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基於ＬａｂＶＩＥＷ舵機機械臂控製（zhì）

2017-5-2 來（lái）源：華北理工大學作者：王夢雅，楊誌剛

摘要：分析了六自由度機（jī）器人的特點及功能（néng）需求，設計（jì）了基於ＬａｂＶＩＥＷ的多（duō）路舵機控製係統，硬件核心采用ＳＴＣ８９Ｃ５２單（dān）片機，關節（jiē）驅動采（cǎi）用舵機控（kòng）製。通過實（shí）驗，實現了六自由度機械（xiè）臂的關節控製。實驗結果顯示（shì）：該係統運行平穩，控製效果良好，且協調性很高（gāo），對機械臂的研究具有一（yī）定的參考價值。

關鍵詞：ＬａｂＶＩＥＷ；舵機控製；六自由度機器人（rén）

０.引（yǐn）言

在我們的（de）日常生活中（zhōng），有很多勞動強度大（dà）、長時間（jiān）單調重複的（de）工作，或對產品質量要求高的工作，或需要人類在危險、惡劣的環境下作業的工作，在這（zhè）種背景下，近年來國（guó）內外對機械（xiè）手臂的研究日趨深入（rù）。在機械手臂的研（yán）究過程中，多關節的協調控製（zhì）是實現機械手臂抓取物（wù）體的基礎。針（zhēn）對這個問題，本（běn）文（wén）設計了六自由度機（jī）械手，通過多路舵（duò）機控製器協調（diào）驅動各手部關節，最後通過（guò）虛擬儀器ＬａｂＶＩＥＷ實驗對其進行了驗證（zhèng）。

１.六自由度機械手硬件結構

六自由度機械手具有６個舵機控製其（qí）關節（jiē），控製器采用ＳＴＣ８９Ｃ５２單片機，具有速度快、靈活度（dù）高、抗幹（gàn）擾的優點。機械手采用３２路舵機控製器對各關（guān）節進行控製。１．１　機械臂在本文中，設計一個能夠用於物（wù）品搬運的（de）六（liù）自由度機械手臂（bì），機（jī）械（xiè）手臂的運動包括底座的旋轉、大臂的轉動、小（xiǎo）臂（bì）的轉動、手腕的上下（xià）擺動與左右（yòu）旋轉、手爪的張合，即機械手臂的自由度為６。六自由度機械臂模擬圖見圖１。本機械手臂中的（de）各（gè）軸之間相互聯係並相互獨立運行，各機構互不幹涉。

１.２舵機

舵機按照轉動角度分有１８０°舵（duò）機和（hé）３６０°舵機。１８０°舵機隻能在０°到１８０°之間運動，如果超過這個範（fàn）圍，舵機就會因為超出量程而發生故（gù）障。３６０°舵機可以連續轉動，我們可以控製它的轉動方向和速（sù）度。

以１８０°舵機為例，它有３條（tiáo）引線：電源線ＶＣＣ、地線ＧＮＤ與控製信號線。控製信號為直流偏置電壓，由接收機的通道進入信號調製芯片獲得。舵機內部（bù）有（yǒu）一個（gè）基準電路（lù），產生周期為２０ｍｓ、寬度為１．５ｍｓ左右的基準信號，舵機輸出轉角與輸入信號脈衝寬度的關係見圖（tú）２。舵機將（jiāng）獲得的直流偏置電壓與（yǔ）電位器的電壓比較，獲得電壓差輸出；將電壓差（chà）的正負輸出到機（jī）驅動芯片來決定電機的正、反轉。

圖１　六（liù）自由（yóu）度機械臂模擬圖

圖２　舵機（jī）輸出轉角與輸入（rù）信號脈衝寬度的關係

２.舵（duò）機控（kòng）製器通信

２．１舵機控製板

舵機（jī）控（kòng）製器的主（zhǔ）要功能是驅動多路舵機，其內部（bù）寫有與（yǔ）外部設備進行通信的串口協議，通過ＰＣ機操作上位機軟件給（gěi）控製器傳遞控製指令信號，即可實現多（duō）路伺服電機單（dān）獨控製或同時控製（zhì）。舵機控製板需（xū）要舵機電源（yuán）和（hé）芯片電源兩個電源（yuán）。本文（wén）設計選用的電源在輸（shū）出５Ｖ電壓時，可承受２Ａ的電流，可保證６路舵機的（de）正常運轉。而芯片電源所（suǒ）需的功（gōng）率較小，ＰＣ的ＵＳＢ口供（gòng）電即可使證芯片正常工（gōng）作。

２．２　ＶＩＳＡ通信

ＶＩＳＡ通（tōng）信部分（fèn）程序如圖３所示。ＶＩＳＡ是虛擬儀器係統Ｉ／Ｏ接口（kǒu）軟件。基於自（zì）底向上結構模型的ＶＩＳＡ創造了一（yī）個統一形（xíng）式的Ｉ／Ｏ控製（zhì）函數集。常（cháng）用（yòng）的ＶＩ包括ＶＩＳＡ配置串口、ＶＩＳＡ寫入、ＶＩＳＡ讀取、ＶＩＳＡ關（guān）閉等子函數。ＶＩＳＡ部分ＶＩ圖標見圖４。

圖３　ＶＩＳＡ通信部分程序

舵機控製板的命令格式為 “＃１Ｐ％ｄ＃２Ｐ％ｄ＃３Ｐ％ｄ＃４Ｐ％ｄ＃１３Ｐ％ｄ＃１４Ｐ％ｄ＃１”。數據１，２，３，４，１３，１４是舵機的通道；字母Ｐ後（hòu）麵是（shì）６個舵（duò）機的（de）ＰＷＭ脈寬值。本文用（yòng）到了“格式化寫入字符串”命（mìng）令，這個函（hán）數左側的６個（gè）輸入端輸入的數據就是格式字符串的６個％ｄ所對應的實時舵（duò）機脈寬值，舵機脈寬（kuān）值通過前麵（miàn）板旋鈕來控製。然後將６個整數數據組合成的字符串送到ＶＩＳＡ寫入函數（shù）的寫入緩衝區。

圖４　ＶＩＳＡ部分ＶＩ圖標

ＬａｂＶＩＥＷ舵（duò）機控製部分程序（xù）如圖５所示。

圖５　ＬａｂＶＩＥＷ舵（duò）機（jī）控製部分程序

表１　控製角度（dù）變化表

４.結論

分析（xī）了六自由度機器人的特點及（jí）功能需求（qiú），設計了基於ＬａｂＶＩＥＷ的多路舵機控製係統，硬件核心采用ＳＴＣ８９Ｃ５２單片機，關節驅動采用舵機控製。運用ＬａｂＶＩＥＷ完成了六自由度機械臂舵機控製（zhì）的軟件實現，並通過對機械臂的運動控製驗證了該方（fāng）法的可行性。ＬａｂＶＩＥＷ的優點在於（yú）可以直接生（shēng）成（chéng）可執行文件（jiàn），這使仿真調試到實際（jì）控（kòng）製的過渡非常簡單（dān），簡化了舵機控製係（xì）統的設計（jì）過程。實驗結果顯示，該係統運行平穩、控製效果良好（hǎo）並且協調（diào）性（xìng）很高，對機械臂的研究（jiū）具有一定的參考價值。

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