服電機(jī)都會出現(xiàn)扭矩相對較小的問題，而且在負(fù)載較大的場合會出現(xiàn)噪聲比較大和可能出現(xiàn)的失步（轉(zhuǎn)動角度錯誤） 的問題。對于扭矩較小的問題，本文采用在步進(jìn)電機(jī)上加裝諧波減速機(jī)，諧波減速機(jī)的主要作用之一就是降低速度并增大輸出扭矩，而且由于諧波減速機(jī)的加入，負(fù)載直接作用在減速機(jī)上，電機(jī)所承受的力會小很多（1/減速比） ，這樣對電機(jī)起到了保護(hù)作用，尤其是在過載的情況下。此次設(shè)計(jì)的諧波減速機(jī)理想情況下可以將扭矩增大30倍，電機(jī)轉(zhuǎn)動30圈時諧波減速機(jī)轉(zhuǎn)動一圈，便于轉(zhuǎn)動重量較大的物體，其建模圖如圖6所示。

由于高品質(zhì)的MOS管可以提供更好的電流控制和更小的導(dǎo)通電阻，這有助于減少電機(jī)在運(yùn)行過程中的噪聲和振動，雙H橋驅(qū)動可以提供更強(qiáng)的扭矩和更好的控制精度，這有助于減少步進(jìn)電機(jī)在高負(fù)載或高速運(yùn)行時的失步現(xiàn)象，所以在電機(jī)驅(qū)動部分采用8個高品質(zhì)MOS管組成雙H橋驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)的動作以解決噪聲比較大和可能出現(xiàn)的失步（轉(zhuǎn)動角度錯誤） 的問題。雙H橋電路由兩個H橋組成，每個H橋由4個MOS管構(gòu)成，H橋電路如圖7所示。這種電路可以控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)以及停止，通過改變MOS管的導(dǎo)通狀態(tài)來控制電機(jī)的電流方向，從而實(shí)現(xiàn)電機(jī)的精確控制。而對于MOS管的導(dǎo)通狀態(tài)是由STM32來控制的，STM32微控制器可以通過PWM輸出和GPIO控制來驅(qū)動H橋芯片，實(shí)現(xiàn)對步進(jìn)電機(jī)的精確控制。具體來說，STM32的引腳輸出高低電平，來控制MOS管的導(dǎo)通狀態(tài)，而MOS管的導(dǎo)通狀態(tài)控制了電流的流通與否，而PWM就是高低電平的變化，所以通過STM32輸出的PWM波即可實(shí)現(xiàn)對步進(jìn)電機(jī)的控制。

對于步進(jìn)電機(jī)的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)和速度，則是通過PWM信號的占空比（即高電平時間與周期的比例） 決定了電機(jī)的轉(zhuǎn)速，而PWM信號的極性則決定了電機(jī)的轉(zhuǎn)向。步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)如圖8所示，反轉(zhuǎn)如圖9所示，都是通過改變電流流向來實(shí)現(xiàn)方向變化的。

如上解釋了對單個電機(jī)的驅(qū)動，但由于模塊化可重構(gòu)機(jī)械臂由多個模塊關(guān)節(jié)組成，因此需要考慮如何實(shí)現(xiàn)同時驅(qū)動多個電機(jī)。單個電機(jī)的控制是通過STM32和雙H橋驅(qū)動來實(shí)現(xiàn)的，但為了方便同時控制多個電機(jī)，不能同時使用多個STM32獨(dú)立發(fā)送PWM波形，這樣過于麻煩且難以實(shí)現(xiàn)聯(lián)動，因此，需要一個總的控制方式，而中間的通信就是一個難題，由此就需要采用一種控制方式來進(jìn)行控制，而CAN總線支持多幀并發(fā)傳輸，數(shù)據(jù)傳輸速度快，能夠滿足實(shí)時控制系統(tǒng)的要求，并且CAN總線支持多主機(jī)和多節(jié)點(diǎn)的連接，能夠方便地?cái)U(kuò)展和改變系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，這一特點(diǎn)對應(yīng)于可重構(gòu)的特性，便于改變機(jī)械臂的結(jié)構(gòu)，在CAN總線系統(tǒng)中，每個節(jié)點(diǎn)（包括電機(jī)控制器） 都有一個唯一的標(biāo)識符。通過CAN總線，系統(tǒng)可以動態(tài)地識別和配置連接的節(jié)點(diǎn)。當(dāng)電機(jī)被添加或移除時，系統(tǒng)可以通過更新節(jié)點(diǎn)列表和重新配置通信協(xié)議來適應(yīng)這些變化。由于這些特性，此處設(shè)計(jì)采用CAN總線來對多個電機(jī)進(jìn)行控制。采用CAN總線通信方式，通信可靠性高，且延時低，適應(yīng)了電機(jī)矩陣中分布式控制的需求[4]。

為滿足控制的功能，設(shè)計(jì)并使用了CAN總線通信模塊，電路中使用的芯片是STM32，STM32與CAN收發(fā)器芯片SN65HVD230相連接，在其總線上就可以掛載多個電機(jī)驅(qū)動電路，以控制多個電機(jī)。主控電路通過串口發(fā)送控制信號給CAN總線控制電路，CAN總線控制電路再通過CAN總線控制電機(jī)驅(qū)動電路再控制電機(jī)動作，比如電機(jī)一動作90°，電機(jī)二動作45°，電機(jī)三動作35°等，通過多個電機(jī)放置位置的不同和角度不同，也就可以實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂的不同動作。由于理論上，標(biāo)準(zhǔn)CAN總線最多可以支持掛接110個設(shè)備，所以為了穩(wěn)定，在本文中的CAN總線通信可以實(shí)現(xiàn)最多控制50個以內(nèi)的電機(jī)，總硬件框架如圖10所示。

2 系統(tǒng)軟件

系統(tǒng)軟件主要包括控制數(shù)據(jù)采集、CAN總線通信和電機(jī)控制三個部分。控制數(shù)據(jù)采集模塊包括讀取MPU6050的姿態(tài)數(shù)據(jù)，并通過藍(lán)牙傳輸至主控模塊以及用戶通過觸摸屏設(shè)定的電機(jī)參數(shù)。CAN總線通信模塊負(fù)責(zé)主控模塊與各驅(qū)動模塊之間的數(shù)據(jù)交換，實(shí)現(xiàn)對多個電機(jī)的協(xié)調(diào)控制。電機(jī)控制模塊根據(jù)接收到的控制指令，驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)精確的運(yùn)動控制。

姿態(tài)數(shù)據(jù)采集部分的作用是發(fā)送電機(jī)控制信號，其主要分為兩個部分，一是可佩戴在手上的姿態(tài)控制電路，電路中的MPU6050姿態(tài)模塊，可以根據(jù)用戶的姿態(tài)變化，獲取姿態(tài)值，然后通過HC-05藍(lán)牙模塊發(fā)送出去，對應(yīng)的姿態(tài)控制電路中的WS2812B彩燈電路會顯示不同的顏色，例如用戶佩戴好后，伸直手臂與地面垂直，扭動手腕向左40度或者向右60度等，然后燈隨著動作而改變顏色，發(fā)出的數(shù)據(jù)也隨之改變，其控制信號可以按照用戶的需求修改。由于主控電路中也含有HC-05藍(lán)牙模塊，所以可以和姿態(tài)控制電路的HC-05藍(lán)牙模塊配置為主從透傳模式，主設(shè)備為姿態(tài)控制電路里的藍(lán)牙模塊，從設(shè)備為主控電路中的藍(lán)牙模塊，它們可以進(jìn)行數(shù)據(jù)的收發(fā)，當(dāng)主控電路收到姿態(tài)控制電路發(fā)過來的數(shù)據(jù)后，對其數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取解析后，按照具體的數(shù)據(jù)內(nèi)容進(jìn)行控制，數(shù)據(jù)格式是AA BB 0X03 0X1E 0X3C 0X5A CC DD，前面的AA BB是數(shù)據(jù)包頭，只有收到這個包頭才是正確的數(shù)據(jù)，防止系統(tǒng)受到其他的數(shù)據(jù)干擾，0X03是指有可重構(gòu)機(jī)械臂中電機(jī)數(shù)量是3個，可以通過修改數(shù)值來控制多個電機(jī)，但注意的是，必須要小于或者等于實(shí)際的電機(jī)數(shù)量，后面的3組是通過16進(jìn)制和10進(jìn)制進(jìn)行轉(zhuǎn)換，此處的意思是30、60、90，指的是電機(jī)一動作30度，電機(jī)二動作60度，電機(jī)三動作90度，這里的三組和控制電機(jī)數(shù)量要保持一致，最后的CC DD是數(shù)據(jù)的包尾，和包頭是一樣的作用，必須一致才是正確的控制信號，通過這些數(shù)據(jù)就可以對電機(jī)進(jìn)行控制。另外還有用戶界面，用戶可以通過4.3寸觸摸電容屏來控制電機(jī)的動作，程序上利用LVGL圖形庫設(shè)計(jì)了三個界面，第一個界面是主界面，具有2個按鍵可以進(jìn)入界面二和界面三，界面二中可以看到系統(tǒng)的基本信息包括電機(jī)數(shù)量、使用方法、電機(jī)轉(zhuǎn)動情況等，如圖11所示。界面三是電機(jī)控制功能，可能通過按下按鍵去控制電機(jī)轉(zhuǎn)動的度數(shù)，這里以三個電機(jī)為例，如圖12所示。用戶可以在觸摸屏上輸入電機(jī)轉(zhuǎn)動的角度，電機(jī)就會按照用戶的輸入來轉(zhuǎn)動。這些數(shù)據(jù)均保存在SD卡中，SD部分使用了FATFS文件系統(tǒng)，便于將不同的控制信號進(jìn)行分類處理，也方便用戶進(jìn)行查看。

CAN總線通信部分用來按照控制信號對電機(jī)進(jìn)行控制。CAN總線由兩根信號線組成，分別為CANH和CANL，這兩根信號線通常采用雙絞線。本設(shè)計(jì)采用的是星形拓?fù)洌總€節(jié)點(diǎn)通過中央設(shè)備連到一起，其優(yōu)點(diǎn)是容易擴(kuò)展，可以通過一個總的控制端控制多個設(shè)備，方便與多個設(shè)備進(jìn)行通信。在程序方面，須配置CAN模塊，設(shè)置波特率和工作模式，初始化CAN總線。主控發(fā)送數(shù)據(jù)后，分控接收數(shù)據(jù)，處理中斷內(nèi)容，如若沒有獲取到數(shù)據(jù)，則重新獲取。CAN總線控制單電機(jī)程序框圖如圖13所示。

電機(jī)控制部分主要是利用STM32輸出PWM波去控制H橋的通斷來控制電機(jī)的動作，電機(jī)驅(qū)動電路對單個步進(jìn)電機(jī)控制時，需要按照硬件連接，通過引腳輸出信號控制，設(shè)置 ENABLE 為高電平使能芯片，設(shè)置 DIR 引腳電平確定電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向，通過在 STEP 引腳產(chǎn)生脈沖信號來驅(qū)動電機(jī)旋轉(zhuǎn)。在多個電機(jī)控制時，由于使用了電機(jī)都掛載在CAN總線控制電路中，所以只須通過CAN總線控制電路給各個電機(jī)驅(qū)動電路發(fā)送信號，其發(fā)送控制信號的順序和每個電機(jī)轉(zhuǎn)動的大小是很重要的，故給每一個電機(jī)都綁定了一個ID號，掛載在CAN總線上的電機(jī)，接收到對應(yīng)的ID號才會動作，反之則無應(yīng)答。按照每個ID號的電機(jī)不同的轉(zhuǎn)動，來實(shí)現(xiàn)一套完整的動作。在CAN總線通信部分中還有信號的反饋功能，CAN總線控制電路會回傳給主控電路電機(jī)的運(yùn)動消息，比如扭矩大小、轉(zhuǎn)動角度等數(shù)據(jù)，便于用戶更好地去了解機(jī)器的工作狀態(tài)。

當(dāng)控制信號傳輸過來后，CAN總線控制電路接收到數(shù)據(jù)便可以操控掛載在CAN總線上的電機(jī)驅(qū)動電路，按照上面對CAN總線的描述進(jìn)行操作后，就可以把控制消息傳輸?shù)矫總€電機(jī)驅(qū)動電路上面，每一個電機(jī)驅(qū)動電路就可以單獨(dú)驅(qū)動對應(yīng)的電機(jī)轉(zhuǎn)動，通過不同電機(jī)轉(zhuǎn)動的不同角度就可以實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂的一套動作，而動作的重復(fù)運(yùn)行就可以在實(shí)際的場合里真實(shí)地使用。在軟件程序方面，可以很簡單地更改代碼就可以靈活的控制不同數(shù)量的電機(jī)，只需要改變接線和控制信號中的傳輸數(shù)據(jù)就可以對不同數(shù)量的電機(jī)進(jìn)行控制。這一軟件控制框圖如圖14所示。

3 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種基于模塊化設(shè)計(jì)的可重構(gòu)機(jī)械臂關(guān)節(jié)控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過CAN總線實(shí)現(xiàn)了對多個關(guān)節(jié)的協(xié)調(diào)控制，并利用MPU6050和觸摸屏提供了靈活的控制方式。實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了系統(tǒng)的可行性和有效性。未來研究將著重于提高控制系統(tǒng)的魯棒性和智能化水平，并探索更多應(yīng)用場景。

參考文獻(xiàn)：

[1] 岳宗帥.可重構(gòu)機(jī)械臂關(guān)節(jié)模塊控制器設(shè)計(jì)及運(yùn)動控制研究[D].沈陽：沈陽理工大學(xué)，2014.

[2] 汪宇超.面向可重構(gòu)機(jī)械臂的模塊化關(guān)節(jié)驅(qū)動控制系統(tǒng)研究[D].蘇州：蘇州大學(xué)，2023.

[3] 王志華.模塊化可重構(gòu)機(jī)械臂系統(tǒng)研制[D].馬鞍山：安徽工業(yè)大學(xué)，2020.

[4] 王志成，丁學(xué)明，李振華.基于CAN總線的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].智能計(jì)算機(jī)與應(yīng)用，2021，11（4）：98-103.

[5] 劉忠南，程怡安，張笑影. 步進(jìn)電機(jī)的單片機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究[J]. 科技資訊， 2024，22（16）：74-76.

【通聯(lián)編輯：王 力】