如何創建FPGA控制的機器人手臂？

機器人技術處于工業 4.0、人工智能和邊緣革命的前沿。讓我們看看如何創建 FPGA 控制的機器人手臂。

介紹

機器人技術與人工智能和機器學習一起處于工業 4.0 和邊緣革命的最前沿。

因此，我認為創建一個基礎機器人手臂項目會很有趣，我們可以回過頭來添加幾個功能，例如：

• 逆運動學 - 確定末端執行器的位置。
• AI / ML - 操作期間的對象分類。
• 網絡控制——實現邊緣遠程控制。

此示例將使用一個機器人手臂，該機器人手臂在 Zynq SoC 的控制六個伺服系統?？梢允褂煤唵蔚能浖缑婊蚴褂脙蓚€操縱桿進行直接控制。

伺服控制

我們需要做的第一件事是弄清楚如何控制伺服位置。伺服電機是最簡單的驅動電機之一，也是機器人技術的理想選擇，因為只要我們保持相同的驅動信號，它們就能保持相對位置。

那么伺服的驅動信號是什么呢？我們使用的同類伺服系統中的大多數都使用 60Hz PWM 波形。在 60Hz 波形的 16.66 ms 周期中，信號將在 0.5 ms 到 2.5 ms 之間為高電平。信號的持續時間將驅動伺服器在 0 到 180 度之間運動。

0.5 ms 脈沖驅動 0 度位置，而 2.5 ms 脈沖將驅動 180 度位置。因此，可以通過將信號驅動為 1.5 ms 脈沖來維持 90 度。

因此，增加或減少脈沖13.9 us寬度會使舵機移動 1 度。

接下來要解決的是如何生成驅動信號，PWM 擴展板（上圖）使用四個 8 位寄存器來驅動每個 PWM 信號。

on 寄存器定義信號變高的計數，off 寄存器定義信號變低的計數。

因此，我們可以將開啟時間設置為 0，然后定義關閉信號的計數，以獲得所需的信號寬度。

Vivado 構建

• Zynq PS - 這是 Zynq 處理系統
• AXI IIC - 在 PL 中實現的 I2C 接口

一旦完成了PL設計，我們就可以構建設計并將其導出到軟件。

軟件設計

我們將在軟件中開發大部分應用程序。由于我們希望在多種模式下使用它，并在將來進行升級時使用它，因此我們需要一種模塊化方法。

因此，為每個關節開發了一個可以根據需要調用和使用的函數。每個關節都能夠接收無符號的 8 位值，然后將該 8 位值與 90 度 (1.5 ms) 脈沖寬度相加或相減，以獲得所需的角度。

我這樣做有幾個原因：

• 單個 RS232 字節可以包含所需的電機位置。
• 從操縱桿讀取的值也是 8 位。

因此，我們需要確保操縱桿和手臂之間的運動對齊。

兩個操縱桿中，第一個連接到 JA，第二個連接到 JB（JA和JB是PMOD接口，就是普通的GPIO）。

JA 當沿 X 方向移動時，將向前或向后移動手臂；當沿 Y 方向移動時，它將上下移動手臂。

JB 在 X 方向移動時會旋轉手腕，在 Y 方向移動時會上下移動手腕。

每個移動函數的代碼都非常相似，并且可以在后面提供的代碼找到，但是，下面提供了向上向下函數以供參考

void up_dwn(u8 YData){  
 SendBuffer[0] = 0x0A;  
 SendBuffer[1] = 0x00;  
 XIic_Send(iic.BaseAddress,IIC_SLAVE_ADDR,(u8 *)&SendBuffer, sizeof(SendBuffer),XIIC_STOP);  
 SendBuffer[0] = 0x0B;  
 SendBuffer[1] = 0x00;  
 XIic_Send(iic.BaseAddress,IIC_SLAVE_ADDR,(u8 *)&SendBuffer, sizeof(SendBuffer),XIIC_STOP);  
 SendBuffer[0] = 0x0C;  
 u16 signal;  
 if( YData < 128 ){  
  signal = 122 + (YData * 1.91);  
 }  
 else if (YData == 128){  
  signal = 369;  
 }  
 else{  
  signal = 369 + ((YData - 128) * 1.91);  
 }  
 u8 cent_l_off, cent_h_off;  
 cent_l_off = (u8)signal;  
 cent_h_off = (u8) (signal >>8);  
 SendBuffer[1] = cent_l_off;  
 XIic_Send(iic.BaseAddress,IIC_SLAVE_ADDR,(u8 *)&SendBuffer, sizeof(SendBuffer),XIIC_STOP);  
 SendBuffer[0] = 0x0D;  
 SendBuffer[1] = cent_h_off;  
 XIic_Send(iic.BaseAddress,IIC_SLAVE_ADDR,(u8 *)&SendBuffer, sizeof(SendBuffer),XIIC_STOP);  
 }

軟件應用程序結構的其余部分是：

• 初始化 PWM 擴展板和 Pmod 操縱桿。
• 對手臂進行自檢并將所有伺服系統定位在 90 度。
• 通過 RS232 接收命令或來自操縱桿的命令。

當然，如果我們希望在命令中進行硬編碼來執行重復任務，我們也可以。

初步測試

一旦 Vivado 構建和初始軟件可用，下一步就是確保軟件能夠正確移動伺服系統。

當移動操縱桿時，可以使用示波器測量 PWM 信號。

隨著操縱桿的移動，脈沖寬度逐漸從 0.5 ms 變為 2.5 ms。