民航電子設(shè)備維修機(jī)務(wù)助手機(jī)械臂的研制

鄒志宏

【摘 要】由于機(jī)械臂的技術(shù)不斷的發(fā)展，機(jī)械臂在各行各業(yè)的應(yīng)用越來越多?，F(xiàn)代民航電子維修中機(jī)務(wù)人員常常因?yàn)槿煲粋€(gè)零件而花費(fèi)大量時(shí)間和精力，甚至?xí)鸬粽麄€(gè)維修部分，此外還有飛機(jī)電子線路中線頭的抽取也會(huì)降低工作效率。通過對(duì)這些問題的調(diào)研。我們團(tuán)隊(duì)利用多自由度控制算法和靈活操縱控制算法實(shí)現(xiàn)一種具有高度靈活性、控制精度高、快速上手等特點(diǎn)的民航電子維修機(jī)械臂。該機(jī)械臂可以用于維護(hù)飛機(jī)過程中機(jī)務(wù)人員夾取零件和機(jī)務(wù)電子工程師抽取線頭等，以達(dá)到便捷維修的目的，從而提高維修效率。該款機(jī)械臂以STM32單片機(jī)作為主控制器，通過控制主控制器輸出的PWM波的占空比實(shí)現(xiàn)對(duì)舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的控制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)各個(gè)關(guān)節(jié)的位置控制，實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂在空間內(nèi)的運(yùn)動(dòng)，并結(jié)合三個(gè)可自由安裝的臂端裝置，實(shí)現(xiàn)夾取物體，吸附金屬零部件，抽取殘余油液的功能。并且整體采用了開環(huán)設(shè)計(jì)，便于機(jī)務(wù)人員的操作。由于此機(jī)械手臂的功能多樣性，使得機(jī)務(wù)人員在進(jìn)行普通工作時(shí)更加靈活方便，高危作業(yè)時(shí)操作更加精準(zhǔn)安全，比起普通機(jī)械手臂有更加廣泛的應(yīng)用空間。

【關(guān)鍵詞】STM32單片機(jī)；MG946R舵機(jī)；臂端裝置

一、機(jī)械臂總體方案設(shè)計(jì)

（一）機(jī)械臂整體結(jié)構(gòu)

通過計(jì)算機(jī)編寫程序下載到STM32單片機(jī)內(nèi)部，然后由轉(zhuǎn)動(dòng)旋鈕輸出的大小不同的電壓信號(hào)傳輸至STM32單片機(jī)，STM32將收接收的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為指令信號(hào)。STM32微處理器內(nèi)部的PWM單元根據(jù)指令信號(hào)產(chǎn)生PWM信號(hào)，驅(qū)動(dòng)舵機(jī)旋轉(zhuǎn)。從而達(dá)到舵機(jī)精確定位，使機(jī)械臂的各個(gè)關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)過指定的角度，并且控制臂端裝置來實(shí)現(xiàn)夾取，吸附，抽取等動(dòng)作。

（二）機(jī)械臂功能簡介

通過旋鈕的轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生不同的電壓信號(hào)，輸入到STM32機(jī)內(nèi)單片機(jī)內(nèi)，產(chǎn)生PWM波控制舵機(jī)的舵面轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)臂端裝置在空間內(nèi)的移動(dòng)。同時(shí)控制臂端裝置實(shí)現(xiàn)以下三個(gè)功能。

1.夾取功能：利用MR946舵機(jī)作為驅(qū)動(dòng)裝置，實(shí)現(xiàn)了夾取，搬運(yùn)物體的功能

2.吸附功能：采用電磁鐵作為主要部件，能夠吸附小型金屬零部件。如螺絲釘，螺帽等。

3.抽取功能：使用舵機(jī)給活塞提供動(dòng)力，結(jié)合復(fù)位彈簧構(gòu)成了抽取臂端裝置。能實(shí)現(xiàn)對(duì)殘余油液的直接抽取功能。避免了機(jī)務(wù)人員直接觸碰油液對(duì)人體造成傷害。

二、硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

（一）主控制模塊設(shè)計(jì)

主控制器是機(jī)械臂的控制核心，對(duì)整個(gè)機(jī)械臂的控制效果都起著最為關(guān)鍵的作用。所以選擇合適的單片機(jī)作為主控制器是最為重要的。目前，應(yīng)用于機(jī)械臂的微控制器有很多種，其中STM32單片機(jī)和51單片機(jī)是使用比較廣泛的兩種微控制器。51單片機(jī)結(jié)構(gòu)簡單，成本低，比較經(jīng)濟(jì)實(shí)惠。而且也不需要太多外設(shè)電路模塊。STM32單片機(jī)比51單片機(jī)結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，價(jià)格更貴，另外編程也比51單片機(jī)更加繁瑣。但是其優(yōu)點(diǎn)在于STM32單片機(jī)有著更加多的內(nèi)置模塊和資源。

根據(jù)機(jī)械臂的結(jié)構(gòu)和其需要實(shí)現(xiàn)的的功能，經(jīng)過多次比較后，最后選擇STM32單片機(jī)作為主控制器

STM32單片機(jī)的主要特性如下：

內(nèi)核為ARM32位的Cortex-M3 CPU512KB的閃存程序存儲(chǔ)器；64KB的SRAM；帶4個(gè)片選的靜態(tài)存儲(chǔ)器控制器。支持CF卡、SRAM、PSRAM、NOR和NAND存儲(chǔ)器。

（二）驅(qū)動(dòng)模塊設(shè)計(jì)

驅(qū)動(dòng)模塊的設(shè)計(jì)需結(jié)合機(jī)械臂的整體結(jié)構(gòu)來考慮。首先驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的質(zhì)量不應(yīng)太重，效率也應(yīng)較高并且驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的響應(yīng)速度快，使機(jī)械臂在空間內(nèi)運(yùn)動(dòng)時(shí)動(dòng)作靈活，位移偏差以及速度偏差均較小；此外作為機(jī)械臂作為輔助機(jī)務(wù)人員工作的工具，必須要求機(jī)械臂的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)安全可靠；在工作時(shí)操作和維護(hù)方便；而且機(jī)械臂必須經(jīng)濟(jì)實(shí)惠，體積盡量要小。

基于上述驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的特點(diǎn)和該機(jī)械臂驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，該設(shè)計(jì)選用MR946舵機(jī)和步進(jìn)電機(jī)結(jié)合使用，來負(fù)責(zé)機(jī)械臂各個(gè)關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)。

三、軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

軟件系統(tǒng)采用開環(huán)設(shè)計(jì)，當(dāng)人轉(zhuǎn)動(dòng)旋鈕時(shí)產(chǎn)生的電壓變化輸入進(jìn)STM32單片機(jī)，STM32單片機(jī)根據(jù)已編寫好的程序?qū)㈦妷旱淖兓D(zhuǎn)變?yōu)镻WM波輸出到舵機(jī)，由此控制舵機(jī)的舵面偏轉(zhuǎn)，從而使機(jī)械臂實(shí)現(xiàn)夾取，搬運(yùn)等功能。系統(tǒng)整體框圖如下：

本裝置通過STM32單片機(jī)的IO口感受由外部控制旋鈕輸入的電壓變化，將其由模擬信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)，通過已經(jīng)編寫好的主函數(shù)程序，控制其他IO口輸出PWM波，使舵機(jī)偏轉(zhuǎn)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)的控制。

四、系統(tǒng)測(cè)試

機(jī)械臂的系統(tǒng)測(cè)試是開發(fā)過程中的重要環(huán)節(jié)，系統(tǒng)整機(jī)調(diào)試對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行過程中控制效果的好或是壞有著至關(guān)重要的作用，所以，必須進(jìn)行系統(tǒng)軟件、硬件的調(diào)試。也就是說一個(gè)良好的機(jī)械臂控制系統(tǒng)必須經(jīng)過系統(tǒng)調(diào)試才能達(dá)到控制系統(tǒng)預(yù)期的目的、。因?yàn)闄C(jī)械臂工作在高風(fēng)險(xiǎn)的環(huán)境下，所以它必須是可靠的，對(duì)于這樣的硬件，其穩(wěn)定性要求必須很高。一般的情況下首先進(jìn)行硬件的調(diào)試，只有在確定了硬件電路正常的前提下，進(jìn)行軟件的調(diào)試才是有意義的。所以，硬件、軟件的調(diào)試在整個(gè)系統(tǒng)的調(diào)試過程中都是非常重要的

五、總結(jié)

隨著機(jī)械臂技術(shù)的不斷成熟，，其在各種領(lǐng)域的應(yīng)用愈加廣泛。民航機(jī)務(wù)助手機(jī)械臂的設(shè)計(jì)目的在于探索機(jī)械臂在民航領(lǐng)域的應(yīng)用。本設(shè)計(jì)以STM32的單片機(jī)作為控制核心，將舵機(jī)和步進(jìn)電機(jī)結(jié)合，作為本系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)裝置。在整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，硬件的設(shè)計(jì)是本論文研究的重點(diǎn)，芯片的選型是系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)的保證，并且輔以可靠性分析為指導(dǎo)，保證了系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性和穩(wěn)定性。通過編寫控制程序，使主控制器輸出PWM 波實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)關(guān)節(jié)位置的控制。其亮點(diǎn)在于設(shè)計(jì)的三套可拆卸的臂端裝置。實(shí)現(xiàn)了機(jī)械臂的夾取搬運(yùn)物體，吸附浸塑零部件，抽取殘余油液的功能。實(shí)現(xiàn)了機(jī)械臂功能的多樣化。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文設(shè)計(jì)民航機(jī)務(wù)助手機(jī)械臂在在機(jī)務(wù)領(lǐng)域有較高的使用價(jià)值，在操作靈活度、控制精度、易操作性等方面都表現(xiàn)出良好的性能。

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