如何创建FPGA控制的机器人手臂？

机器人技术处于工业 4.0、人工智能和边缘革命的前沿。让我们看看如何创建 FPGA 控制的机器人手臂。

介绍

机器人技术与人工智能和机器学习一起处于工业 4.0 和边缘革命的最前沿。

因此，我认为创建一个基础机器人手臂项目会很有趣，我们可以回过头来添加几个功能，例如：

• 逆运动学 - 确定末端执行器的位置。
• AI / ML - 操作期间的对象分类。
• 网络控制——实现边缘远程控制。

此示例将使用一个机器人手臂，该机器人手臂在 Zynq SoC 的控制六个伺服系统。可以使用简单的软件界面或使用两个操纵杆进行直接控制。

伺服控制

我们需要做的第一件事是弄清楚如何控制伺服位置。伺服电机是最简单的驱动电机之一，也是机器人技术的理想选择，因为只要我们保持相同的驱动信号，它们就能保持相对位置。

那么伺服的驱动信号是什么呢？我们使用的同类伺服系统中的大多数都使用 60Hz PWM 波形。在 60Hz 波形的 16.66 ms 周期中，信号将在 0.5 ms 到 2.5 ms 之间为高电平。信号的持续时间将驱动伺服器在 0 到 180 度之间运动。

0.5 ms 脉冲驱动 0 度位置，而 2.5 ms 脉冲将驱动 180 度位置。因此，可以通过将信号驱动为 1.5 ms 脉冲来维持 90 度。

因此，增加或减少脉冲13.9 us宽度会使舵机移动 1 度。

接下来要解决的是如何生成驱动信号，PWM 扩展板（上图）使用四个 8 位寄存器来驱动每个 PWM 信号。

on 寄存器定义信号变高的计数，off 寄存器定义信号变低的计数。

因此，我们可以将开启时间设置为 0，然后定义关闭信号的计数，以获得所需的信号宽度。

Vivado 构建

• Zynq PS - 这是 Zynq 处理系统
• AXI IIC - 在 PL 中实现的 I2C 接口

一旦完成了PL设计，我们就可以构建设计并将其导出到软件。

软件设计

我们将在软件中开发大部分应用程序。由于我们希望在多种模式下使用它，并在将来进行升级时使用它，因此我们需要一种模块化方法。

因此，为每个关节开发了一个可以根据需要调用和使用的函数。每个关节都能够接收无符号的 8 位值，然后将该 8 位值与 90 度 (1.5 ms) 脉冲宽度相加或相减，以获得所需的角度。

我这样做有几个原因：

• 单个 RS232 字节可以包含所需的电机位置。
• 从操纵杆读取的值也是 8 位。

因此，我们需要确保操纵杆和手臂之间的运动对齐。

两个操纵杆中，第一个连接到 JA，第二个连接到 JB（JA和JB是PMOD接口，就是普通的GPIO）。

JA 当沿 X 方向移动时，将向前或向后移动手臂；当沿 Y 方向移动时，它将上下移动手臂。

JB 在 X 方向移动时会旋转手腕，在 Y 方向移动时会上下移动手腕。

每个移动函数的代码都非常相似，并且可以在后面提供的代码找到，但是，下面提供了向上向下函数以供参考

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);  
 }

软件应用程序结构的其余部分是：

• 初始化 PWM 扩展板和 Pmod 操纵杆。
• 对手臂进行自检并将所有伺服系统定位在 90 度。
• 通过 RS232 接收命令或来自操纵杆的命令。

当然，如果我们希望在命令中进行硬编码来执行重复任务，我们也可以。

初步测试

一旦 Vivado 构建和初始软件可用，下一步就是确保软件能够正确移动伺服系统。

当移动操纵杆时，可以使用示波器测量 PWM 信号。

随着操纵杆的移动，脉冲宽度逐渐从 0.5 ms 变为 2.5 ms。