EZ Controller

陆泽锋+陈莎娜

摘 要：文中设计了一种全新的机械臂控制模式，可实现机械臂执行端自动同步跟踪遥控手柄动作的功能，摆脱了传统机械臂需编程或手柄控制的复杂性；利用自稳云台，实现监控设备的稳定运行，保证实时获取高质量的图像画面。系统具有良好的市场前景和经济效益。

关键词：机械臂；同步跟踪

1 作品简介

EZ Controller旨在采用一种全新的机械臂控制模式，实现机械臂执行端自动同步跟踪遥控手柄动作的功能，摆脱传统机械臂需编程或手柄控制的复杂性，为机械臂控制者提供一种趣味性的操作和随心所欲的控制体验。

EZ Controller是控制端与执行端机械臂成比例的体感控制器，执行端的工作机械臂具有个6自由度，同时在底座加有移动式履带底盘，并在执行末端增加了摄像头，使操作者可实时获悉执行端的工作情况，并增加自稳定云台以确保操作者获得清晰稳定的工作画面。

这种新型控制模式给机械臂在艰难环境下无死角监控、视频拍摄、故障监测、危险行动带来更广阔的应用空间，并且为降低喂饭机器人、娱乐机器人等生活型机器人的成本提供了新的发展思路，使机械臂的操作不再停留在“实验室”，而是走向了大众生活。实物如图1所示。

2 工作原理

本项目基于传感器技术、自动控制技术、电机拖动控制技术、网络通信技术等，开发了一款机械臂遥控端与操作端完全同步的控制系统EZ Controller。EZ Controller包括遥控端和执行端两部分，可通过操作遥控端远程控制执行端机械臂的工作运动，并实时监控執行端的工作情况，利用自稳云台，实现监控设备的稳定运行，保证实时获取高质量的图像画面。

EZ Controller遥控端利用STC12C5A60S2单片机的AD采集功能，采集6路电位器的电阻值（模拟值），并转换成具有8位精度的数字量，以确定遥控端机械臂当前所处位置，为后续控制执行端机械臂提供精准的位置依据。遥控端也可使用32位单片机作为协处理器进行浮点运算、PID算法控制，使用I2C接口采集MPU6050的数据，以控制监视器所处云台的俯仰角、横滚角，同时产生两路PWM信号以控制机械臂在履带式机车的动力电机，共计10路信号。通过2.4G nRF24L01无线模块周期性地将12路控制信号发送出去，EZ Controller的执行端接收信号并执行同步动作。此外，EZ Controller接收端安装有OLED液晶屏幕，用于显示姿态等信息，便于实时查看控制信号量。

EZ Controller执行端的实物硬件主要由六自由度机械臂和履带式机车底盘构成，使机械臂不仅可以完成六自由度的运动，还可以通过履带式机车底盘完成平移运动，同时执行端的电路设计主要由驱动电路模块、信号采集模块、信号产生模块三部分组成。

首先，由于伺服电机使用舵机，若电路电压过高，则会损毁舵机驱动电路；若电压太低，则导致扭矩不足。故采用LM2956-ADJ集成可调降压芯片实现降压处理。LM2956-ADJ芯片组成电路属于开关型稳压电路，效率高，功率足，用来驱动舵机最为合适。

信号采集模块用以采集2.4 G nRF24L01无线模块接收到的信息，并融合机械臂端陀螺仪MPU6050采集的姿态角信息，产生10路PWM（脉宽调制）信号。其中两路PWM信号用来控制自稳云台舵机，通过单片机周期性地采集MPU6050陀螺仪的信号，使用PID算法实现闭环控制舵机，使得被控对象保持一定的角度，从而达到自稳效果。同时，另外两路PWM信号用来控制履带式机车主电机，通过线性转换PWM控制信号的占空比便可实现。其余6路信号分别控制六个自由度的机械臂舵机，线性转换PWM信号的占空比控制，从而控制整个EZ Controller执行端。6路姿态位置信号采集电路如图2所示。系统工作原理如图3所示。

3 创新点

（1）EZ Controller产品的核心特点即“Easy Control”，这种机械臂执行端自动同步跟踪遥控手柄动作的全新控制模式使用简单，操作者无门槛限制，轻巧灵便，自由度高，适应性强。

（2）EZ Controller实现了遥控手柄与执行机械臂成比例的体感控制，操作无死角，并实现了远程监控，控制距离可达2 000 m。

（3）EZ Controller执行端创新地增加了自稳定云台，可自动调整监视设备的绝对水平姿态，使监视设备实时保持与目标物的相对稳定状态，并在小于30°的摆幅下实现图像高度稳定，从而确保操作者获得高质量的图像画面。

（4）执行端机械臂的末端可以任意更换工作配件，即EZ Controller的延展性很强，便于将EZ Controller的控制模式应用于各种不同的场合。

（5）执行端采用履带底盘进行平面移动，环境适应能力强，可保证机械臂在崎岖不平路面上平稳工作。

4 市场前景

虽然程序控制或遥控按钮控制等传统机械臂控制技术已发展成熟，但对于大多数人来说，需先熟练掌握书写代码或掌握遥控手柄的控制方式，对操作者本身的专业功底有要求，且操作复杂、体验不佳。而EZ Controller实现了机械臂执行端自动同步跟踪遥控手柄动作的功能，为机械臂控制者提供了一种趣味性的操作和随心所欲的控制体验，并使机械臂的操作走向了大众化、简单化、智能化。由于现在机械臂的应用涵盖了工业加工、快递运输、机器人研究等领域，因此这种全新的机械臂控制模式必然会为整个机械臂应用行业带来新的发展方向。

同时，基于全新的机械臂控制模式EZ Controller具有很强的延展性，因此可根据客户的不同需求及不同领域的运用，通过改变机械臂的结构设计及执行末端的设计，将EZ Controller扩展出多样功能。另一方面，EZ Controller使用的是自主设计的动力舵机系统，在保证动力强劲的同时可有效降低产品成本，从而保证我们的产品拥有更好的发展前景。endprint