0 引言

    机器人技术是一种融合了机械、计算机技术、电子、人工智能等众多学科于一体的先进技术^[1]，各国竞相在机器人的研发及生产上投入大量人力物力。我国的机器人控制技术仍然和欧美一些国家存在较大差距，机械臂也属于机器人范畴的一部分。

    为了解放人类生产力，用机器取代人类做一些重复且危险的工作已成为必然。在调研了目前市面上机械臂的发展情况下，结合实际设计了一套基于K64的三自由度机械臂控制系统。该机械臂在平面上具有良好的顺从性，在竖直方面具有良好的刚性^[2]，配合机械臂末端携带的工具能够满足不同操作要求。经过研究比对，采用恩智浦的K64芯片作为核心控制芯片、以MQX_Lite为操作系统的控制系统能够充分利用嵌入式软硬件结合的优点，使控制系统的性能更加优越，成本更低，功能更健全，改善了传统机械臂存在的控制功能单一、生产成本高等一些问题^[3]。

1 运动学基础

1.1 机械臂建模

    任何涉及机械手臂的设计均要以运动学为基础。在传统的三维几何学中，使用3×1维向量的加法来进行平移计算，使用3×3矩阵的乘法进行转动计算。一般用Trans(X₁，Y₁，Z₁)代表平移，表示在XYZ轴上分别平移X₁、Y₁、Z₁；用Rot(Z，θ)代表绕Z轴旋转θ角，可以根据需要修改对应参数。

    在进行机械臂运动学计算之前，首先将机械臂用数学表达式表示出来，这涉及到机械臂建模，通过D-H建模法建立模型参数^[4]，如表1。

    由于Z轴是由单独电机控制，不需要其他关节的配合，所以竖直方向单独考虑。平面位置的移动则依靠两个电机的配合，机械臂的俯视图如图1所示。

    结合表1，可得运动学方程为：

1.2 逆运动学

    逆运动学指在已知机械臂末端的执行器位姿，求解各个关节的角度问题。

    求解逆运动学方程时，面临最优解和唯一解问题。在图1中，机械臂末端的目标点B(x，y)，此时有两种情况与之对应，选择最小的旋转角度达到该目标位置，才能解决最优解和唯一解问题。

    求操作臂的反解有两种方法：封闭解法和数值解法。选择封闭解可以准确求解出对应的角度变化。对于封闭解法，有两种途径：代数解和几何解。考虑到机械的结构以及运动学方程，采用几何法。

    如图1所示的平面机械臂，利用平面几何关系求运行学反解，在世界坐标系中，已知机械臂末端的坐标点B的坐标值，利用余弦定理和反三角函数，求θ₁和θ₂的角度值。

2 控制系统总体设计及工作原理

    该系统主要由上位机控制软件、K64核心控制电路和机械关节等部分组成。其中，串口作为上位机和K64之间的主要通信方式，在上位机采用一般的串口调试工具；微控制器部分以恩智浦公司K64为核心，由通信模块、电机驱动模块、传感器模块、电源模块、指示灯模块组成。系统整体结构框图如图2所示。

    系统将整体工作流程分模块进行，首先由操作人员在上位机软件输入指令，通过串口通信模块将TTL信号转化成单片机识别的RS232信号，紧接着由单片机对接收到的信号进行处理，同时融入实时操作系统MQX_Lite，分别执行相对应的任务，例如电机控制、指示灯变化等。同时，单片机也通过中断方式实时检测着传感器，将信息反馈给用户，做到实时监控。

2.1 系统硬件设计

    机械臂的主要应用目标是工业控制，而可靠性和抗干扰能力是衡量工业控制中电气设备性能的关键指标，因此在设计内部电路时，采用了抗干扰技术，其中包括光耦隔离电路。系统采用的硬件是具有极高性能的元件，其中包括高速光耦6N138、三极管S8050等^[5]。下面着重介绍电源模块和电机控制模块。

2.1.1 电源模块

    由于硬件系统中涉及到不同的外设，各个外设工作电压又各不相同，电源模块需要满足统一供电，需要设计电源转化模块，满足要求。本系统中采用常见的24 V直流电源供电，通过LM2596-ADJ电压调节器的调节，输出电压依据公式V_out=V_ref(1+R1/R2)得出，通过改变R1、R2的值调整需要的输出电压。经过分析，系统需要电压3.3 V、5 V、12 V、24 V、36 V几种电压值供不同部分使用。电源模块的电路图如图3所示。

2.1.2 电机控制模块

    机械臂的平稳正常工作，离不开电机的驱动。作为常见的工业控制方式之一，电机性能的稳定对整个系统具有至关重要的作用。为了排除电机工作时的反向电流干扰，设计了兼具方向和PWM脉冲控制的电路，如图4所示。

    图4左侧两个输入分别控制着电机的转速和方向，由于电机运行过程中会对MCU造成反向干扰，因此需要光电隔离器，光耦的型号为6N138，三极管型号为S8050。电路实现电气隔离，增强了系统的稳定性，排除了干扰。

2.2 系统软件设计

    在机械臂控制系统中，软件部分主要包括PC程序和主控芯片程序，PC端主要负责与操作人员进行实时交互，采用一般的串口调试工具即可。以K64作为主控芯片，该芯片的主频达到120 MHz，具有1 MB闪存、256 KB的RAM，这些数据足以说明其强大的处理能力，充分满足系统的数据处理要求。系统软件业务流程图如图5所示。

    将MQX_Lite实时操作系统植入到芯片内，实现了任务的调度，提高了系统实时性，另外，采用“多任务+中断”编程设计思想，将复杂的工作按照功能进行任务划分，主要分为主任务、指示灯任务、串口任务、电机任务等；另外一条主线则是中断、实时监控外部事件、保证系统的稳定执行。

2.2.1 多任务体系

    在引导程序中，首先加载主任务task_main，在主任务中，完成了小灯模块、串口模块、PWM功能、输入捕捉、电机控制的初始化，并且使能GPIO、输入捕捉等中断。

    在主任务完成相关模块的初始化，并且开了总中断以后，主任务就进入了阻塞态，操作系统就开始进行任务的调度^[6]。小灯任务是一直进行，通过小灯的闪烁情况，可以判断出整个系统是否在运行，确保程序没有跑飞。

    机械臂控制系统的核心部分是串口任务和电机任务，当机械臂工作之前，从极限位置^[7]运动到工作位置的起始点。通过串口接收数据，将数据解析，提取相关指令和数据分别赋值全局变量，置事件位，电机任务等待到事件位，通过调用cal_degree()函数，计算出各个关节的角度，赋值全局变量，供其他任务中使用，确定相对应的关节需要的脉冲数，启动电机。

2.2.2 中断处理

    将输入捕捉引脚与PWM脉冲输出脚连接，当捕捉到的脉冲数达到了MOTOR1_COUNT值，停止电机，并且置完成事件位，通过串口给上位机发送完成的指令，等待接收下一条命令。

3 机械臂运动实验

    为了验证整个系统是否能够满足工作的需要，最后进行实验。为了保证曲线连续^[8]，设定的路线是X轴方向每次减小5 mm，Y轴方向每次增加5 mm，设定的曲线方程为y=-x+400，由于硬件的构造，存在死限位，关节无法继续旋转。经过测量，在工作平面内X的取值范围为180~400 mm。与上位机的交互信息如图6所示。

    在机械臂末端安装一支墨水笔，在图6中实时地将机械臂的一些信息反馈在串口调试工具中，最后输入指令为OVER时，系统停止运行。实验阶段，将一张白纸固定在操作面上，当整个实验停止运行之后，对所画的曲线进行分析，非常接近于一条直线，能满足设计要求。

4 结论

    本文研究的机械臂控制系统以K64作为核心芯片，以MQX_Lite为操作系统，从原理到软硬件整体设计上介绍了整个系统的研发流程。此系统用一块核心控制芯片，通过与上位机的交互，控制多路电机的协同运行，完成操作人员指定的功能。经过实验，该控制系统在整体成本低廉的情况下，依然能够平稳运行并且满足整体需求。该机械臂控制系统可以作为一个平台，满足不同功能的需要，改善了传统的机械臂单一功能不足的缺点，降低了成本。

参考文献

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[8] 王宪，王伟，张方生，等.基于嵌入式系统的机器人关节空间轨迹规划[J].传感器与微系统，2011，30(10)：19-21.

作者信息：

丁  伟，王宜怀，贾荣媛

（苏州大学 计算机科学与技术学院，江苏 苏州215000）