基于 ＬａｂＶＩＥＷ 舵机机械臂控制
2017-5-2 来源：华北理工大学 作者：王梦雅，杨志刚
摘要：分析了六自由度机器人的特点及功能需求，设计了基于 ＬａｂＶＩＥＷ 的多路舵机控制系统，硬件核心采用ＳＴＣ８９Ｃ５２单片机，关节驱动采用舵机控制。通过实验，实现了六自由度机械臂的关节控制。实验结果显示：该系统运行平稳，控制效果良好，且协调性很高，对机械臂的研究具有一定的参考价值。
关键词：ＬａｂＶＩＥＷ；舵机控制；六自由度机器人
０.引言
在我们的日常生活中，有很多劳动强度大、长时间单调重复的工作，或对产品质量要求高的工作，或需要人类在危险、恶劣的环境下作业 的工作，在这种背景下，近年来国内外对机械手臂的研究日趋深入。在机械手臂的研究过程中，多关节的协调控制是实现机械手臂抓取物体的基础。针对这个问题，本文设计了六自由度机械手，通过多路舵机控制器协调驱动各手部关节，最后通过虚拟仪器 ＬａｂＶＩＥＷ 实验对其进行了验证。
１.六自由度机械手硬件结构
六自由度机械手具有６个舵机控制其关节，控制器采用ＳＴＣ８９Ｃ５２单片机，具有速度快、灵活度高、抗干扰的优点。机械手采用３２路舵机控制器对各关节进行控制。１．１ 机械臂在本文中，设计一个能够用于物品搬运的六自由度机械手臂，机械手臂的运动包括底座的旋转、大臂的转动、小臂的转动、手腕的上下摆动与左右旋转、手爪的张合，即机械手臂的自由度为６。六自由度机械臂模拟图见图１。本机械手臂中的各轴之间相互联系并相互独立运行，各机构互不干涉。
１.２舵机
舵机按照转动角度分有 １８０°舵机和 ３６０°舵 机。１８０°舵机只能在０°到１８０°之间运动，如果超过这个范围，舵机就会因为超出量程而发生故障。３６０°舵机可以连续转动，我们可以控制它的转动方向和速度。
以１８０°舵机为例，它有３条引线：电源线 ＶＣＣ、地线 ＧＮＤ 与控制信号线。控制信号为直流偏置电压，由接收机的通道进入信号调制芯片获得。舵机内部有一个基准电路，产生周期为２０ ｍｓ、宽度为１．５ ｍｓ左右的基准信号，舵机输出转角与输入信号脉冲宽度的关系见图２。舵机将获得的直流偏置电压与电位器的电压比较，获得电压差输出；将电压差的正负输出到机驱动芯片来决定电机的正、反转。
图１ 六自由度机械臂模拟图
图２ 舵机输出转角与输入信号脉冲宽度的关系
２.舵机控制器通信
２．１舵机控制板
舵机控制器的主要功能是驱动多路舵机，其内部写有与外部设备进行通信的串口协议，通过 ＰＣ 机操作上位机软件给控制器传递控制指令信号，即可实现多路伺服电机单独控制或同时控制。舵机控制板需要舵机电源和芯片电源两个电源。本文设计选用的电源在输出５Ｖ 电压时，可承受２Ａ 的电流，可保证６路舵机的正常运转。而芯片电源所需的功率较小，ＰＣ的 ＵＳＢ口供电即可使证芯片正常工作。
２．２ ＶＩＳＡ 通信
ＶＩＳＡ 通信部分程序如图３所示。ＶＩＳＡ 是虚拟仪器系统Ｉ／Ｏ 接口软件。基于自底向上结构模型的 ＶＩＳＡ 创造了一个统一形式的Ｉ／Ｏ 控制函数集。常用的 ＶＩ包括 ＶＩＳＡ 配置串口、ＶＩＳＡ 写入、ＶＩＳＡ 读取、ＶＩＳＡ 关闭等子函数。ＶＩＳＡ 部分 ＶＩ图标见图４。
图３ ＶＩＳＡ 通信部分程序
舵机控制板的命令格 式为 “＃１Ｐ％ｄ＃２Ｐ％ｄ＃３Ｐ％ｄ＃４Ｐ％ｄ＃１３Ｐ％ｄ＃１４Ｐ％ｄ＃１”。数据１，２，３，４，１３，１４ 是 舵 机 的 通 道；字 母 Ｐ 后 面 是 ６ 个 舵 机 的ＰＷＭ 脉宽值。本文用到了“格式化写入字符串”命令，这个函数左侧的６个输入端输入的数据就是格式字符串的６个％ｄ所对应的实时舵机脉宽值，舵机脉宽值通过前面板旋钮来控制。然后将６个整数数据组合成的字符串送到 ＶＩＳＡ 写入函数的写入缓冲区。
图４ ＶＩＳＡ 部分 ＶＩ图标
ＬａｂＶＩＥＷ 舵机控制部分程序如图５所示。
图５ ＬａｂＶＩＥＷ 舵机控制部分程序
表１ 控制角度变化表
４.结论
分析了六自由度机器人的特点及功能需求，设计了基于 ＬａｂＶＩＥＷ 的多路舵机控制系统，硬件核心采用ＳＴＣ８９Ｃ５２单片机，关节驱动采用舵机控制。运用ＬａｂＶＩＥＷ 完成了六自由度机械臂舵机控制的软件实现，并通过对机械臂的运动控制验证了该方法的可行性。ＬａｂＶＩＥＷ的优点在于可以直接生成可执行文件，这使仿真调试到实际控制的过渡非常简单，简化了舵机控制系统的设计过程。实验结果显示，该系统运行平稳、控制效果良好并且协调性很高，对机械臂的研究具有一定的参考价值。
投稿箱：
如果您有机床行业、企业相关新闻稿件发表，或进行资讯合作，欢迎联系本网编辑部， 邮箱：skjcsc@vip.sina.com
如果您有机床行业、企业相关新闻稿件发表，或进行资讯合作，欢迎联系本网编辑部， 邮箱：skjcsc@vip.sina.com
