0 引言

    機器人技術(shù)是一種融合了機械、計算機技術(shù)、電子、人工智能等眾多學(xué)科于一體的先進技術(shù)^[1]，各國競相在機器人的研發(fā)及生產(chǎn)上投入大量人力物力。我國的機器人控制技術(shù)仍然和歐美一些國家存在較大差距，機械臂也屬于機器人范疇的一部分。

    為了解放人類生產(chǎn)力，用機器取代人類做一些重復(fù)且危險的工作已成為必然。在調(diào)研了目前市面上機械臂的發(fā)展情況下，結(jié)合實際設(shè)計了一套基于K64的三自由度機械臂控制系統(tǒng)。該機械臂在平面上具有良好的順從性，在豎直方面具有良好的剛性^[2]，配合機械臂末端攜帶的工具能夠滿足不同操作要求。經(jīng)過研究比對，采用恩智浦的K64芯片作為核心控制芯片、以MQX_Lite為操作系統(tǒng)的控制系統(tǒng)能夠充分利用嵌入式軟硬件結(jié)合的優(yōu)點，使控制系統(tǒng)的性能更加優(yōu)越，成本更低，功能更健全，改善了傳統(tǒng)機械臂存在的控制功能單一、生產(chǎn)成本高等一些問題^[3]。

1 運動學(xué)基礎(chǔ)

1.1 機械臂建模

    任何涉及機械手臂的設(shè)計均要以運動學(xué)為基礎(chǔ)。在傳統(tǒng)的三維幾何學(xué)中，使用3×1維向量的加法來進行平移計算，使用3×3矩陣的乘法進行轉(zhuǎn)動計算。一般用Trans(X₁，Y₁，Z₁)代表平移，表示在XYZ軸上分別平移X₁、Y₁、Z₁；用Rot(Z，θ)代表繞Z軸旋轉(zhuǎn)θ角，可以根據(jù)需要修改對應(yīng)參數(shù)。

    在進行機械臂運動學(xué)計算之前，首先將機械臂用數(shù)學(xué)表達(dá)式表示出來，這涉及到機械臂建模，通過D-H建模法建立模型參數(shù)^[4]，如表1。

    由于Z軸是由單獨電機控制，不需要其他關(guān)節(jié)的配合，所以豎直方向單獨考慮。平面位置的移動則依靠兩個電機的配合，機械臂的俯視圖如圖1所示。

    結(jié)合表1，可得運動學(xué)方程為：

1.2 逆運動學(xué)

    逆運動學(xué)指在已知機械臂末端的執(zhí)行器位姿，求解各個關(guān)節(jié)的角度問題。

    求解逆運動學(xué)方程時，面臨最優(yōu)解和唯一解問題。在圖1中，機械臂末端的目標(biāo)點B(x，y)，此時有兩種情況與之對應(yīng)，選擇最小的旋轉(zhuǎn)角度達(dá)到該目標(biāo)位置，才能解決最優(yōu)解和唯一解問題。

    求操作臂的反解有兩種方法：封閉解法和數(shù)值解法。選擇封閉解可以準(zhǔn)確求解出對應(yīng)的角度變化。對于封閉解法，有兩種途徑：代數(shù)解和幾何解。考慮到機械的結(jié)構(gòu)以及運動學(xué)方程，采用幾何法。

    如圖1所示的平面機械臂，利用平面幾何關(guān)系求運行學(xué)反解，在世界坐標(biāo)系中，已知機械臂末端的坐標(biāo)點B的坐標(biāo)值，利用余弦定理和反三角函數(shù)，求θ₁和θ₂的角度值。

2 控制系統(tǒng)總體設(shè)計及工作原理

    該系統(tǒng)主要由上位機控制軟件、K64核心控制電路和機械關(guān)節(jié)等部分組成。其中，串口作為上位機和K64之間的主要通信方式，在上位機采用一般的串口調(diào)試工具；微控制器部分以恩智浦公司K64為核心，由通信模塊、電機驅(qū)動模塊、傳感器模塊、電源模塊、指示燈模塊組成。系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

    系統(tǒng)將整體工作流程分模塊進行，首先由操作人員在上位機軟件輸入指令，通過串口通信模塊將TTL信號轉(zhuǎn)化成單片機識別的RS232信號，緊接著由單片機對接收到的信號進行處理，同時融入實時操作系統(tǒng)MQX_Lite，分別執(zhí)行相對應(yīng)的任務(wù)，例如電機控制、指示燈變化等。同時，單片機也通過中斷方式實時檢測著傳感器，將信息反饋給用戶，做到實時監(jiān)控。

2.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

    機械臂的主要應(yīng)用目標(biāo)是工業(yè)控制，而可靠性和抗干擾能力是衡量工業(yè)控制中電氣設(shè)備性能的關(guān)鍵指標(biāo)，因此在設(shè)計內(nèi)部電路時，采用了抗干擾技術(shù)，其中包括光耦隔離電路。系統(tǒng)采用的硬件是具有極高性能的元件，其中包括高速光耦6N138、三極管S8050等^[5]。下面著重介紹電源模塊和電機控制模塊。

2.1.1 電源模塊

    由于硬件系統(tǒng)中涉及到不同的外設(shè)，各個外設(shè)工作電壓又各不相同，電源模塊需要滿足統(tǒng)一供電，需要設(shè)計電源轉(zhuǎn)化模塊，滿足要求。本系統(tǒng)中采用常見的24 V直流電源供電，通過LM2596-ADJ電壓調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)，輸出電壓依據(jù)公式V_out=V_ref(1+R1/R2)得出，通過改變R1、R2的值調(diào)整需要的輸出電壓。經(jīng)過分析，系統(tǒng)需要電壓3.3 V、5 V、12 V、24 V、36 V幾種電壓值供不同部分使用。電源模塊的電路圖如圖3所示。

2.1.2 電機控制模塊

    機械臂的平穩(wěn)正常工作，離不開電機的驅(qū)動。作為常見的工業(yè)控制方式之一，電機性能的穩(wěn)定對整個系統(tǒng)具有至關(guān)重要的作用。為了排除電機工作時的反向電流干擾，設(shè)計了兼具方向和PWM脈沖控制的電路，如圖4所示。

    圖4左側(cè)兩個輸入分別控制著電機的轉(zhuǎn)速和方向，由于電機運行過程中會對MCU造成反向干擾，因此需要光電隔離器，光耦的型號為6N138，三極管型號為S8050。電路實現(xiàn)電氣隔離，增強了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，排除了干擾。

2.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

    在機械臂控制系統(tǒng)中，軟件部分主要包括PC程序和主控芯片程序，PC端主要負(fù)責(zé)與操作人員進行實時交互，采用一般的串口調(diào)試工具即可。以K64作為主控芯片，該芯片的主頻達(dá)到120 MHz，具有1 MB閃存、256 KB的RAM，這些數(shù)據(jù)足以說明其強大的處理能力，充分滿足系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理要求。系統(tǒng)軟件業(yè)務(wù)流程圖如圖5所示。

    將MQX_Lite實時操作系統(tǒng)植入到芯片內(nèi)，實現(xiàn)了任務(wù)的調(diào)度，提高了系統(tǒng)實時性，另外，采用“多任務(wù)+中斷”編程設(shè)計思想，將復(fù)雜的工作按照功能進行任務(wù)劃分，主要分為主任務(wù)、指示燈任務(wù)、串口任務(wù)、電機任務(wù)等；另外一條主線則是中斷、實時監(jiān)控外部事件、保證系統(tǒng)的穩(wěn)定執(zhí)行。

2.2.1 多任務(wù)體系

    在引導(dǎo)程序中，首先加載主任務(wù)task_main，在主任務(wù)中，完成了小燈模塊、串口模塊、PWM功能、輸入捕捉、電機控制的初始化，并且使能GPIO、輸入捕捉等中斷。

    在主任務(wù)完成相關(guān)模塊的初始化，并且開了總中斷以后，主任務(wù)就進入了阻塞態(tài)，操作系統(tǒng)就開始進行任務(wù)的調(diào)度^[6]。小燈任務(wù)是一直進行，通過小燈的閃爍情況，可以判斷出整個系統(tǒng)是否在運行，確保程序沒有跑飛。

    機械臂控制系統(tǒng)的核心部分是串口任務(wù)和電機任務(wù)，當(dāng)機械臂工作之前，從極限位置^[7]運動到工作位置的起始點。通過串口接收數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)解析，提取相關(guān)指令和數(shù)據(jù)分別賦值全局變量，置事件位，電機任務(wù)等待到事件位，通過調(diào)用cal_degree()函數(shù)，計算出各個關(guān)節(jié)的角度，賦值全局變量，供其他任務(wù)中使用，確定相對應(yīng)的關(guān)節(jié)需要的脈沖數(shù)，啟動電機。

2.2.2 中斷處理

    將輸入捕捉引腳與PWM脈沖輸出腳連接，當(dāng)捕捉到的脈沖數(shù)達(dá)到了MOTOR1_COUNT值，停止電機，并且置完成事件位，通過串口給上位機發(fā)送完成的指令，等待接收下一條命令。

3 機械臂運動實驗

    為了驗證整個系統(tǒng)是否能夠滿足工作的需要，最后進行實驗。為了保證曲線連續(xù)^[8]，設(shè)定的路線是X軸方向每次減小5 mm，Y軸方向每次增加5 mm，設(shè)定的曲線方程為y=-x+400，由于硬件的構(gòu)造，存在死限位，關(guān)節(jié)無法繼續(xù)旋轉(zhuǎn)。經(jīng)過測量，在工作平面內(nèi)X的取值范圍為180~400 mm。與上位機的交互信息如圖6所示。

    在機械臂末端安裝一支墨水筆，在圖6中實時地將機械臂的一些信息反饋在串口調(diào)試工具中，最后輸入指令為OVER時，系統(tǒng)停止運行。實驗階段，將一張白紙固定在操作面上，當(dāng)整個實驗停止運行之后，對所畫的曲線進行分析，非常接近于一條直線，能滿足設(shè)計要求。

4 結(jié)論

    本文研究的機械臂控制系統(tǒng)以K64作為核心芯片，以MQX_Lite為操作系統(tǒng)，從原理到軟硬件整體設(shè)計上介紹了整個系統(tǒng)的研發(fā)流程。此系統(tǒng)用一塊核心控制芯片，通過與上位機的交互，控制多路電機的協(xié)同運行，完成操作人員指定的功能。經(jīng)過實驗，該控制系統(tǒng)在整體成本低廉的情況下，依然能夠平穩(wěn)運行并且滿足整體需求。該機械臂控制系統(tǒng)可以作為一個平臺，滿足不同功能的需要，改善了傳統(tǒng)的機械臂單一功能不足的缺點，降低了成本。

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作者信息：

丁  偉，王宜懷，賈榮媛

（蘇州大學(xué) 計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，江蘇 蘇州215000）