基于FPGA的智能无线遥控排险机械臂设计

王柏东+王文竹+闫晓东

摘要：本设计是基于FPGA为核心控制系统的智能救援机器人设计。分别研究了救援机器人的机械机构设计，信息采集与探测以及远程控制三大模块，设计出了一套理论清晰，具有实际应用价值的灾难救援机器人。

机械臂智能遥控系统包括传感器、机械臂动作系统、无线信号发射装置和无线信号接收装置，机械臂动作系统和无线信号接收装置安装在机械臂上，机械臂动作系统和无线信号接收装置连接，传感器和无线信号发射装置连接，无线信号发射装置和无线信号接收装置通信连接。本项目通过人体手臂的动作达到控制机械臂进行与人体手臂相近或类似的动作，使得在救援时，机械臂能更好的完成操作人员所下达的动作命令；救援机器人通过履带在各种路况行进，避免被凹凸不平的地面阻碍导致行进困难，在灾难发生后能很好的发挥作用并得到利用，在搜救过程中能够代替救援人员避免不必要的伤害。

正文：

历经了一年的努力终于完成了项目的制作，通过这次项目设计让我们收获了许多，这其中不仅仅是知识的扩充与巩固，还有对创新更新的认识，最重要的是通过共同努力取得成功的喜悦。最初的我们满怀信心设计了这个项目，并赋予了它很多功能，最后我们发现部分功能难以实现，但毕竟是一个新的思维，我们围绕着一个个难题逐步突破，在这期间我们查阅了大量资料，遇到难以理解的地方就会去请教指导教师，从中获取了大量的知识，并解决了一个个难题。

1958年美国联合控制公司研制出第一台机械手。不论是传统产业，还是新兴产业，都离不开各种各样的机械装备，机械工业所提供装备的性能、质量和成本，对国民经济各部门技术进步和经济效益有很大的和直接的影响。机械工业的规模和技术水平是衡量国家经济实力和科学技术水平的重要标志。我国已经基本掌握了机器人的设计制造技术，控制系统和驱动系统的设计以及机器人的软件和编程等关键技术。不过我国在救援机器人的研究方面起步晚，大多数研究还是停留在某个单项研究阶段。

机械手是近几十年发展起来的一种高科技自动化生产设备。它的特点是可通过编程来完成个人中预期的作业任务，在构造和性能上具有人和机器各自的特点，尤其体现了认得智能和适应性。机械手作业的准确性和各种环境中完成作业的能力，在国民经济各领域有着广阔的发展前景。机械手虽然目前还不如人手那样灵活，但它具有能不断重复工作和劳动，不知疲劳，不怕危险，抓举重物的力量比人手力大的特点，因此，机械手已受到许多部门的重视，并越来越广泛地得到了应用。

此次项目的机械手臂用于物流生产线上物品的抓取和易位。整个机械臂安装在一个回转支座上，回转角度范围为360°；肩关节为转动关节，回转角度范围为360°；小臂相对于大臂可摆动，摆动范围为60°-120°；小臂末端的手腕也可以摆动，水平和垂直摆动范围为-60°到+60°；手腕的末端安装一机械手，机械手具有开闭能力，用于直径30-45mm工件的抓取。机构是一个六自由度的机械手，能完成夹紧、旋转、俯仰、摇摆以及回转动作，加之将其放于移动履带车上，自由度大大提升，可用于野外探险等复杂环境。我们主要针对设计的是在流水线上对已加工成品的夹取放置（范围为边长为1000mm），机构简便、效率高，可控范围大，基座运用齿轮传动，效率高，强度大，可调角度大，回转机构和俯仰机构都是-60°到60°。机构所用零件便于加工，标准件较多，便于机构的组装，相应的成本也不高。

程序的编写重在原理的掌我们使用的舵机工作周期均为20ms，用单片机定时器产生的六路PWM波的周期也相同。使用单片机的内部定时器产生脉冲计数，一般来说，舵机工作正脉冲宽度小于周期的1/5，这样能够在1个周期内分时启动各路PWM波的上升沿，再利用定时器中断T0确定各路PWM波的输出宽度，定时器中断T1控制20ms的基准时间。第1次定时器中断T0按20ms的1/5配置初值，并配置输出I/O口，第1次T0定时中断响应后，将当前输出I/O口对应的引脚输出置高电平，配置该路输出正脉冲宽度，并启动第2次定时器中断，输出I/O口指向下一个输出口。第2次定時器定时时间结束后，将当前输出引脚置低电平，配置此中断周期为20ms的1/5减去正脉冲的时间，此路PWM信号在该周期中输出完毕，往复输出。在每次循环的第10次（2×5=10）中断实行关定时中断T0的操作，最后就能够实现6路舵机控制信号的输出。在舵机运动过程中，既为了整个机械手臂平稳运行，又为了保护舵机不被烧毁，所以在程序算法中加入了缓冲机制。

在实现履带车与机械臂的结合过程中，遇到最大的问题就是程序的编写，程序稍有不慎就会将机械臂的舵机烧毁，同时还伴随部分舵机抖动的现象，很是让我们头疼，最初我们排除了无线电干扰，后来发现除了程序有不足外，电源也有很大问题，特别是我们在接收机与动力电机共用同一组电源。虽然大多数情况下接收机的电路中都有稳压措施，但在电源电压不足或电源容量过小，动力电机又有较大的启动电流时，稳压电路也会无能为力；由此造成电源电压严重波动，接收机输出波形失常，引起舵机抖动。就是在接收机单独供电时，如果电源容量过小，又同时配接了多只舵机特别是功耗较大的强力舵机时，产生了这种情况。因为是电源电压不足或因电源容量小而起的抖舵，我们更换了大容量的电源。当然有时也可以用减小动力消耗的办法来解决，比如更换一只工作电流较小的动力电机。可是这样会影响我们设计的部分功能，如果那样的话就无法操作机械臂拾取重物了。

在接下来实物的调试中，我们开始用单片机自身的PWM来简单控制舵机，但是发现只能控制六路舵机，为了方便今后舵机的扩展我们采用定时器来模拟PWM脉冲，但是当我们调试时发现计算的理论值与实际的值有很大差别，为了实现周期20msPWM波，我们用示波器来跟踪输出的脉冲并实时调整计算的理论值。

总结一下这次创新项目给我们带来的收获：

1.对学习知识有了新的认识。知识来源于书本的同时，也要从实践中运用，不然知识就只是白纸上的黑字，毫无意义。我们三个人结合自身爱好与优势，合理分工，学习到了各自感兴趣的知识，在创新实践中得到了巩固，这些成为了我们一生的财富，是别人用钱买不到的。

2.对团队协作有了新的看法。创新意识来源与我们这个团队，所以在项目的执行过程中，我们从始至终保持着沟通，在很多方面上都得到了体现，如果我们各司其职，绝对不会把这个项目作品做成的。平时我们要上课，只有晚上有时间在一起研究项目的制作，时间虽然足够充足，但别忘了时间很宝贵。我们能够合理利用时间，全依靠与及时的沟通与交流，在这期间也加强了小组成员间的默契度。

3.对创新有了新的想法。如果说这一年时间我们全身心投入这个项目，没心思想别的是很不现实的，我们在研究过程中发现了当前项目的很多不足，并想办法加以改进，与此同时就滋生出了很多创新的新想法。其实有很多举世发明就是在不经意间产生的，设计者最初没考虑到会做出这样的作品，完全是灵光一闪而过。

希望我们在今后的生活中能够结合这次对创新的训练得到的启发，达到一个新的高度，然后在下一次创新实践中充分发挥我们的能力，做出更好的表现，同时也十分感谢指导教师对我们的帮助。

参考文献：

《FPGA现代数字系统设计及应用》陈金鹰著 机械工业出版社

《机械臂系统的控制同步理论与应用》韩清凯著国防工业出版社

《FPGA/CPLD应用技术》韩晓敏著清华大学出版社endprint