0 引言

    機(jī)器人技術(shù)是一種融合了機(jī)械,、計(jì)算機(jī)技術(shù),、電子、人工智能等眾多學(xué)科于一體的先進(jìn)技術(shù)^[1],，各國競相在機(jī)器人的研發(fā)及生產(chǎn)上投入大量人力物力,。我國的機(jī)器人控制技術(shù)仍然和歐美一些國家存在較大差距，機(jī)械臂也屬于機(jī)器人范疇的一部分,。

    為了解放人類生產(chǎn)力,，用機(jī)器取代人類做一些重復(fù)且危險(xiǎn)的工作已成為必然。在調(diào)研了目前市面上機(jī)械臂的發(fā)展情況下,，結(jié)合實(shí)際設(shè)計(jì)了一套基于K64的三自由度機(jī)械臂控制系統(tǒng),。該機(jī)械臂在平面上具有良好的順從性，在豎直方面具有良好的剛性^[2],，配合機(jī)械臂末端攜帶的工具能夠滿足不同操作要求,。經(jīng)過研究比對,，采用恩智浦的K64芯片作為核心控制芯片、以MQX_Lite為操作系統(tǒng)的控制系統(tǒng)能夠充分利用嵌入式軟硬件結(jié)合的優(yōu)點(diǎn),，使控制系統(tǒng)的性能更加優(yōu)越,，成本更低，功能更健全,，改善了傳統(tǒng)機(jī)械臂存在的控制功能單一,、生產(chǎn)成本高等一些問題^[3]。

1 運(yùn)動學(xué)基礎(chǔ)

1.1 機(jī)械臂建模

    任何涉及機(jī)械手臂的設(shè)計(jì)均要以運(yùn)動學(xué)為基礎(chǔ),。在傳統(tǒng)的三維幾何學(xué)中,，使用3×1維向量的加法來進(jìn)行平移計(jì)算，使用3×3矩陣的乘法進(jìn)行轉(zhuǎn)動計(jì)算,。一般用Trans(X₁,，Y₁，Z₁)代表平移,，表示在XYZ軸上分別平移X₁,、Y₁、Z₁,；用Rot(Z,，θ)代表繞Z軸旋轉(zhuǎn)θ角，可以根據(jù)需要修改對應(yīng)參數(shù),。

    在進(jìn)行機(jī)械臂運(yùn)動學(xué)計(jì)算之前,，首先將機(jī)械臂用數(shù)學(xué)表達(dá)式表示出來，這涉及到機(jī)械臂建模,，通過D-H建模法建立模型參數(shù)^[4],，如表1。

    由于Z軸是由單獨(dú)電機(jī)控制,，不需要其他關(guān)節(jié)的配合,，所以豎直方向單獨(dú)考慮。平面位置的移動則依靠兩個(gè)電機(jī)的配合,，機(jī)械臂的俯視圖如圖1所示,。

    結(jié)合表1，可得運(yùn)動學(xué)方程為：

1.2 逆運(yùn)動學(xué)

    逆運(yùn)動學(xué)指在已知機(jī)械臂末端的執(zhí)行器位姿,，求解各個(gè)關(guān)節(jié)的角度問題,。

    求解逆運(yùn)動學(xué)方程時(shí)，面臨最優(yōu)解和唯一解問題,。在圖1中,，機(jī)械臂末端的目標(biāo)點(diǎn)B(x，y)，此時(shí)有兩種情況與之對應(yīng),，選擇最小的旋轉(zhuǎn)角度達(dá)到該目標(biāo)位置，才能解決最優(yōu)解和唯一解問題,。

    求操作臂的反解有兩種方法：封閉解法和數(shù)值解法,。選擇封閉解可以準(zhǔn)確求解出對應(yīng)的角度變化。對于封閉解法,，有兩種途徑：代數(shù)解和幾何解,。考慮到機(jī)械的結(jié)構(gòu)以及運(yùn)動學(xué)方程,，采用幾何法,。

    如圖1所示的平面機(jī)械臂，利用平面幾何關(guān)系求運(yùn)行學(xué)反解,，在世界坐標(biāo)系中,，已知機(jī)械臂末端的坐標(biāo)點(diǎn)B的坐標(biāo)值，利用余弦定理和反三角函數(shù),，求θ₁和θ₂的角度值,。

2 控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)及工作原理

    該系統(tǒng)主要由上位機(jī)控制軟件、K64核心控制電路和機(jī)械關(guān)節(jié)等部分組成,。其中,，串口作為上位機(jī)和K64之間的主要通信方式，在上位機(jī)采用一般的串口調(diào)試工具,；微控制器部分以恩智浦公司K64為核心,，由通信模塊、電機(jī)驅(qū)動模塊,、傳感器模塊,、電源模塊、指示燈模塊組成,。系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示,。

    系統(tǒng)將整體工作流程分模塊進(jìn)行，首先由操作人員在上位機(jī)軟件輸入指令,，通過串口通信模塊將TTL信號轉(zhuǎn)化成單片機(jī)識別的RS232信號,，緊接著由單片機(jī)對接收到的信號進(jìn)行處理，同時(shí)融入實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)MQX_Lite,，分別執(zhí)行相對應(yīng)的任務(wù),，例如電機(jī)控制、指示燈變化等,。同時(shí),，單片機(jī)也通過中斷方式實(shí)時(shí)檢測著傳感器，將信息反饋給用戶，做到實(shí)時(shí)監(jiān)控,。

2.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

    機(jī)械臂的主要應(yīng)用目標(biāo)是工業(yè)控制,，而可靠性和抗干擾能力是衡量工業(yè)控制中電氣設(shè)備性能的關(guān)鍵指標(biāo)，因此在設(shè)計(jì)內(nèi)部電路時(shí),，采用了抗干擾技術(shù),，其中包括光耦隔離電路。系統(tǒng)采用的硬件是具有極高性能的元件,，其中包括高速光耦6N138,、三極管S8050等^[5]。下面著重介紹電源模塊和電機(jī)控制模塊,。

2.1.1 電源模塊

    由于硬件系統(tǒng)中涉及到不同的外設(shè),，各個(gè)外設(shè)工作電壓又各不相同，電源模塊需要滿足統(tǒng)一供電,，需要設(shè)計(jì)電源轉(zhuǎn)化模塊,，滿足要求。本系統(tǒng)中采用常見的24 V直流電源供電,，通過LM2596-ADJ電壓調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié),，輸出電壓依據(jù)公式V_out=V_ref(1+R1/R2)得出，通過改變R1,、R2的值調(diào)整需要的輸出電壓,。經(jīng)過分析，系統(tǒng)需要電壓3.3 V,、5 V,、12 V、24 V,、36 V幾種電壓值供不同部分使用,。電源模塊的電路圖如圖3所示。

2.1.2 電機(jī)控制模塊

    機(jī)械臂的平穩(wěn)正常工作,，離不開電機(jī)的驅(qū)動,。作為常見的工業(yè)控制方式之一，電機(jī)性能的穩(wěn)定對整個(gè)系統(tǒng)具有至關(guān)重要的作用,。為了排除電機(jī)工作時(shí)的反向電流干擾,，設(shè)計(jì)了兼具方向和PWM脈沖控制的電路，如圖4所示,。

    圖4左側(cè)兩個(gè)輸入分別控制著電機(jī)的轉(zhuǎn)速和方向,，由于電機(jī)運(yùn)行過程中會對MCU造成反向干擾，因此需要光電隔離器,，光耦的型號為6N138,，三極管型號為S8050。電路實(shí)現(xiàn)電氣隔離，增強(qiáng)了系統(tǒng)的穩(wěn)定性,，排除了干擾,。

2.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

    在機(jī)械臂控制系統(tǒng)中，軟件部分主要包括PC程序和主控芯片程序,，PC端主要負(fù)責(zé)與操作人員進(jìn)行實(shí)時(shí)交互,，采用一般的串口調(diào)試工具即可。以K64作為主控芯片,，該芯片的主頻達(dá)到120 MHz，具有1 MB閃存,、256 KB的RAM,，這些數(shù)據(jù)足以說明其強(qiáng)大的處理能力，充分滿足系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理要求,。系統(tǒng)軟件業(yè)務(wù)流程圖如圖5所示,。

    將MQX_Lite實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)植入到芯片內(nèi)，實(shí)現(xiàn)了任務(wù)的調(diào)度,，提高了系統(tǒng)實(shí)時(shí)性,，另外，采用“多任務(wù)+中斷”編程設(shè)計(jì)思想,，將復(fù)雜的工作按照功能進(jìn)行任務(wù)劃分,，主要分為主任務(wù)、指示燈任務(wù),、串口任務(wù),、電機(jī)任務(wù)等；另外一條主線則是中斷,、實(shí)時(shí)監(jiān)控外部事件,、保證系統(tǒng)的穩(wěn)定執(zhí)行。

2.2.1 多任務(wù)體系

    在引導(dǎo)程序中,，首先加載主任務(wù)task_main,，在主任務(wù)中，完成了小燈模塊,、串口模塊,、PWM功能、輸入捕捉,、電機(jī)控制的初始化,，并且使能GPIO、輸入捕捉等中斷,。

    在主任務(wù)完成相關(guān)模塊的初始化,，并且開了總中斷以后，主任務(wù)就進(jìn)入了阻塞態(tài)，操作系統(tǒng)就開始進(jìn)行任務(wù)的調(diào)度^[6],。小燈任務(wù)是一直進(jìn)行,，通過小燈的閃爍情況，可以判斷出整個(gè)系統(tǒng)是否在運(yùn)行,，確保程序沒有跑飛,。

    機(jī)械臂控制系統(tǒng)的核心部分是串口任務(wù)和電機(jī)任務(wù)，當(dāng)機(jī)械臂工作之前,，從極限位置^[7]運(yùn)動到工作位置的起始點(diǎn),。通過串口接收數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)解析,，提取相關(guān)指令和數(shù)據(jù)分別賦值全局變量,，置事件位，電機(jī)任務(wù)等待到事件位,，通過調(diào)用cal_degree()函數(shù),，計(jì)算出各個(gè)關(guān)節(jié)的角度，賦值全局變量,，供其他任務(wù)中使用,，確定相對應(yīng)的關(guān)節(jié)需要的脈沖數(shù)，啟動電機(jī),。

2.2.2 中斷處理

    將輸入捕捉引腳與PWM脈沖輸出腳連接,，當(dāng)捕捉到的脈沖數(shù)達(dá)到了MOTOR1_COUNT值，停止電機(jī),，并且置完成事件位,，通過串口給上位機(jī)發(fā)送完成的指令，等待接收下一條命令,。

3 機(jī)械臂運(yùn)動實(shí)驗(yàn)

    為了驗(yàn)證整個(gè)系統(tǒng)是否能夠滿足工作的需要,，最后進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。為了保證曲線連續(xù)^[8],，設(shè)定的路線是X軸方向每次減小5 mm,，Y軸方向每次增加5 mm，設(shè)定的曲線方程為y=-x+400,，由于硬件的構(gòu)造,，存在死限位，關(guān)節(jié)無法繼續(xù)旋轉(zhuǎn),。經(jīng)過測量,，在工作平面內(nèi)X的取值范圍為180~400 mm。與上位機(jī)的交互信息如圖6所示,。

    在機(jī)械臂末端安裝一支墨水筆,，在圖6中實(shí)時(shí)地將機(jī)械臂的一些信息反饋在串口調(diào)試工具中,，最后輸入指令為OVER時(shí)，系統(tǒng)停止運(yùn)行,。實(shí)驗(yàn)階段,，將一張白紙固定在操作面上，當(dāng)整個(gè)實(shí)驗(yàn)停止運(yùn)行之后,，對所畫的曲線進(jìn)行分析,，非常接近于一條直線，能滿足設(shè)計(jì)要求,。

4 結(jié)論

    本文研究的機(jī)械臂控制系統(tǒng)以K64作為核心芯片,，以MQX_Lite為操作系統(tǒng)，從原理到軟硬件整體設(shè)計(jì)上介紹了整個(gè)系統(tǒng)的研發(fā)流程,。此系統(tǒng)用一塊核心控制芯片,，通過與上位機(jī)的交互，控制多路電機(jī)的協(xié)同運(yùn)行,，完成操作人員指定的功能。經(jīng)過實(shí)驗(yàn),，該控制系統(tǒng)在整體成本低廉的情況下,，依然能夠平穩(wěn)運(yùn)行并且滿足整體需求。該機(jī)械臂控制系統(tǒng)可以作為一個(gè)平臺,，滿足不同功能的需要,，改善了傳統(tǒng)的機(jī)械臂單一功能不足的缺點(diǎn)，降低了成本,。

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作者信息：

丁  偉,，王宜懷，賈榮媛

（蘇州大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,，江蘇 蘇州215000）