0 引言

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

    為了解放人類生產(chǎn)力,，用機器取代人類做一些重復且危險的工作已成為必然,。在調(diào)研了目前市面上機械臂的發(fā)展情況下，結(jié)合實際設計了一套基于K64的三自由度機械臂控制系統(tǒng),。該機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,，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 運動學基礎

1.1 機械臂建模

    任何涉及機械手臂的設計均要以運動學為基礎,。在傳統(tǒng)的三維幾何學中,，使用3×1維向量的加法來進行平移計算，使用3×3矩陣的乘法進行轉(zhuǎn)動計算,。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)需要修改對應參數(shù),。

    在進行機械臂運動學計算之前,，首先將機械臂用數(shù)學表達式表示出來，這涉及到機械臂建模,，通過D-H建模法建立模型參數(shù)^[4],，如表1。

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

    結(jié)合表1，可得運動學方程為：

1.2 逆運動學

    逆運動學指在已知機械臂末端的執(zhí)行器位姿,，求解各個關(guān)節(jié)的角度問題,。

    求解逆運動學方程時，面臨最優(yōu)解和唯一解問題,。在圖1中,，機械臂末端的目標點B(x，y),，此時有兩種情況與之對應,，選擇最小的旋轉(zhuǎn)角度達到該目標位置，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,。選擇封閉解可以準確求解出對應的角度變化。對于封閉解法,，有兩種途徑：代數(shù)解和幾何解,。考慮到機械的結(jié)構(gòu)以及運動學方程,，采用幾何法,。

    如圖1所示的平面機械臂，利用平面幾何關(guān)系求運行學反解,，在世界坐標系中,，已知機械臂末端的坐標點B的坐標值，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)總體設計及工作原理

    該系統(tǒng)主要由上位機控制軟件,、K64核心控制電路和機械關(guān)節(jié)等部分組成。其中,，串口作為上位機和K64之間的主要通信方式,，在上位機采用一般的串口調(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行,，首先由操作人員在上位機軟件輸入指令，通過串口通信模塊將TTL信號轉(zhuǎn)化成單片機識別的RS232信號,，緊接著由單片機對接收到的信號進行處理,，同時融入實時操作系統(tǒng)MQX_Lite，分別執(zhí)行相對應的任務,，例如電機控制,、指示燈變化等。同時,，單片機也通過中斷方式實時檢測著傳感器,，將信息反饋給用戶，做到實時監(jiān)控,。

2.1 系統(tǒng)硬件設計

    機械臂的主要應用目標是工業(yè)控制,，而可靠性和抗干擾能力是衡量工業(yè)控制中電氣設備性能的關(guān)鍵指標，因此在設計內(nèi)部電路時,，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,，各個外設工作電壓又各不相同，電源模塊需要滿足統(tǒng)一供電,，需要設計電源轉(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 電機控制模塊

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

    圖4左側(cè)兩個輸入分別控制著電機的轉(zhuǎn)速和方向，由于電機運行過程中會對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。電路實現(xiàn)電氣隔離,，增強了系統(tǒng)的穩(wěn)定性,，排除了干擾。

2.2 系統(tǒng)軟件設計

    在機械臂控制系統(tǒng)中,，軟件部分主要包括PC程序和主控芯片程序,，PC端主要負責與操作人員進行實時交互，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)務流程圖如圖5所示,。

    將MQX_Lite實時操作系統(tǒng)植入到芯片內(nèi)，實現(xiàn)了任務的調(diào)度,，提高了系統(tǒng)實時性,，另外,，采用“多任務+中斷”編程設計思想，將復雜的工作按照功能進行任務劃分,，主要分為主任務,、指示燈任務、串口任務,、電機任務等,；另外一條主線則是中斷、實時監(jiān)控外部事件,、保證系統(tǒng)的穩(wěn)定執(zhí)行,。

2.2.1 多任務體系

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

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

    機械臂控制系統(tǒng)的核心部分是串口任務和電機任務，當機械臂工作之前,，從極限位置^[7]運動到工作位置的起始點,。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，電機任務等待到事件位,，通過調(diào)用cal_degree()函數(shù),，計算出各個關(guān)節(jié)的角度，賦值全局變量，供其他任務中使用,，確定相對應的關(guān)節(jié)需要的脈沖數(shù),，啟動電機。

2.2.2 中斷處理

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

3 機械臂運動實驗

    為了驗證整個系統(tǒng)是否能夠滿足工作的需要,，最后進行實驗,。為了保證曲線連續(xù)^[8],，設定的路線是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。與上位機的交互信息如圖6所示,。

    在機械臂末端安裝一支墨水筆,，在圖6中實時地將機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,，系統(tǒng)停止運行,。實驗階段，將一張白紙固定在操作面上,，當整個實驗停止運行之后,，對所畫的曲線進行分析，非常接近于一條直線,，能滿足設計要求,。

4 結(jié)論

    本文研究的機械臂控制系統(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計上介紹了整個系統(tǒng)的研發(fā)流程,。此系統(tǒng)用一塊核心控制芯片，通過與上位機的交互,，控制多路電機的協(xié)同運行,，完成操作人員指定的功能。經(jīng)過實驗，該控制系統(tǒng)在整體成本低廉的情況下,，依然能夠平穩(wěn)運行并且滿足整體需求,。該機械臂控制系統(tǒng)可以作為一個平臺，滿足不同功能的需要,，改善了傳統(tǒng)的機械臂單一功能不足的缺點,，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 計算機科學與技術(shù)學院,，江蘇 蘇州215000）