基于Arduino單片機(jī)模擬搜救其系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

姚昕

設(shè)計(jì)一款基于Arduino單片機(jī)的機(jī)械臂，通過Arduino單片機(jī)實(shí)現(xiàn)對機(jī)械臂舵機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)控制，使其完成不同位置的抓取動(dòng)作。本文首先從實(shí)際角度分析機(jī)械臂技術(shù)在直升機(jī)搜救中的應(yīng)用，隨后基于實(shí)際情況探究模擬機(jī)械臂的控制方案，之后介紹了基于Arduino單片機(jī)六自由度機(jī)械臂的硬件結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)。在實(shí)際應(yīng)用情況下，則是將其吊裝在直升機(jī)模型下，用于參加全國航空航天模型錦標(biāo)賽中的模擬直升機(jī)空中搜救。

【關(guān)鍵詞】Arduino 六自由度機(jī)械臂 舵機(jī) 系統(tǒng)軟件

面對近年來災(zāi)后癱瘓的交通運(yùn)輸條件，直升機(jī)空中搜救成為了更有效的措施。尤其是在近年國內(nèi)的地震救災(zāi)中，因地震導(dǎo)致地面路況嚴(yán)重?fù)p壞，在搶救的黃金時(shí)間段內(nèi)只有通過空中投降救援才能爭取到更多的時(shí)間，從而挽救更多災(zāi)區(qū)人民的寶貴生命。這也自然對空中救援技術(shù)提出了更高的要求。在多數(shù)復(fù)雜環(huán)境的情況下，由于視野受限，空中救援技術(shù)對目標(biāo)物的識(shí)別和抓取精度提出了很高的要求。在此項(xiàng)目中，我們利用各色小球來充當(dāng)不同目標(biāo)物，通過圖傳和程序控制實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)物的精確抓取，通過顏色識(shí)別模塊進(jìn)行目標(biāo)物抓取的二次確認(rèn)。這需要對機(jī)械臂上多個(gè)舵機(jī)同時(shí)協(xié)調(diào)控制的系統(tǒng)中，Arduino單片機(jī)可以很好的實(shí)現(xiàn)對多個(gè)串聯(lián)舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)角度的精確控制，方法簡單，為機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)控制提供了新方式。

1 機(jī)械臂的設(shè)計(jì)與控制方案

1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)-串聯(lián)多關(guān)節(jié)機(jī)械臂

目前，主流的機(jī)器人機(jī)構(gòu)主要分為執(zhí)行機(jī)構(gòu)和走行機(jī)構(gòu)，其中執(zhí)行機(jī)構(gòu)也就是操作機(jī)，按其裝配型式可以將其分為串聯(lián)結(jié)構(gòu)和并聯(lián)結(jié)構(gòu)。針對此項(xiàng)目的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，考慮到真實(shí)搜救時(shí)空間可能受限這點(diǎn)，采用的是關(guān)節(jié)型機(jī)器人，關(guān)節(jié)型機(jī)器人是模擬人的上臂結(jié)構(gòu)而構(gòu)成的，由于人的手臂在一定的空間內(nèi)有很大的靈活度，同時(shí)結(jié)構(gòu)緊湊，占用空間體積也較小，符合空間上要求，因此關(guān)節(jié)型機(jī)器人為最佳選擇。在圖1中，為保證機(jī)械臂有6個(gè)空間的自由度，其受控關(guān)節(jié)數(shù)目最少為6，且均為轉(zhuǎn)動(dòng)型關(guān)節(jié)，其中1、4、6為扭轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，2、3、5為彎曲關(guān)節(jié)。除此以外，多關(guān)節(jié)機(jī)械臂還具有以下優(yōu)點(diǎn)，其運(yùn)動(dòng)慣量較小，在機(jī)械臂動(dòng)作時(shí)對吊裝它的飛行器飛行姿態(tài)影響較小，飛行器可以保持穩(wěn)定姿態(tài)。同時(shí)，多關(guān)節(jié)機(jī)械臂還可以實(shí)現(xiàn)越過目標(biāo)物與機(jī)械臂之間的障礙物實(shí)現(xiàn)目標(biāo)物的抓取。

1.2 控制方案

為確定機(jī)械臂的控制方案，首先需要確定機(jī)械臂的建模。由于為模擬救援機(jī)械臂，因此機(jī)械臂的長度較小，關(guān)節(jié)處的誤差對結(jié)構(gòu)末端的運(yùn)動(dòng)影響較小，關(guān)節(jié)連接處可近似認(rèn)為是剛性關(guān)節(jié)，忽略機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)時(shí)由于震動(dòng)對關(guān)節(jié)處帶來的影響。由于忽略其結(jié)構(gòu)和關(guān)節(jié)點(diǎn)的形變，可利用D-H表示法，應(yīng)用質(zhì)心動(dòng)量矩定理可以寫出機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程，即把每個(gè)關(guān)節(jié)當(dāng)作一個(gè)剛體處理，為每個(gè)關(guān)節(jié)建立一個(gè)參考坐標(biāo)系，根據(jù)基本變換推導(dǎo)得到下一個(gè)關(guān)節(jié)的姿態(tài)位置，以此往下推導(dǎo)，最后可確定最后一節(jié)手臂的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)、位置。之后可利用ADAMS模擬機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)，確定該機(jī)械臂在指定工作條件下的運(yùn)動(dòng)軌跡。

機(jī)械臂的控制部分采用的是Arduino對串聯(lián)機(jī)械臂的6個(gè)舵機(jī)進(jìn)行協(xié)調(diào)控制。本控制系統(tǒng)的直接控制對象是驅(qū)動(dòng)機(jī)械臂的舵機(jī)，控制舵機(jī)的信號(hào)是一種占空比可調(diào)的PWM波。目前可靠的PWM波生成有三種方案，第一種為采用模擬電路實(shí)現(xiàn)，該電路原理簡單，但PWM波形脈寬難調(diào)，且波形不準(zhǔn)，不適用于抓取目標(biāo)物。第二種為FPGA，該電路具有強(qiáng)大的編程能力和運(yùn)算能力并且能夠完成數(shù)據(jù)的并行處理，能夠產(chǎn)生高精度的PWM波，但電路復(fù)雜，編程困難，研發(fā)成本較高。第三種即為單片機(jī)控制方案，由單片機(jī)控制的電路精度較高，體積較小且編程靈活，簡潔，符合此次設(shè)計(jì)的要求。如圖2所示。

2 硬件結(jié)構(gòu)

2.1 Arduino Leonard單片機(jī)

ArduinoLeonard單片機(jī)的處理器核心為ATmega32u4，同時(shí)20路數(shù)字輸入/輸出口，其中7路作為PWM輸出，12路模擬輸入。

其工作電壓為5V，每一路輸出和輸入的最大電流為40mA且每一路內(nèi)部配置了20～50K的上拉電阻。此次電路中脈寬PWM輸出提供6路8位的PWM調(diào)制波形。Mega32u4內(nèi)置UART可以通過數(shù)字0（Rx）和1（Tx）實(shí)現(xiàn)與外部的數(shù)據(jù)通信。如圖3所示。

2.2 舵機(jī)

舵機(jī)為一種伺服控制系統(tǒng)，可以通過程序控制其連續(xù)轉(zhuǎn)過一定角度，因此適用于需要實(shí)現(xiàn)角度旋轉(zhuǎn)的各類關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)中。由于舵機(jī)具有體積小，力矩大，外部機(jī)械設(shè)計(jì)簡單且控制精度高，因此適用于機(jī)械臂的扭轉(zhuǎn)和彎曲關(guān)節(jié)控制系統(tǒng)中。

舵機(jī)通過信號(hào)線接受PWM脈寬信號(hào)控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，電機(jī)帶動(dòng)變速齒輪組轉(zhuǎn)動(dòng)，經(jīng)過齒輪組減速后傳動(dòng)至舵盤，舵盤轉(zhuǎn)至相應(yīng)的角度，由此帶動(dòng)機(jī)械臂的扭轉(zhuǎn)或彎曲，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)物的抓取，如圖4所示。

2.3 TCS230顏色傳感器

TCS230 是 TAOS公司推出的一款可編程彩色光到頻率的轉(zhuǎn)換器。它把可配置的硅光電二極管與電流頻率轉(zhuǎn)換器集成在一個(gè)單一的CMOS電路上，同時(shí)在單一芯片上還集成了紅綠藍(lán)（RGB）三種濾光器。該傳感器具有分辨率高，可編程的顏色選擇與輸出定標(biāo)，單電源供電等特點(diǎn)，輸出為數(shù)字量，可直接與MCU連接，如圖5所示。

機(jī)械臂開始抓取目標(biāo)時(shí)，要先對TCS230進(jìn)行白平衡的調(diào)整。在完成白平衡后， TCS230根據(jù)所接收到的波長不同來識(shí)別判斷顏色，判斷目標(biāo)物的抓取是否為真。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)控制

首先在開發(fā)環(huán)境中，調(diào)用一個(gè)代碼庫，之后創(chuàng)建和定義一個(gè)舵機(jī)項(xiàng)目用以操控舵機(jī)。開始確定電位計(jì)位置，將電位計(jì)的位置通過模擬輸入接口引入單片機(jī)，讀取其電壓值確定初始舵機(jī)轉(zhuǎn)角。之后將一顆舵機(jī)連接至1號(hào)PWM輸出口。之后從控制器讀取運(yùn)動(dòng)指令并轉(zhuǎn)化為電壓值，通過map函數(shù)將電壓值轉(zhuǎn)化為所需要旋轉(zhuǎn)的角度，將信息通過PWM輸出口輸出給舵機(jī)控制其轉(zhuǎn)動(dòng)，之后延時(shí)20s，等待舵機(jī)旋轉(zhuǎn)至指定位置。

3.2 機(jī)械抓的運(yùn)動(dòng)控制

在開發(fā)環(huán)境中，調(diào)用舵機(jī)庫。之后創(chuàng)建控制對象，定義機(jī)械抓上控制抓取的舵機(jī)并輸入初始角度，將9號(hào)PWM輸出口分配給機(jī)械爪上的舵機(jī)。之后輸出信號(hào)控制舵機(jī)從10°逐漸張開至120°，每次增加5°，之后延遲15s等舵機(jī)運(yùn)動(dòng)到指定位置，之后從引腳輸出信號(hào)，控制舵機(jī)從120°回復(fù)到初始位置10°，每次減小5°。機(jī)械爪完成抓取動(dòng)作。

3.3 機(jī)械臂控制精度和抓取精度實(shí)現(xiàn)

機(jī)械臂的精度控制通過固定在機(jī)械臂上的電位計(jì)實(shí)現(xiàn)，當(dāng)舵機(jī)接受到單片機(jī)指令動(dòng)作后，轉(zhuǎn)過一定行程，電位計(jì)檢測轉(zhuǎn)過的角度并將其轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)回傳給單片機(jī)檢測并作出相應(yīng)的調(diào)整。同時(shí)，為確保其運(yùn)動(dòng)精度，該機(jī)械臂的動(dòng)作速度較慢，預(yù)留其動(dòng)作時(shí)間在10～20S，確保其運(yùn)動(dòng)慣性較小，可以實(shí)現(xiàn)舵機(jī)的平穩(wěn)控制。經(jīng)試驗(yàn)測試，當(dāng)機(jī)械臂未加裝反饋電位計(jì)時(shí)，當(dāng)抓取重量較大的重物時(shí)，停止動(dòng)作后會(huì)產(chǎn)生明顯的沉頭和抖動(dòng)現(xiàn)象，加裝電位計(jì)后，現(xiàn)象取得明顯改善。另外，為確保機(jī)械手抓取正確目標(biāo)物，在機(jī)械手處加裝了顏色識(shí)別模塊，當(dāng)抓取物體后，通過串口來選擇顏色種類的通道，再由于不同顏色對應(yīng)不同的時(shí)間，從而確定不同的顏色來進(jìn)行顏色判斷，若顏色不正確，會(huì)自動(dòng)打開控制機(jī)械手的舵機(jī)。

4 總結(jié)

經(jīng)過參數(shù)的模擬和平臺(tái)的搭建，以及硬件上的結(jié)構(gòu)分析和軟件上的編程，我們最終確定基于Arduino單片機(jī)的6自由度串聯(lián)式機(jī)械臂的可行性，以及其控制的可靠性和精度。通過在實(shí)際的實(shí)驗(yàn)中，確保了由Arduino單片機(jī)控制的機(jī)械臂在實(shí)際應(yīng)用中的可實(shí)施性。

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作者單位

中國民航大學(xué) 天津市 300300