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        基于K60的交通指揮機(jī)械手臂設(shè)計(jì)

        2015-12-17 04:55:26張姍姍黃勤珍
        關(guān)鍵詞:舵機(jī)液晶手臂

        龍 玲,張姍姍,黃勤珍

        基于K60的交通指揮機(jī)械手臂設(shè)計(jì)

        龍 玲,張姍姍,黃勤珍

        (西南民族大學(xué)電氣信息工程學(xué)院,四川 成都 610041)

        為了提高城市交通指揮工作效率和可靠性,提出一種基于K60單片機(jī)的交通指揮機(jī)械手臂設(shè)計(jì),該機(jī)械手臂通過舵機(jī)和各種支架構(gòu)成,具備兩關(guān)節(jié)且每個(gè)關(guān)節(jié)能360度自由運(yùn)動(dòng).采用K60單片機(jī)作為主控器,通過前端檢測到的實(shí)際路口交通情況,自動(dòng)擺出相應(yīng)的指揮手勢,協(xié)助交警指揮交通.該設(shè)計(jì)不僅可以高效率的完成指揮任務(wù),還對智慧城市的交通建設(shè)有著重要的意義.

        機(jī)械手臂;舵機(jī);交通指揮;K60

        1 引言

        自從1958年美國的聯(lián)合控制公司研制出了世界第一臺機(jī)器人以來,如今機(jī)器人技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于機(jī)械、電子、化工、汽車等領(lǐng)域[1].而機(jī)械手臂是機(jī)器人的一個(gè)重要分支.機(jī)械手臂可以代替人處理一些高危險(xiǎn)、高危害、高工作負(fù)荷的工作,大大加快了工作效率,拓寬工作范圍[2-3].此外,機(jī)械手臂作業(yè)的準(zhǔn)確性和各種環(huán)境中完成作業(yè)的能力,在各個(gè)領(lǐng)域擁有廣闊的發(fā)展前景[4-5].

        面對機(jī)械手臂強(qiáng)大的工作能力和廣泛的工作范圍,我們提出是否可以將機(jī)械手臂應(yīng)用于交通指揮呢?如今,交警執(zhí)法時(shí)存在受時(shí)間、地域的限制和天氣的影響以及警力不足等問題,雖然交通指揮手勢單調(diào)重復(fù),但是交通指揮的重要性時(shí)時(shí)刻刻讓交警保持警惕.于此,本文提出一種可以應(yīng)用于交通指揮的機(jī)械手臂.此機(jī)械手臂由舵機(jī)和支架搭建而成,具備三關(guān)節(jié)六自由度的特點(diǎn).通過對K60單片機(jī)[6]編程,手臂能模仿交警指揮動(dòng)作指揮交通,能有效發(fā)揮機(jī)械手臂的優(yōu)勢,減輕交警指揮的工作強(qiáng)度.

        2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

        本設(shè)計(jì)中包含兩個(gè)機(jī)械手臂,手臂主要組成部件為舵機(jī)、金屬舵盤、硬質(zhì)鋁合金長U型支架、硬質(zhì)鋁合金L型支架、硬質(zhì)鋁合金U型梁.其中手臂的固定平臺由三個(gè)U型梁拼接而成;四個(gè)U型支架通過螺絲搭接為手臂臂部;手臂的關(guān)節(jié)則由兩個(gè)舵機(jī)和兩個(gè)舵盤構(gòu)成,使手臂具有靈活的自由度,實(shí)現(xiàn)上下、左右兩個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)[7].單片機(jī)通過產(chǎn)生PWM波控制舵機(jī)的運(yùn)動(dòng),從而控制手臂各個(gè)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng),而各個(gè)關(guān)節(jié)之間的相互配合完成各種指揮手勢.

        圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理框圖Fig.1 System structure principle diagram

        系統(tǒng)硬件電路共分為單片機(jī)最小系統(tǒng)、電源模塊、PWM波輸出模塊和校準(zhǔn)模塊四部分.該設(shè)計(jì)采用了由飛思卡爾公司設(shè)計(jì)的MK60DN512ZVLQ10型單片機(jī)[8],它是一款基于Cortex-M4內(nèi)核的,具有低功耗特點(diǎn)的高性能32位單片機(jī)[9-10].系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理框圖如圖1所示,K60單片機(jī)根據(jù)接收到檢測模塊返回的路口情況的信號配置PWM波,實(shí)現(xiàn)對手臂的控制.由于手臂長期工作可能會影響手勢的正確性,校準(zhǔn)模塊的加入為日后的調(diào)試帶來便利.該模塊主要由液晶與按鍵組成,通過觀察液晶上實(shí)時(shí)顯示各個(gè)舵機(jī)的參數(shù),我們可以使用按鍵調(diào)節(jié)這些參數(shù)以達(dá)到我們的要求.

        2.1 PWM輸出模塊設(shè)計(jì)

        舵機(jī)是一種置伺服的驅(qū)動(dòng)器,它是機(jī)器人、機(jī)電系統(tǒng)和航模的重要執(zhí)行結(jié)構(gòu)[11].它可以接收一定的控制信號,然后輸出一定的角度,適用于需要角度不斷持續(xù)變化的控制系統(tǒng)[12].本設(shè)計(jì)中雙軸舵機(jī)雙軸舵機(jī)雙軸舵機(jī)負(fù)責(zé)手臂肘關(guān)節(jié)上下運(yùn)動(dòng)的部位采用雙軸舵機(jī),它是一款180度大扭力數(shù)碼舵機(jī),可帶動(dòng)15公斤的負(fù)載.因此在手臂肘關(guān)節(jié)支撐整個(gè)手臂長時(shí)間被舉起時(shí),不會產(chǎn)生抖舵、發(fā)熱現(xiàn)象,不會影響手臂的指揮動(dòng)作.而手臂中其他部位在手臂運(yùn)動(dòng)中受力比較小,我們則采用扭力小一點(diǎn)的負(fù)載為7公斤的MG996舵機(jī).

        舵機(jī)控制線輸入的PWM信號是一個(gè)周期性的方波脈沖信號,其周期是20ms,頻率是50Hz.輸入的方波脈沖寬度改變時(shí),舵機(jī)轉(zhuǎn)軸的角度相應(yīng)發(fā)生變化,對應(yīng)的角度變化與脈沖寬度的變化成正比,也就是利用占空比的變化改變舵機(jī)位置.在本設(shè)計(jì)中通過對K60單片機(jī)的GPIO口和FTM模塊底層驅(qū)動(dòng)配置,使八路PWM波從單片機(jī)的PTA0-PAT7口輸出,每路PWM波控制著一個(gè)舵機(jī).最后八路PWM波協(xié)同控制,使舵機(jī)轉(zhuǎn)軸偏轉(zhuǎn)不同的角度,實(shí)現(xiàn)手臂的指揮動(dòng)作.

        2.2 電源模塊設(shè)計(jì)

        本設(shè)計(jì)包含部件的工作電壓主要有兩種,所以電源模塊將根據(jù)不同的需要提供兩種電壓.其中,一部分是K60單片機(jī)最小系統(tǒng)的電源,另一部分是舵機(jī)的電源.首先,K60最小系統(tǒng)需要的電源電壓為3.3V,于是我們采用LM1117作為穩(wěn)壓芯片.該芯片是一個(gè)低壓降穩(wěn)壓器,輸出電流可達(dá)800mA,輸出電壓為3.3V.此外,輸出電壓除為最小系統(tǒng)供電外,還為液晶提供工作電壓.

        圖2 LM2596電路原理圖Fig.2 LM2596 circuit principle diagram

        其次,我們在本設(shè)計(jì)控制手臂中采用MG996舵機(jī)與雙軸舵機(jī),兩種舵機(jī)的輸入電壓都為4.8V-7.2V.為了讓手臂具有較大的扭力,且舵機(jī)在工作時(shí)安全穩(wěn)定,經(jīng)過試驗(yàn)比較舵機(jī)最適合采用7V的輸入電壓.于是我們選用LM2596為舵機(jī)提供工作電壓,它是壓降型電源管理單片機(jī)集成電路,能夠輸出3A的驅(qū)動(dòng)電流,同時(shí)具有很好的線性和負(fù)載調(diào)節(jié)特性[13].如圖2 LM2596電路原理圖所示,電源電壓從IN腳輸入后,從OUT腳輸出經(jīng)過濾波輸出電壓.輸出電壓受反饋電壓控制,通過調(diào)節(jié)反饋電阻,得到想要的輸出電壓.輸出電壓Vout=Vref(1+R1/R2),其中Verf=1.23V.電位器電阻R1=R2(Vout/Verf-1),為了確保輸出穩(wěn)定,R1選標(biāo)稱阻值1KΩ,精度1%的電阻.

        2.3 校準(zhǔn)模塊

        校準(zhǔn)模塊中主要包括按鍵與12864液晶.由于在本設(shè)計(jì)中共有八個(gè)舵機(jī),而舵機(jī)又需要八路PWM波來控制.更重要的是,手臂每擺出一個(gè)動(dòng)作,八個(gè)舵機(jī)都要調(diào)到相應(yīng)的角度,并且指揮手勢中有較多的動(dòng)作,所以在手臂執(zhí)行整個(gè)指揮手勢中,控制各個(gè)舵機(jī)的PWM波就有很多變化.為了讓PWM波能按時(shí)正確變化,手臂能完美的實(shí)現(xiàn)預(yù)期的指揮手勢,就需要液晶實(shí)時(shí)顯示各個(gè)舵機(jī)的參數(shù),然后我們使用按鍵調(diào)節(jié)這些參數(shù)以達(dá)到我們的要求.

        本設(shè)計(jì)我們采用的是由龍丘生產(chǎn)的高清晰度OLED.該款液晶尺寸小,只有0.96寸.但分辨率高,分辨率為128?64,顯示效果遠(yuǎn)超過LCD.單片機(jī)只用到CS(片選管腳)、DC(命令數(shù)據(jù)選擇管腳)、RES(復(fù)位管腳)、D0(時(shí)鐘腳)、D1(輸入數(shù)據(jù)腳)五只引腳.當(dāng)配置好液晶底層驅(qū)動(dòng)后,只需要單片機(jī)將PWM波的占空比讀出,通過D0口發(fā)送給液晶即可顯示.然后設(shè)置每個(gè)PWM波參數(shù)的顯示位置,液晶上就能同時(shí)顯示八路PWM波的占空比,我們就可以結(jié)合液晶上的參數(shù)和實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)試.

        3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

        系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要由主函數(shù)、初始化子函數(shù)、定時(shí)器中斷函數(shù)和檢查函數(shù)構(gòu)成,圖3為系統(tǒng)主控程序流程圖.

        如圖3所示,初始化子函數(shù)包括一個(gè)PIT定時(shí)初始化函數(shù),用于產(chǎn)生1ms的中斷;一個(gè)FTM初始化函數(shù),用于產(chǎn)生八路PWM波;一個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘初始化函數(shù),用于開啟系統(tǒng)時(shí)鐘,得到96MHz系統(tǒng)時(shí)鐘和48MHz總線時(shí)鐘;一個(gè)GPIO口初始化函數(shù),用于配置系統(tǒng)所需端口;一個(gè)液晶初始化函數(shù),用于驅(qū)動(dòng)12864液晶顯示.

        圖3 系統(tǒng)主控程序流程圖Fig.3 System main control program flow chart

        單片機(jī)通過串口將路口的各種交通情況讀入,然后將這些信息通過端口PTC0-PTC7進(jìn)行編碼.一種交通情況對應(yīng)著一種編碼,且一種編碼對應(yīng)著一套指揮手勢.在中斷程序中通過 if語句來檢測這些編碼[14-15].一旦檢測到與程序設(shè)定的相同編碼時(shí),就會執(zhí)行相應(yīng)的指揮手勢.

        4 結(jié)束語

        機(jī)械手臂是一種能夠進(jìn)行自動(dòng)化定位控制并且可以根據(jù)需要編寫程序的多功能機(jī)器裝置,它可以有多個(gè)自由度,可以在不同環(huán)境中工作,具有很好的移植性和適應(yīng)性.本文將機(jī)械手臂應(yīng)用于交通指揮,可以在不用改動(dòng)現(xiàn)有交通設(shè)備的基礎(chǔ)上,直接投入使用,減少因投入使用中附加的建設(shè)成本.其次,此機(jī)械手臂協(xié)助交警指揮交通,一定程度上避免執(zhí)法時(shí)存在受時(shí)間、地域的限制和天氣的影響以及警力不足等問題,降低交警工作強(qiáng)度,使得交通指揮更加人性化和全面化.因此,機(jī)械手臂加入交通指揮,讓交通指揮智能化、科技化,必將于智慧城市相結(jié)合.

        [1]趙杰,任思璟,崔崇信.基于ARM的危險(xiǎn)作業(yè)機(jī)器人機(jī)械臂控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].工業(yè)儀表與自動(dòng)化裝置,2012,3:111-112.

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        (責(zé)任編輯:張陽,付強(qiáng),李建忠,羅敏;英文編輯:周序林)

        A design of traffic command robotic arm based on K60

        LONG Ling,ZHANG Shan-shan,HUANG Qin-zhen

        (School of Electrical and Information Engineering,Southwest University for Nationalities,Chengdu 610041,P.R.C.)

        In order to improve the work efficiency and reliability of traffic command in cities,this paper presents a design of traffic command robotic arm based on K60,which is formed by the steering gear and bracket of various shapes,and has two joints each of which can be of360-degreemovement.Single chip microcomputer K60 is selected as themain controlmodule.By detecting actual traffic conditions at intersections,robotic arms automatically swing a corresponding command gesture to assist the police directing traffic.This design not only can efficiently complete the command tasks,but also have important significance to intelligent urban traffic construction.

        mechanical arm;steering engine;traffic command;K60

        TP241

        A

        2095-4271(2015)03-0379-04

        10.11920/xnmdzk.2015.03.022

        2015-01-21

        龍玲(1981-),女,苗族,貴州松桃人,實(shí)驗(yàn)師,碩士,研究方向:自動(dòng)化測試技術(shù)研究.E-mail:long_ling_ll@163.com.

        西南民族大學(xué)國家級大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目(201310656003).

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