基于 ＬａｂＶＩＥＷ 舵機(jī)機(jī)械臂控制
2017-5-2 來源：華北理工大學(xué) 作者：王夢(mèng)雅，楊志剛
摘要：分析了六自由度機(jī)器人的特點(diǎn)及功能需求，設(shè)計(jì)了基于 ＬａｂＶＩＥＷ 的多路舵機(jī)控制系統(tǒng)，硬件核心采用ＳＴＣ８９Ｃ５２單片機(jī)，關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)采用舵機(jī)控制。通過實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了六自由度機(jī)械臂的關(guān)節(jié)控制。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示：該系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)，控制效果良好，且協(xié)調(diào)性很高，對(duì)機(jī)械臂的研究具有一定的參考價(jià)值。
關(guān)鍵詞：ＬａｂＶＩＥＷ；舵機(jī)控制；六自由度機(jī)器人
０.引言
在我們的日常生活中，有很多勞動(dòng)強(qiáng)度大、長(zhǎng)時(shí)間單調(diào)重復(fù)的工作，或?qū)Ξa(chǎn)品質(zhì)量要求高的工作，或需要人類在危險(xiǎn)、惡劣的環(huán)境下作業(yè) 的工作，在這種背景下，近年來國(guó)內(nèi)外對(duì)機(jī)械手臂的研究日趨深入。在機(jī)械手臂的研究過程中，多關(guān)節(jié)的協(xié)調(diào)控制是實(shí)現(xiàn)機(jī)械手臂抓取物體的基礎(chǔ)。針對(duì)這個(gè)問題，本文設(shè)計(jì)了六自由度機(jī)械手，通過多路舵機(jī)控制器協(xié)調(diào)驅(qū)動(dòng)各手部關(guān)節(jié)，最后通過虛擬儀器 ＬａｂＶＩＥＷ 實(shí)驗(yàn)對(duì)其進(jìn)行了驗(yàn)證。
１.六自由度機(jī)械手硬件結(jié)構(gòu)
六自由度機(jī)械手具有６個(gè)舵機(jī)控制其關(guān)節(jié)，控制器采用ＳＴＣ８９Ｃ５２單片機(jī)，具有速度快、靈活度高、抗干擾的優(yōu)點(diǎn)。機(jī)械手采用３２路舵機(jī)控制器對(duì)各關(guān)節(jié)進(jìn)行控制。１．１ 機(jī)械臂在本文中，設(shè)計(jì)一個(gè)能夠用于物品搬運(yùn)的六自由度機(jī)械手臂，機(jī)械手臂的運(yùn)動(dòng)包括底座的旋轉(zhuǎn)、大臂的轉(zhuǎn)動(dòng)、小臂的轉(zhuǎn)動(dòng)、手腕的上下擺動(dòng)與左右旋轉(zhuǎn)、手爪的張合，即機(jī)械手臂的自由度為６。六自由度機(jī)械臂模擬圖見圖１。本機(jī)械手臂中的各軸之間相互聯(lián)系并相互獨(dú)立運(yùn)行，各機(jī)構(gòu)互不干涉。
１.２舵機(jī)
舵機(jī)按照轉(zhuǎn)動(dòng)角度分有 １８０°舵機(jī)和 ３６０°舵 機(jī)。１８０°舵機(jī)只能在０°到１８０°之間運(yùn)動(dòng)，如果超過這個(gè)范圍，舵機(jī)就會(huì)因?yàn)槌隽砍潭l(fā)生故障。３６０°舵機(jī)可以連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，我們可以控制它的轉(zhuǎn)動(dòng)方向和速度。
以１８０°舵機(jī)為例，它有３條引線：電源線 ＶＣＣ、地線 ＧＮＤ 與控制信號(hào)線。控制信號(hào)為直流偏置電壓，由接收機(jī)的通道進(jìn)入信號(hào)調(diào)制芯片獲得。舵機(jī)內(nèi)部有一個(gè)基準(zhǔn)電路，產(chǎn)生周期為２０ ｍｓ、寬度為１．５ ｍｓ左右的基準(zhǔn)信號(hào)，舵機(jī)輸出轉(zhuǎn)角與輸入信號(hào)脈沖寬度的關(guān)系見圖２。舵機(jī)將獲得的直流偏置電壓與電位器的電壓比較，獲得電壓差輸出；將電壓差的正負(fù)輸出到機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片來決定電機(jī)的正、反轉(zhuǎn)。
圖１ 六自由度機(jī)械臂模擬圖
圖２ 舵機(jī)輸出轉(zhuǎn)角與輸入信號(hào)脈沖寬度的關(guān)系
２.舵機(jī)控制器通信
２．１舵機(jī)控制板
舵機(jī)控制器的主要功能是驅(qū)動(dòng)多路舵機(jī)，其內(nèi)部寫有與外部設(shè)備進(jìn)行通信的串口協(xié)議，通過 ＰＣ 機(jī)操作上位機(jī)軟件給控制器傳遞控制指令信號(hào)，即可實(shí)現(xiàn)多路伺服電機(jī)單獨(dú)控制或同時(shí)控制。舵機(jī)控制板需要舵機(jī)電源和芯片電源兩個(gè)電源。本文設(shè)計(jì)選用的電源在輸出５Ｖ 電壓時(shí)，可承受２Ａ 的電流，可保證６路舵機(jī)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。而芯片電源所需的功率較小，ＰＣ的 ＵＳＢ口供電即可使證芯片正常工作。
２．２ ＶＩＳＡ 通信
ＶＩＳＡ 通信部分程序如圖３所示。ＶＩＳＡ 是虛擬儀器系統(tǒng)Ｉ／Ｏ 接口軟件。基于自底向上結(jié)構(gòu)模型的 ＶＩＳＡ 創(chuàng)造了一個(gè)統(tǒng)一形式的Ｉ／Ｏ 控制函數(shù)集。常用的 ＶＩ包括 ＶＩＳＡ 配置串口、ＶＩＳＡ 寫入、ＶＩＳＡ 讀取、ＶＩＳＡ 關(guān)閉等子函數(shù)。ＶＩＳＡ 部分 ＶＩ圖標(biāo)見圖４。
圖３ ＶＩＳＡ 通信部分程序
舵機(jī)控制板的命令格 式為 “＃１Ｐ％ｄ＃２Ｐ％ｄ＃３Ｐ％ｄ＃４Ｐ％ｄ＃１３Ｐ％ｄ＃１４Ｐ％ｄ＃１”。數(shù)據(jù)１，２，３，４，１３，１４ 是 舵 機(jī) 的 通 道；字 母 Ｐ 后 面 是 ６ 個(gè) 舵 機(jī) 的ＰＷＭ 脈寬值。本文用到了“格式化寫入字符串”命令，這個(gè)函數(shù)左側(cè)的６個(gè)輸入端輸入的數(shù)據(jù)就是格式字符串的６個(gè)％ｄ所對(duì)應(yīng)的實(shí)時(shí)舵機(jī)脈寬值，舵機(jī)脈寬值通過前面板旋鈕來控制。然后將６個(gè)整數(shù)數(shù)據(jù)組合成的字符串送到 ＶＩＳＡ 寫入函數(shù)的寫入緩沖區(qū)。
圖４ ＶＩＳＡ 部分 ＶＩ圖標(biāo)
ＬａｂＶＩＥＷ 舵機(jī)控制部分程序如圖５所示。
圖５ ＬａｂＶＩＥＷ 舵機(jī)控制部分程序
表１ 控制角度變化表
４.結(jié)論
分析了六自由度機(jī)器人的特點(diǎn)及功能需求，設(shè)計(jì)了基于 ＬａｂＶＩＥＷ 的多路舵機(jī)控制系統(tǒng)，硬件核心采用ＳＴＣ８９Ｃ５２單片機(jī)，關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)采用舵機(jī)控制。運(yùn)用ＬａｂＶＩＥＷ 完成了六自由度機(jī)械臂舵機(jī)控制的軟件實(shí)現(xiàn)，并通過對(duì)機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)控制驗(yàn)證了該方法的可行性。ＬａｂＶＩＥＷ的優(yōu)點(diǎn)在于可以直接生成可執(zhí)行文件，這使仿真調(diào)試到實(shí)際控制的過渡非常簡(jiǎn)單，簡(jiǎn)化了舵機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，該系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)、控制效果良好并且協(xié)調(diào)性很高，對(duì)機(jī)械臂的研究具有一定的參考價(jià)值。
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