毛潤，張珈龍

（成都大學 電子信息與電氣工程學院，四川成都，610106）

0 引言

隨著社會信息化技術的發(fā)展，工業(yè)、農業(yè)、科研、國防等各個領域越來越需要高性能的自動化系統(tǒng)。機械臂能模仿手臂的某些動作功能，用以按固定程序抓取、搬運物件或操作工具的自動操作裝置[1～3]。它可代替人的繁重勞動以實現生產的機械化和自動化，能在有害環(huán)境下操作以保護人身安全，因而廣泛應用于機械制造、冶金、電子、輕工和原子能等部門，智能機械臂是具有感知、思維和行動的機器人，可獲取、處理和識別多種信息，自主完成較為復雜的操作任務[4～5]。

在后疫情時代，很多應用場景需要員工減少人與人之間的互動，例如機場、地鐵等人流量特別大的地方，這些場所又需要員工與客人進行近距離接觸，還需要員工幫助客人進行行李的搬運，這無疑會使疫情的風險更大，并且搬運行李也是有一定勞動強度，將機械臂運用于這些場所，可以一定程度上減少人與人之間的交互和節(jié)省勞動力[6～8]。

1 基本組成

本設計采用雙控制器方案，控制器2 為QT 控制器（ARM處理器），其運行服務器代碼實現用戶賬號登錄注冊、機械臂控制信號接收以及打包發(fā)送功能。機械臂的硬件構造主要分為核心驅動模塊和舵機模塊兩個部分，機械臂核心驅動模塊主要由控制器1（STM32F103C8T6 單片機）來控制，控制器1 為一個機械臂控制器，舵機模塊包含六個自由度，每個舵機通過相應的PWM 的占空比脈沖信號加以控制[9]。兩控制器合作完成賬號登錄注冊以及機械臂手動和自動搬運系統(tǒng)的設計。

2 硬件設計

QT 上位機控制界面的設計，包括賬號注冊登錄、機械臂控制界面；QT 控制器運行多線程服務器代碼，使用三個線程分別負責各個功能；機械臂控制器對機械臂控制信息進行解析處理，通過控制信息對PWM 占空比進行控制從而實現舵機轉動，最終實現機械臂的手動和自動搬運系統(tǒng)的設計。

圖1 是一個基于雙控制器的民航機場行李自動搬運系統(tǒng)設計的硬件框架圖。這里的控制器1 為STM32F103C8T6 單片機，其是作為一個機械臂控制器，而控制器2 為FS4412開發(fā)板的核心模塊，其為一個QT 控制器。程序沒有開始前，QT 控制器的源代碼都是存放在SD 卡中，機械臂控制器的源代碼存放在Flash 中，上電后，程序啟動，QT 控制器運行服務器代碼，用戶登錄客戶端進入到賬號登錄界面，然后輸入賬號信息后會通過網口傳輸發(fā)送到QT 控制器，賬號與QT控制器上的數據庫進行對比，比對成功后再通過網口傳輸回客戶端進行登錄，登錄成功后進入到機械臂操作，客戶端發(fā)出機械臂控制信息后，控制信息會通過網口傳遞給QT控制器，然后封裝成協議包通過串口傳遞給機械臂控制器進行解析，解析出機械臂控制信息后，進行舵機控制。

圖1 硬件架構圖

本設計使用六軸機械臂，硬件連接實物圖如圖2 所示。六軸機械臂主要包含六個自由度，分別由六個舵機分別來進行控制，每一個舵機關節(jié)都可以轉動180°，而舵機一般是由舵盤、減速齒輪組、位置反饋電位計、直流電機、控制電路幾部分組成。機械臂的六個舵機分別連接STM32 上的M4（TIM3_CH4）、M5（TIM3_CH3）、M6（TIM3_CH2）、M7（TIM3_CH1）、M8（TIM4_CH4）、M9（TIM4_CH3）時鐘引腳，舵機通過輸入線接收控制系統(tǒng)發(fā)出的PWM 波從而控制電機轉動，電機帶動一系列減速齒輪組，減速后傳動至輸出舵盤，舵機的輸出軸帶動位置反饋電位器，電位器將相應角度的輸出電壓信號與到控制電路板的PWM控制信號進行比較，然后控制電路板根據所在位置決定電機轉動的方向和角度。其工作原理就是將脈沖信號轉換為角位移，閉環(huán)控制電機轉動。步進電機由單片機控制，控制信號為數字信號，不用經過A/D 數模轉換，具有快速啟/停功能，迅速地實現啟動或停止，且步距角越小、延時越短，定位越準確，旋轉精度越高。其工作流程為：控制信號→控制電路板→電機轉動→齒輪組減速→舵盤轉動→位置反饋電位計→控制電路板反饋[10]。

圖2 硬件實物圖

3 軟件設計

軟件設計的主進程如圖3 所示，首先通過QT 設計一個用戶登錄的界面，用戶進入到賬號登錄界面，然后輸入賬號與密碼，成功登錄后會進入到用戶操作界面，程序同時通過線程執(zhí)行，互不干擾，它們的控制界面都顯示在QT 界面上，用戶可以通過其來進行機械臂手動和自動控制。

圖3 主程序設計

■3.1 手動控制程序設計

用戶在客戶端的操作界面按下手動控制按鈕后，控制六根滑桿即可控制6 個舵機的轉動，最終實現手動控制，手動控制的程序框圖如圖4 所示。首先進行時鐘初始化、機械臂初始化、串口初始化。初始化完成后，從用戶界面選擇控制方式，客戶端將進行手動控制的信號發(fā)送給QT 控制器的服務器，QT 控制器再通過串口將控制信號發(fā)送給機械臂控制器，機械臂控制器接收到該手動控制信號，進入手動控制模式。用戶控制指定舵機旋轉。舵機的控制信息從用戶界面?zhèn)鬏斀oQT 控制器，并被打包成協議包通過串口發(fā)送給機械臂控制器，此時機械臂控制器會檢測到有數據在串口通道中，產生串口中斷，機械臂控制器接收該控制協議包。機械臂控制器接收到數據協議包后進行數據驗證，通過協議頭和協議尾來判斷是否為需要的控制信息，如果不正確，重新進行接收。當確認為需要的控制信息后，按照信息中所提供的舵機號和旋轉角度，進行改變相應舵機的占空比，實現指定舵機的旋轉。最后通過串口中斷接收用戶的控制信息，實現各個舵機的旋轉，最終實現機械臂的手動控制。

圖4 手動控制流程圖

■3.2 自動控制程序設計

用戶按下自動控制按鈕后，進入到機械臂自動控制模式，機械臂會自動完成貨物搬運的操作，自動控制的程序框圖如圖5 所示。首先進行時鐘、舵機、串口的初始化，初始化完成后進行控制方式的選擇。進入自動模式后，調用運動軌跡點位，QT 控制器將點位信息逐一放入串口通道中。機械臂控制器檢測到串口中有數據信息，將該數據信息取出進行解析和校驗，確定為正確信息后，通過改變對應舵機進行旋轉。當運動軌跡點位都傳輸完成后，完成自動控制。

圖5 自動控制流程圖

QT 控制器的程序中有著一套完整的運動軌跡代碼（即從固定點位將物體搬運到另一個固定點位的集合），每一次通過串口傳輸一個點位信息給機械臂控制器，機械臂控制器通過串口接收到該信息后，進行解析驗證，數據正確后改變舵機的占空比從而實現一個點位的運行，隨后將第二個點位信息放入到串口通道中，讓機械臂控制器進行讀取和解析，按照控制信息再次控制對應舵機運行，如此重復，直到機械臂完成所有設置好的運動軌跡點位，機械臂就完成了一個自動搬運的過程。

4 功能測試

由于QT 控制器沒有屏幕，所以使用PC 機的超級終端來模擬QT 控制器的操作界面，作為其“顯示器”方便用戶進行調試和使用。進入到LINUX 操作界面后直接運行服務器代碼，即可啟動服務器，服務器程序運行后，打開客戶端程序，在終端界面上出現了客戶端的IP 和端口號意味著服務器和客戶端連接成功，如圖6 所示。

圖6 連接界面

■4.1 手動控制測試

進入到操作界面后，會出現六根滑桿，通過滑動滑桿完成對六個舵機的旋轉控制。用戶需要通過六根滑桿逐一對0到5 號舵機進行控制，每一次選擇滑動一根滑桿就可控制一個關節(jié)進行旋轉，逐漸控制6 個關節(jié)去合作實現搬運物品的運動軌跡，最終就實現了手動搬運。在這之前首先要按下操作界面上的自動/手動轉換按鈕，當按鈕顯示為手動時，即可以進行手動測試。

如圖7(a)所示，機械臂進行初始化后所有舵機都是旋轉0°，此時滑動客戶端界面的6根滑桿進行相應舵機的操作。首先讓0 號舵機旋轉至對向瓶子，并控制1 號舵機使機械臂彎向瓶子，再控制2 號和3 號舵機將機械臂前端夾子移動至瓶子上方和讓5 號舵機將夾子張開，然后控制1 號舵機使前端夾子下降至能夾起瓶子處，此時機械臂已完成夾起前的工作，隨后控制5 號舵機使夾子夾緊，成功夾住瓶子，此圖表示瓶子已經成功被夾住。

圖7 手動控制結果

如圖7(b)所示，夾起瓶子后，控制1 號舵機使機械臂將瓶子抬起脫離桌面，然后控制0 號舵機將瓶子移動至目標位置上方，此圖表示瓶子已被移動至目標位置上方。

如圖7(c)所示，此時機械臂已經將瓶子移動到了目標位置上方，用戶控制1 號舵機將瓶子放置桌面上，此時機械臂仍夾著瓶子，然后控制5 號舵機使夾子松開瓶子，再控制1 號舵機使機械臂脫離瓶子，此圖表示機械臂已經完成了瓶子搬運，并且使夾子脫離了瓶子口。

■4.2 自動控制測試

自動抓取是在手動抓取的基礎上，事先將實現自動搬運的運動軌跡點位代碼寫入程序中。在用戶控制界面按下自動/手動切換按鈕后，切換到自動抓取模式，自動抓取信號就會發(fā)送給QT 控制器，它再將信息發(fā)送給機械臂控制器，然后機械臂控制器控制機械臂執(zhí)行事先寫進程序的運動軌跡點位程序，從而實現機械臂自動抓取。

再進行使用機械臂調試器工具進行調試時，需要調試一號舵機，就需要給ID 為1 的選擇框打鉤，然后在后面的數據一欄填寫想要舵機旋轉的度數，通過發(fā)送給機械臂控制器，機械臂的1 號舵機就會旋轉相應的度數。

通過對各個舵機點位調試后，成功確認了點位，并將點位寫進程序進行調試。

①初始位置：0 號到5 號舵機都是旋轉0°。

②就位：將機械臂旋轉到準備抓取物品的位置，需要將1 號舵機旋轉35°，2 號舵機旋轉-34°，3 號舵機旋轉39°，4 號舵機旋轉60°，5 號舵機旋轉-30°。

③抓?。簷C械臂進行抓取物品，需要將1 號舵機旋轉43°，5 號舵機旋轉28°。

④抬起：將物品抓起離開桌面，只需將2 號舵機旋轉至25°。

⑤偏轉：抬起物品后，旋轉至目標位置，使0 號舵機旋轉40°，1 號舵機旋轉15°。

⑥放下：將物品放下，使1 號舵機旋轉30°，5 號舵機旋轉-30°。

將這些點位按順序寫入到源程序當中，并且在每個動作之間加入了延遲函數，這樣串口接收數據時才能完整接收。自動模式下可以抓取放置在固定位置的物體，并且將其放到固定位置去，實現物品的自動搬運。因為指令傳輸過快會導致數據丟失，所以各個關節(jié)指令間加入一秒的延遲，所以自動模式下機械臂動作稍微有些卡頓，成功實現機械臂自動控制。

5 結論

基于雙控制器的六軸機械臂的設計，最終實現了機械臂手動抓取、自動抓取貨物等功能，文章具體研究內容如下：

（1）用戶能夠進行登錄注冊賬號的功能。用戶在客戶端輸入賬號和密碼然后通過網絡傳輸給服務器中，服務器調用數據庫信息進行賬號密碼對比，對比正確則成功登錄。

（2）用戶可以通過六個滑桿來手動控制機械臂進行手動抓取物品的功能。每一個滑桿代表著六軸機械臂的0 到5號舵機，通過滑動滑桿即可控制機械臂相應舵機旋轉的角度。

（3）機械臂能夠自動抓取物品放到目標位置的功能，實現了自動抓取。