杜金浩, 張興瑞，趙亞鳳

（東北林業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040）

0 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，機(jī)器人學(xué)科越來越具有強(qiáng)大的生命力，并在某種程度上已經(jīng)代表信息技術(shù)、自動化技術(shù)、系統(tǒng)集成技術(shù)等的最新發(fā)展[1]。本文介紹的同步機(jī)械手臂，通過四個絕對值旋轉(zhuǎn)編碼器采集人類手臂的動作信息，包括肩關(guān)節(jié)，肘關(guān)節(jié)，腕關(guān)節(jié)和指關(guān)節(jié)四個自由度，并將其量化為一組數(shù)據(jù)通過NRF24L01 無線模塊發(fā)射出去，接收端根據(jù)收到的數(shù)據(jù)控制四個位于機(jī)械臂上的的舵機(jī)，并使用編碼器對舵機(jī)關(guān)節(jié)角度進(jìn)行檢測，通過PID 控制算法精準(zhǔn)控制舵機(jī)姿態(tài)，從而達(dá)到完全復(fù)制手臂動作的目的。同時該裝置輔以電機(jī)，通過按鍵無線控制裝置的整體移動。

相比于傳統(tǒng)的機(jī)械手臂，本文介紹的裝置由于采用了更加直觀的控制方法，降低了使用者的學(xué)習(xí)成本，減少了誤操作的幾率，所以更有利于向公眾普及。從而在幫助下肢不便者拓展距離限制和保護(hù)高危作業(yè)者人身安全等方面具有積極作用[2]。

1 硬件設(shè)計

1.1 發(fā)射機(jī)硬件設(shè)計

發(fā)射機(jī)需要完成對人體動作進(jìn)行檢測，對電機(jī)發(fā)出控制指令等工作。該部分由角度檢測模塊，移動控制模塊，電源模塊，無線模塊構(gòu)成。

角度檢測電路采用4 個絕對值旋轉(zhuǎn)編碼器TRDNA1024NW 對人體動作進(jìn)行準(zhǔn)確的檢測，1024 線（10bit）格雷碼輸出絕對編碼器，本設(shè)計為使編碼器與舵機(jī)精度相匹配，所以舍棄后兩位采用8 位數(shù)據(jù)，8 位數(shù)據(jù)可將精度控制在1.4°/位，可以滿足對肢體動作的檢測要求。

圖1 發(fā)射機(jī)組成框圖Fig.1 Rransmitterblock diagram

電源模塊采用11.1V 航模電池，保證輸出電流符合要求。電路如圖2 所示。

圖2 電源模塊Fig.2 Power module

1.2 接收機(jī)硬件設(shè)計

接收機(jī)是整個系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，主要由機(jī)械手臂模塊，電機(jī)模塊，角度檢測模塊和無線接收模塊構(gòu)成。

仿真手臂由四個大扭力舵機(jī)構(gòu)成，本設(shè)計采用MG996R 舵機(jī)。MG996R 舵機(jī)拉力可達(dá)12kg/cm（6V），反應(yīng)速度約為0.17sec/60 度（4.8V無 負(fù) 載）0.14sec/60 度（6V 無負(fù)載）?；究蓾M足設(shè)計要求。由于STM32 輸出信號峰值電壓為3.3V，無法滿足舵機(jī)的驅(qū)動要求，并且為了保護(hù)單片機(jī)，防止電流倒灌。所以采用MOS 管進(jìn)行反向隔離升壓，保證舵機(jī)工作穩(wěn)定，電路如圖4 所示。

電機(jī)模塊采用兩輪獨(dú)立驅(qū)動機(jī)構(gòu)，由兩個高精度驅(qū)動輪和一個隨動輪構(gòu)成。此裝置由滾動代替滑動摩擦，效率較高適合在平坦的路面上移動，定位精確，而且重量較輕，制作簡單[4]。左右兩個驅(qū)動輪分別由兩個直流電機(jī)獨(dú)立驅(qū)動，兩個驅(qū)動輪的速度差值決定機(jī)械手臂的前進(jìn)方向，通過對兩個電機(jī)施加不同的速度控制量可實(shí)現(xiàn)任意方向的運(yùn)動，屬于差分驅(qū)動方式。

角度檢測模塊采用與發(fā)射機(jī)類似的硬件設(shè)計，均采用絕對值旋轉(zhuǎn)編碼器，有所不同的是這里檢測的是實(shí)際執(zhí)行角度。通過該角度值為PID 控制提供樣本。

由于本設(shè)計需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量比較大，數(shù)據(jù)傳輸速度要求極快，而且需要防止數(shù)據(jù)間的互相干擾。所以這里采用兩個獨(dú)立的無線模塊NRF24L01。一個無線模塊用來傳輸手臂動作信息，另一個用來傳輸整體移動的信息。

60年砥礪奮進(jìn)，60年薪火相傳，中國氮肥行業(yè)從無到有，由弱至強(qiáng)，走出了一條具有中國特色的發(fā)展之路。而在不斷地前行中，中國氮肥行業(yè)始終奮發(fā)有為，以科技創(chuàng)新為驅(qū)動，加速向先進(jìn)制造業(yè)邁進(jìn)。

圖3 接收機(jī)組成框圖Fig.3 Receiverblock diagram

圖4 舵機(jī)驅(qū)動電路Fig.4 Drive circuit for steering engine

圖5 電機(jī)驅(qū)動電路Fig.5 Drive circuit for electrical machinery

2 軟件設(shè)計

2.1 發(fā)射機(jī)軟件設(shè)計

發(fā)射機(jī)主要用于采集手臂數(shù)據(jù)和移動控制數(shù)據(jù)，并將其經(jīng)無線模塊發(fā)射出去，所以發(fā)射機(jī)的軟件設(shè)計主要包括對角度的檢測，對鍵盤的檢測。

對角度檢測需要采集編碼器數(shù)據(jù)，由于角度編碼器為避免電平跳變錯誤，故采用格雷碼輸出。所以我們在實(shí)際讀取數(shù)據(jù)的過程中，需要使格雷碼轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制再進(jìn)行處理。采用如下方式進(jìn)行轉(zhuǎn)換：

unsigned char y=x；

while （x＞＞=1）

y^=x；

return y；

即可實(shí)現(xiàn)從格雷碼轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制，將此二進(jìn)制保存，在四個編碼器均檢測完成后形成一個數(shù)組，即為當(dāng)前肢體動作的量化描述。

2.2 接收機(jī)軟件設(shè)計

接收機(jī)主要根據(jù)無線模塊接收到的數(shù)據(jù)使得舵機(jī)和電機(jī)做出相應(yīng)反應(yīng)，達(dá)到模仿和移動的目的，并且可以根據(jù)反饋機(jī)制進(jìn)行自我微調(diào)。所以接收機(jī)的軟件設(shè)計主要包括舵機(jī)控制程序，電機(jī)控制程序和PID 控制程序[5]。

舵機(jī)的控制信號為一個周期為20ms，脈沖寬度為0.5ms～2.5ms 的PWM 方波。該信號采用STM32 內(nèi)部定時器產(chǎn)生，它的脈沖寬度調(diào)制模式可以產(chǎn)生一個由TIMx_ARR 寄存器確定頻率、由TIMx_CCRx 寄存器確定占空比的信號。由于需產(chǎn)生50Hz 的信號，所以需要對72MHz 的時鐘頻率先進(jìn)行1440 的預(yù)分頻和1000 的分頻。配置程序如下所示：

TIM_TimeBaseStructure.TIM_Period = 999；//當(dāng) 定 時器從0 計數(shù)到999，即為1000 次，為一個定時周期。

TIM_TimeBaseStructure.TIM_Prescaler = 1439；//設(shè)置預(yù)分頻： 1440。

由于需要實(shí)時改變PWM 波的占空比，即需要實(shí)時改變TIMx_CCRx 寄存器的值，所以這里采用中斷方式：每10 個周期（即0.2s）進(jìn)一次中斷，改變一次TIMx_CCRx的值。這樣就實(shí)現(xiàn)了每0.2s 改變一次占空比，達(dá)到快速動作的目的。

TIMx_CCRx 的值由所接收到的手臂動作數(shù)據(jù)決定，接收到的數(shù)據(jù)范圍為0～255，將接受到的數(shù)據(jù)經(jīng)過一定的線性轉(zhuǎn)換，即可得到應(yīng)向TIMx_CCRx 寄存器里寫入的值。但是應(yīng)為機(jī)械結(jié)構(gòu)的原因，每一個舵機(jī)都應(yīng)該有一個限制，超過這個限制的話就會造成舵機(jī)卡機(jī)，造成舵機(jī)不可挽回的損壞，所以在進(jìn)行線性變換的同時，還需多舵機(jī)的占空比進(jìn)行限制，主要程序如下：

在速度控制程序中本設(shè)計采取兩套機(jī)制共同控制速度，一是采用超聲波傳感器進(jìn)行避障，二是采用碼盤檢測速度大小，設(shè)定閾值，采取相應(yīng)的減速操作。根據(jù)時間差距測法計算出發(fā)射點(diǎn)距障礙物的距離s。當(dāng)距離低于某一數(shù)值時，說明即將撞到某物，采取停車操作。反之說明周圍無障礙。通過檢測碼盤脈沖頻率判斷速度，由于速度較慢且精度要求不高，所以這里采用線性調(diào)整即可。

本裝置通過PID 反饋控制對舵機(jī)角度進(jìn)行微調(diào)，使用編碼器檢測出的角度作為實(shí)際值，向無線模塊接收到的理想值逼近。比例部分的引入是為了及時成比例地反應(yīng)控制系統(tǒng)的偏差，對舵機(jī)做主要調(diào)整。積分作用的引入，主要是為了保證被控量在穩(wěn)態(tài)時對設(shè)定值的無靜差跟蹤，微分作用的引入主要是為了改善閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和動態(tài)響應(yīng)的速度[6]，通過PID 控制，更加準(zhǔn)確快速的完成響應(yīng)，提高了系統(tǒng)的時效性。

電機(jī)控制程序主要做判斷工作，根據(jù)無線通信端接收的指令，L298N 同時驅(qū)動2 路直流電機(jī)。以其中一路為例，當(dāng)IN1 和IN2 為00 或11 時，電機(jī)處于制動狀態(tài)，阻止電機(jī)轉(zhuǎn)動： 當(dāng)IN1，IN2為01 時，電機(jī)正轉(zhuǎn)；當(dāng)IN1，IN2 為10 時電機(jī)反轉(zhuǎn)。為掌控接收機(jī)運(yùn)動速度，對使能端輸出PWM 脈沖，不同的占空比，實(shí)現(xiàn)不同的速度調(diào)節(jié)。

圖6 程序流程圖Fig.6 Program flow diagram

3 系統(tǒng)測試

本設(shè)計靠無線傳輸數(shù)據(jù)，所以傳輸距離決定著設(shè)計的好壞。但因電磁波，電磁場，建筑物，人體影響等多種環(huán)境影響都會對傳輸距離產(chǎn)生一定的影響，導(dǎo)致實(shí)驗數(shù)據(jù)因?qū)嶋H操作環(huán)境的不同而有不同的傳輸效率。

在空曠場地，最遠(yuǎn)通信距離達(dá)到60m,在有建筑物阻隔的時候，最遠(yuǎn)傳輸距離縮減為40～50m 之間。

在接收機(jī)與發(fā)射機(jī)相距一米的情況下我們對整機(jī)進(jìn)行了靈敏度測試，實(shí)驗數(shù)據(jù)如表1 所示。舵機(jī)靈敏度約＜0.1s（從發(fā)射機(jī)發(fā)出信號到接收機(jī)做出相應(yīng)的反應(yīng)）。

表1 誤差測試Tab.1 Error test

大臂受重力影響所需扭力最大，其誤差一直較大，相比較而言其它部位舵機(jī)因其位置關(guān)系誤差有不同的變化。手指部分的誤差主要由機(jī)械結(jié)構(gòu)造成，其硬件結(jié)構(gòu)中使用了非精密齒輪，造成抓取過程誤差有一定變大。

4 總結(jié)

利用STM32 微控制器，編碼器，NRF24L01 通信模塊等，實(shí)現(xiàn)了一種具有同步功能的無線同步機(jī)械手臂。該設(shè)計不僅具有同步性，使得殘疾人在取物時能夠根據(jù)自己的意圖而且操作擺脫了傳統(tǒng)中線路的限制，用無線收發(fā)數(shù)據(jù)，方便使用者遠(yuǎn)程操控。無線同步手臂在為殘疾人提供方便的同時，也可以為健全人們提供一種全新的服務(wù)，更好的享受生活。

[1] 蔡自興.21 世紀(jì)機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展趨勢[J].南京化工大學(xué)學(xué)報，2000，4.

[2] 蔣新松.未來機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展方向[J].機(jī)器人技術(shù)與應(yīng)用，1997，2.

[3] 樓然苗，李廣飛.51 系列單片機(jī)設(shè)計實(shí)例[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2003.

[4] 宋永端.移動機(jī)器人及其自動化技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2012.

[5] 徐德，鄒偉.室內(nèi)移動式服務(wù)機(jī)器人的感知、定位與控制[M].北京：科學(xué)出版社，2008.

[6] 樊國平.智能PID 控制系統(tǒng)的設(shè)計與研究[D].浙江：浙江工業(yè)大學(xué)，2005.