基于 ＬａｂＶＩＥＷ 舵機機械臂控制
2017-5-2 來源：華北理工大學(xué) 作者：王夢雅，楊志剛
摘要：分析了六自由度機器人的特點及功能需求，設(shè)計了基于 ＬａｂＶＩＥＷ 的多路舵機控制系統(tǒng)，硬件核心采用ＳＴＣ８９Ｃ５２單片機，關(guān)節(jié)驅(qū)動采用舵機控制。通過實驗，實現(xiàn)了六自由度機械臂的關(guān)節(jié)控制。實驗結(jié)果顯示：該系統(tǒng)運行平穩(wěn)，控制效果良好，且協(xié)調(diào)性很高，對機械臂的研究具有一定的參考價值。
關(guān)鍵詞：ＬａｂＶＩＥＷ；舵機控制；六自由度機器人
０.引言
在我們的日常生活中，有很多勞動強度大、長時間單調(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、惡劣的環(huán)境下作業(yè) 的工作，在這種背景下，近年來國內(nèi)外對機械手臂的研究日趨深入。在機械手臂的研究過程中，多關(guān)節(jié)的協(xié)調(diào)控制是實現(xiàn)機械手臂抓取物體的基礎(chǔ)。針對這個問題，本文設(shè)計了六自由度機械手，通過多路舵機控制器協(xié)調(diào)驅(qū)動各手部關(guān)節(jié)，最后通過虛擬儀器 ＬａｂＶＩＥＷ 實驗對其進行了驗證。
１.六自由度機械手硬件結(jié)構(gòu)
六自由度機械手具有６個舵機控制其關(guān)節(jié)，控制器采用ＳＴＣ８９Ｃ５２單片機，具有速度快、靈活度高、抗干擾的優(yōu)點。機械手采用３２路舵機控制器對各關(guān)節(jié)進行控制。１．１ 機械臂在本文中，設(shè)計一個能夠用于物品搬運的六自由度機械手臂，機械手臂的運動包括底座的旋轉(zhuǎn)、大臂的轉(zhuǎn)動、小臂的轉(zhuǎn)動、手腕的上下擺動與左右旋轉(zhuǎn)、手爪的張合，即機械手臂的自由度為６。六自由度機械臂模擬圖見圖１。本機械手臂中的各軸之間相互聯(lián)系并相互獨立運行，各機構(gòu)互不干涉。
１.２舵機
舵機按照轉(zhuǎn)動角度分有 １８０°舵機和 ３６０°舵 機。１８０°舵機只能在０°到１８０°之間運動，如果超過這個范圍，舵機就會因為超出量程而發(fā)生故障。３６０°舵機可以連續(xù)轉(zhuǎn)動，我們可以控制它的轉(zhuǎn)動方向和速度。
以１８０°舵機為例，它有３條引線：電源線 ＶＣＣ、地線 ＧＮＤ 與控制信號線。控制信號為直流偏置電壓，由接收機的通道進入信號調(diào)制芯片獲得。舵機內(nèi)部有一個基準電路，產(chǎn)生周期為２０ ｍｓ、寬度為１．５ ｍｓ左右的基準信號，舵機輸出轉(zhuǎn)角與輸入信號脈沖寬度的關(guān)系見圖２。舵機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；將電壓差的正負輸出到機驅(qū)動芯片來決定電機的正、反轉(zhuǎn)。
圖１ 六自由度機械臂模擬圖
圖２ 舵機輸出轉(zhuǎn)角與輸入信號脈沖寬度的關(guān)系
２.舵機控制器通信
２．１舵機控制板
舵機控制器的主要功能是驅(qū)動多路舵機，其內(nèi)部寫有與外部設(shè)備進行通信的串口協(xié)議，通過 ＰＣ 機操作上位機軟件給控制器傳遞控制指令信號，即可實現(xiàn)多路伺服電機單獨控制或同時控制。舵機控制板需要舵機電源和芯片電源兩個電源。本文設(shè)計選用的電源在輸出５Ｖ 電壓時，可承受２Ａ 的電流，可保證６路舵機的正常運轉(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圖標見圖４。
圖３ ＶＩＳＡ 通信部分程序
舵機控制板的命令格 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 的 通 道；字 母 Ｐ 后 面 是 ６ 個 舵 機 的ＰＷＭ 脈寬值。本文用到了“格式化寫入字符串”命令，這個函數(shù)左側(cè)的６個輸入端輸入的數(shù)據(jù)就是格式字符串的６個％ｄ所對應(yīng)的實時舵機脈寬值，舵機脈寬值通過前面板旋鈕來控制。然后將６個整數(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
ＬａｂＶＩＥＷ 舵機控制部分程序如圖５所示。
圖５ ＬａｂＶＩＥＷ 舵機控制部分程序
表１ 控制角度變化表
４.結(jié)論
分析了六自由度機器人的特點及功能需求，設(shè)計了基于 ＬａｂＶＩＥＷ 的多路舵機控制系統(tǒng)，硬件核心采用ＳＴＣ８９Ｃ５２單片機，關(guān)節(jié)驅(qū)動采用舵機控制。運用ＬａｂＶＩＥＷ 完成了六自由度機械臂舵機控制的軟件實現(xiàn)，并通過對機械臂的運動控制驗證了該方法的可行性。ＬａｂＶＩＥＷ的優(yōu)點在于可以直接生成可執(zhí)行文件，這使仿真調(diào)試到實際控制的過渡非常簡單，簡化了舵機控制系統(tǒng)的設(shè)計過程。實驗結(jié)果顯示，該系統(tǒng)運行平穩(wěn)、控制效果良好并且協(xié)調(diào)性很高，對機械臂的研究具有一定的參考價值。
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