基于智能感應(yīng)的多自由度機械臂系統(tǒng)的設(shè)計探討*

張 錦，靳 煒，殷玉楓

(1.山西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山西 太原 030031； 2.太原科技大學(xué) 機械工程學(xué)院，山西 太原 030024)

0 引言

智能感應(yīng)的多自由度機械臂可以在高溫高壓以及存在危險放射物的工作環(huán)境下作業(yè)，利用智能感應(yīng)的多自由度機械臂不僅可以改善軍事工業(yè)的危險作業(yè)條件，也能夠在工業(yè)制造生產(chǎn)中確保工作人員的人身安全，同時還可以為工業(yè)生產(chǎn)節(jié)約生產(chǎn)成本，提高生產(chǎn)效率。智能化機械臂系統(tǒng)的實現(xiàn)需要改變當(dāng)前機械臂操作復(fù)雜和應(yīng)變能力差等特點，為此應(yīng)用智能控制和傳感系統(tǒng)來實現(xiàn)智能感應(yīng)的多自由度機械臂系統(tǒng)，從而確保相應(yīng)的工作人員能夠?qū)崿F(xiàn)超遠(yuǎn)距離的信息傳輸和對智能機械臂生產(chǎn)作業(yè)的精準(zhǔn)控制。本文對智能感應(yīng)的多自由度機械臂系統(tǒng)的設(shè)計和實現(xiàn)進行研究分析，并重點探討其中的4個主要組成部分，即核心控制子系統(tǒng)、傳感子系統(tǒng)、開發(fā)控制子系統(tǒng)和智能信息控制子系統(tǒng)的具體實現(xiàn)方案。

1 智能機械臂系統(tǒng)設(shè)計思路

智能感應(yīng)多自由度機械臂系統(tǒng)的主要核心設(shè)計思路為操作簡便和智能控制。因此，可以將智能感應(yīng)多自由度機械臂的控制系統(tǒng)分為核心控制子系統(tǒng)、傳感子系統(tǒng)、開發(fā)控制子系統(tǒng)和智能信息控制子系統(tǒng)四大核心模塊。核心控制子系統(tǒng)主要由以ARDUION控制板為核心的硬件部分和IDE開發(fā)控制環(huán)境兩部分組成，硬件部分主要包括超聲波智能感應(yīng)控制板、ARDUION控制板和電機智能驅(qū)動裝置三部分；傳感子系統(tǒng)主要由超聲波傳感器和系統(tǒng)電源兩部分組成；開發(fā)控制子系統(tǒng)主要由機械臂舵機驅(qū)動和選擇兩部分構(gòu)成；智能信息控制子系統(tǒng)主要由智能信息控制板、智能電源控制和信息執(zhí)行系統(tǒng)三部分構(gòu)成。

1.1 智能感應(yīng)多自由度機械臂的核心控制子系統(tǒng)

智能機械臂控制系統(tǒng)是基于ARDUION電子控制原型平臺實現(xiàn)的。智能機械臂核心控制子系統(tǒng)主要由超聲波智能感應(yīng)控制板和ARDUION控制板以及電機智能驅(qū)動裝置三部分組成。在核心控制系統(tǒng)中，電源對智能核心控制子系統(tǒng)的三部分進行電源供給，通過智能傳感模塊接收超聲波傳感器的信息來對ARDUION的控制模板進行命令下達。智能機械臂核心控制子系統(tǒng)利用相關(guān)感應(yīng)元件接收信息來對ARDUION進行操作，通過核心控制系統(tǒng)的集成開發(fā)環(huán)境來對相應(yīng)的多自由度機械臂進行電機驅(qū)動，使相應(yīng)的多自由度機械臂在驅(qū)動下準(zhǔn)確地運動，從而控制多自由度機械臂能夠在智能感應(yīng)下實現(xiàn)準(zhǔn)確的作業(yè)。

1.1.1 智能機械臂核心控制系統(tǒng)硬件設(shè)備

智能感應(yīng)多自由度機械臂的核心控制系統(tǒng)硬件設(shè)備主要由ARDUION UNO控制板、超聲波智能感應(yīng)控制板以及電機智能驅(qū)動裝置等三部分組成。ARDUION UNO控制模塊是當(dāng)前世界上ARDUION性價比最高的控制模塊之一，其核心主體為ATMEGA328單機片。核心控制軟件中，ARDUION IDE開發(fā)環(huán)境是借助于ARDUION UNO控制板進行程序開發(fā)的，從而確保ARDUION IDE開發(fā)環(huán)境能夠利用UNO控制板的各個不同的傳感器來感知環(huán)境，從而達到有效控制的目的。

硬件設(shè)備中的超聲波智能感應(yīng)控制板用于感應(yīng)模塊與物品的實際距離信息，通過信息流反饋到ARDUION IDE開發(fā)環(huán)境中，確保接收的信息能夠準(zhǔn)確傳導(dǎo)到ARDUION UNO控制板中進行處理，從而保證信息的智能化和準(zhǔn)確化。同樣由于多自由度機械臂的每一個自由度都受到單獨的舵機控制器的控制，因此在核心控制中，需要電機智能驅(qū)動裝置對多自由度機械臂進行控制和信息存儲，在接收到核心控制中心下達的驅(qū)動信息后能夠準(zhǔn)確地通過電機驅(qū)動來實現(xiàn)機械臂多自由度的運動規(guī)劃。

1.1.2 智能機械臂核心控制子系統(tǒng)軟件程序

智能感應(yīng)多自由度機械臂核心控制子系統(tǒng)的控制軟件主要由ARDUION IDE開發(fā)環(huán)境程序和舵機控制程序構(gòu)成。

ARDUION IDE開發(fā)環(huán)境程序軟件是在C語言的基礎(chǔ)上編輯的，ARDUION軟件編程人員利用C語言代碼來構(gòu)建相對應(yīng)的ARDUION IDE開發(fā)數(shù)據(jù)庫，同樣程序開發(fā)人員也可以在ARDUION IDE開發(fā)環(huán)境中適當(dāng)擴展鏈接相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫，從而減少使用人員的工作量。在ARDUION IDE開發(fā)環(huán)境的程序智能控制中，主要利用開發(fā)環(huán)境程序?qū)Τ暡ㄟM行有效的處理，通過確定回歸超聲波的時間差異來進行數(shù)據(jù)處理從而實現(xiàn)核心控制。在ARDUION IDE開發(fā)程序的主要流程中，首先需要定義超聲波的控制端和接收端，通過ARDUION IDE開發(fā)環(huán)境程序來將變量與實際的控制端相連，通過設(shè)定相應(yīng)的觸發(fā)控制與接收端的數(shù)值定義，將回歸超聲波的時間轉(zhuǎn)換為現(xiàn)實相應(yīng)的距離數(shù)值，從而調(diào)動舵機對多自由度機械臂的運動進行智能規(guī)劃。

多自由度的舵機控制程序主要包括舵機編號查詢和脈沖寬度擺動函數(shù)兩部分。在舵機控制程序中，舵機編號查詢能夠使相應(yīng)的舵機操作相應(yīng)的自由度。同樣脈沖寬度擺動函數(shù)能夠準(zhǔn)確地控制相應(yīng)的舵機來實現(xiàn)機械臂的自由度和需要的擺動寬度，從而使得機械臂能夠智能化地轉(zhuǎn)動到相應(yīng)的位置。

1.2 智能感應(yīng)多自由度機械臂傳感子系統(tǒng)

智能機械臂傳感子系統(tǒng)的核心是超聲波智能傳感模板，其主要由超聲波模塊的聲波發(fā)射控制端和接收端以及相應(yīng)的電源與接地線組成。通過超聲波的發(fā)射和接收端口來實現(xiàn)距離的測定，通過超聲波的時間差距來進行距離的數(shù)據(jù)計算。智能感應(yīng)多自由度機械臂的傳感子系統(tǒng)借助于超聲波傳感裝置和電源的運作來進行相應(yīng)的數(shù)據(jù)錄入，從而為核心控制端的命令下達提供保障。

1.3 智能感應(yīng)多自由度機械臂開發(fā)控制子系統(tǒng)

智能機械臂開發(fā)控制子系統(tǒng)主要由舵機的選擇和驅(qū)動模塊兩部分組成。由于舵機是核心控制與機械臂控制的連接中心，因此正確地選擇控制系統(tǒng)舵機才能確保智能化的多自由度機械臂能夠順利地運轉(zhuǎn)。舵機有數(shù)字信息舵機和模擬舵機兩種形式。其主要區(qū)別在于數(shù)字信息舵機能夠進行更加細(xì)微的處理且占有率更小，但其抗干擾能力不強，且成本更高。因此在實際開發(fā)控制系統(tǒng)時，往往將數(shù)字信息舵機和模擬舵機結(jié)合使用，從而提高相應(yīng)的使用效率。在舵機的驅(qū)動模塊選擇中，由于智能化的機械臂需要更佳的便捷性，因此可以選擇S系列32路的舵機驅(qū)動模塊，從而能夠?qū)崿F(xiàn)無線遠(yuǎn)程控制。

1.4 智能感應(yīng)多自由度機械臂的信息控制子系統(tǒng)

智能機械臂的信息控制子系統(tǒng)由智能信息控制板、智能電源控制和信息執(zhí)行系統(tǒng)三部分構(gòu)成。為了實現(xiàn)遠(yuǎn)程信息控制，可采用PS2遙控手柄作為控制設(shè)備，通過信息控制系統(tǒng)的相關(guān)操作，保證手柄能夠與ARDUION控制板相連，從而進行命令的下達和輸送。

2 智能機械臂系統(tǒng)的實現(xiàn)流程

智能感應(yīng)多自由度機械臂系統(tǒng)的工作流程如圖1所示，其主要的工作流程為：通過系統(tǒng)電路上電，由超聲波傳感器感應(yīng)距離信息，并將探測到的實際有效數(shù)據(jù)傳送到核心處理系統(tǒng)中；利用ARDUION控制來對實際的信息進行處理，通過設(shè)定相應(yīng)的觸發(fā)控制與接收端的數(shù)值定義，將回歸超聲波的時間轉(zhuǎn)換為現(xiàn)實相應(yīng)的距離數(shù)值，從而調(diào)動舵機對多自由度機械臂的運動進行智能規(guī)劃；下達命令傳輸?shù)蕉鏅C驅(qū)動模塊中，讓舵機模塊驅(qū)動機械臂進行相應(yīng)的作業(yè)，實現(xiàn)機械臂的自由度和需求動作的擺動寬度，從而使得機械臂能夠智能化地轉(zhuǎn)動到相應(yīng)的位置。

智能感應(yīng)多自由度機械臂系統(tǒng)不僅可以應(yīng)用到工業(yè)的大規(guī)模生產(chǎn)中，也能夠有效地運用于軍事行業(yè)的排雷除爆和搬運危險品等特殊場合。

3 結(jié)束語

由此可見，智能感應(yīng)多自由度機械臂系統(tǒng)實現(xiàn)的關(guān)鍵在于借助當(dāng)前創(chuàng)新技術(shù)進行核心控制子系統(tǒng)、傳感子系統(tǒng)、開發(fā)控制子系統(tǒng)和信息控制子系統(tǒng)等四大模塊的組構(gòu)。通過智能控制系統(tǒng)實現(xiàn)多自由度機械臂控制，可以有效地保證機械臂的自由度和信息處理的智能化。智能感應(yīng)的多自由度機械臂系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)不僅可以提高工業(yè)的生產(chǎn)安全性，也為工業(yè)生產(chǎn)節(jié)約生產(chǎn)成本、提高生產(chǎn)效率提供了保障。此外，系統(tǒng)能夠很好地實現(xiàn)操作人員與機械臂的交叉控制，確保相關(guān)工作人員能夠通過超遠(yuǎn)距離的信息傳輸來實現(xiàn)智能機械臂生產(chǎn)作業(yè)的精準(zhǔn)控制，為智能系統(tǒng)和工業(yè)制造的發(fā)展提供全面的保障。

圖1 智能感應(yīng)多自由度機械臂系統(tǒng)的工作流程