基于單片機(jī)的機(jī)械手臂控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王偉

（陽(yáng)煤集團(tuán)太原化工新材料有限公司，山西太原0330006）

引言

機(jī)械手臂是一種應(yīng)用非常廣泛的自動(dòng)化機(jī)械裝置，且目前在自動(dòng)化制造、救援、醫(yī)療、農(nóng)業(yè)和商業(yè)等領(lǐng)域都得到了廣泛應(yīng)用。隨著開(kāi)源硬件的研發(fā)，設(shè)計(jì)人員進(jìn)入機(jī)械電子學(xué)領(lǐng)域的難度明顯降低。其中，以Arduino平臺(tái)的發(fā)展最為迅猛。它是一款涵蓋軟、硬件的開(kāi)源電子原型平臺(tái)，允許設(shè)計(jì)人員按需改進(jìn)調(diào)整核心庫(kù)文件、軟件、硬件原理圖及電路圖。據(jù)此，本文筆者設(shè)計(jì)一款基于單片機(jī)的六自由度機(jī)械手臂，并重點(diǎn)論述機(jī)械手臂控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

1 設(shè)計(jì)方案

圖1所示是機(jī)械手臂控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖。

圖1 機(jī)械手臂控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

結(jié)合圖1，機(jī)械手臂是由機(jī)械系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)組成。機(jī)械系統(tǒng)是由旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)、機(jī)械連桿等串接而成的串聯(lián)式開(kāi)鏈結(jié)構(gòu)，其中關(guān)節(jié)的軸線存在相互垂直或平行的關(guān)系，能使相連連桿實(shí)現(xiàn)相對(duì)運(yùn)動(dòng)。電氣系統(tǒng)是機(jī)械手臂的控制系統(tǒng)，具體由單片機(jī)、舵機(jī)及舵機(jī)控制板系統(tǒng)等組成。其中，單片機(jī)系統(tǒng)負(fù)責(zé)下發(fā)機(jī)械手臂的控制指令。舵機(jī)系統(tǒng)由6個(gè)舵機(jī)組成，用于完成機(jī)械手臂的具體動(dòng)作，以調(diào)控其六個(gè)自由度。舵機(jī)控制板是基于Arduino的開(kāi)源硬件電路板，負(fù)責(zé)接收源自單片機(jī)系統(tǒng)的控制指令及以放大信號(hào)的方式驅(qū)動(dòng)各舵機(jī)。綜上設(shè)計(jì)方案，分別從軟、硬件的角度出發(fā)，探討基于單片機(jī)的機(jī)械手臂控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[1-2]。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 單片機(jī)系統(tǒng)

在機(jī)械手臂控制系統(tǒng)中，單片機(jī)系統(tǒng)是最為核心的控制裝置，其由單片機(jī)、電源模塊、按鍵電路、晶振電路及復(fù)位電路等組成。本設(shè)計(jì)選取80C51型單片機(jī)為主控制器，并將石英晶體振蕩電路接入單片機(jī)的XTAL1、2端口，將復(fù)位電路接入RST端口，將LCD顯示器LM016L接入P0.0-7端口，途徑上拉電阻，而其作用是顯示指令代碼[3]。

2.2 舵機(jī)系統(tǒng)

機(jī)械手臂的舵機(jī)系統(tǒng)由腕關(guān)節(jié)1與2舵機(jī)、肘關(guān)節(jié)1與2舵機(jī)、肩關(guān)節(jié)舵機(jī)及底座舵機(jī)等組成。本設(shè)計(jì)選取LF-20MG型舵機(jī)，其是一種直流電動(dòng)機(jī)，工作電壓4.8～6.6 V、扭矩范圍1.62～1.96 N·m，以向機(jī)械手臂提供動(dòng)作所需的扭矩[4]。

2.3 舵機(jī)控制板

在機(jī)械手臂控制系統(tǒng)中，舵機(jī)控制板屬于從機(jī)，即其僅可接受指令或執(zhí)行預(yù)設(shè)的命令。據(jù)此，舵機(jī)控制板先從單片機(jī)處獲得控制指令，再完成舵機(jī)控制。為了充分挖掘Arduino開(kāi)源硬件電路板的優(yōu)勢(shì)，本設(shè)計(jì)決定從Arduino平臺(tái)直接購(gòu)入舵機(jī)控制板，見(jiàn)圖2。

結(jié)合圖2，舵機(jī)控制板右上角的GND、TXD、RXD接口與單片機(jī)的GND、TXD、RXD端口對(duì)應(yīng)連接，負(fù)責(zé)接收源自單片機(jī)系統(tǒng)的控制指令；S1-32組合端口分別與32個(gè)舵機(jī)連接，且每一組合端口的S、+、-端口與每一舵機(jī)的信號(hào)控制極、電源正、負(fù)極對(duì)應(yīng)連接。

圖2 舵機(jī)控制板

3 軟件設(shè)計(jì)

對(duì)于機(jī)械手臂控制系統(tǒng)，其軟件設(shè)計(jì)的任務(wù)是先由單片機(jī)系統(tǒng)按機(jī)械手臂的動(dòng)作要求編寫(xiě)動(dòng)作指令，再發(fā)送至舵機(jī)控制板，然后由舵機(jī)控制板對(duì)舵機(jī)進(jìn)行控制，繼而實(shí)現(xiàn)機(jī)械手臂的具體動(dòng)作。例如，機(jī)械手臂在繪制“M”時(shí)，首先，計(jì)算、設(shè)置通信端口的參數(shù)；其次，計(jì)算每一舵機(jī)在機(jī)械手臂夾緊時(shí)的旋轉(zhuǎn)角度，并設(shè)置、輸出夾緊動(dòng)作組合；第三，依次計(jì)算每一舵機(jī)在機(jī)械手臂繪制“M”的第一筆畫(huà)（右上長(zhǎng)直線）、第二筆畫(huà)（右下短直線）、第三筆畫(huà)（右上短直線）、第四筆畫(huà)（右上短直線）時(shí)的旋轉(zhuǎn)角度，并分別設(shè)置、輸出每一筆畫(huà)的動(dòng)作組合；第四，計(jì)算每一舵機(jī)在機(jī)械手臂釋放時(shí)的旋轉(zhuǎn)角度，并設(shè)置、輸出釋放動(dòng)作組合[5-6]。在整個(gè)過(guò)程中，需要注意下列要點(diǎn)：

3.1 通信端口參數(shù)的計(jì)算與編程

機(jī)械手臂控制系統(tǒng)的單片機(jī)采取串行方式與舵機(jī)控制板實(shí)現(xiàn)通信。依據(jù)通信協(xié)議，停止位1位、數(shù)據(jù)位8位、無(wú)校驗(yàn)位、TTL電平及波特率9 600 bps。據(jù)此，要求采取下列公式算得串行端口定時(shí)器的初始值X：

其中，n表示定時(shí)器位數(shù)；SMOD表示串行端口控制寄存器的最高位；fOSC表示單片機(jī)時(shí)鐘的頻率；Baud表示串行接口通信的波特率。據(jù)此，倘若n=8位、Baud=9 600 bps、SMOD=1及fOSC=11.059 2 MHz，則X=250=FA，這是一個(gè)十六進(jìn)制數(shù)據(jù)。

對(duì)于單片機(jī)串行通信端口，其初始化程序如下：

viod artInitial ization（）

{

SCON=0x50；//8位異步串行通信口，模式1

PDON|=0x80；//SMOD=“1”

TMOD|=0x20；//定時(shí)器1，模式2,8位重裝

TH1=OxFA；//定時(shí)器初始值高8位

TL1=OxFA；//定時(shí)器初始值低8位

IE|=0x90；//允許串行中斷

TR1=1；//啟動(dòng)定時(shí)器1

EA=1；//允許所有中斷

}

3.2 舵機(jī)角度控制設(shè)置值的計(jì)算與編程

在機(jī)械手臂控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)中，要求通過(guò)單片機(jī)確定舵機(jī)角度控制的設(shè)置值，且其與舵機(jī)角度的位置值存在下列運(yùn)算關(guān)系：

式中：Ax表示舵機(jī)角度控制的設(shè)置值；Nx表示舵機(jī)角度位置值；Am、A0表示Ax的上限與下限；Nm、N0表示Nx的上限與下限。倘若Am、A0的數(shù)值分別是2500、500及Nm、N0的數(shù)值分別是180°、0°，則要想使Nx=90°，要求單片機(jī)程序軟件的Ax=1500。

舵機(jī)控制板是實(shí)現(xiàn)單片機(jī)控制舵機(jī)運(yùn)行的關(guān)鍵。例如，在控制單個(gè)舵機(jī)時(shí)，舵機(jī)角度控制的設(shè)置值按#1P1500T100 的格式編程。其中，1表示舵機(jī)通道；1500表示舵機(jī)角度控制的設(shè)置值或指舵機(jī)旋轉(zhuǎn)的角度，一般在500～2500之間取值；100表示執(zhí)行時(shí)間，一般在100～9 999 ms之間取值。據(jù)此，單片機(jī)控制舵機(jī)角度的編程如下：

void main（）

{

Uart Initialization（）；//串行通信端口初始化

Uart Send String（“#1P1500T100 ”）；//S1號(hào)舵機(jī)在100 ms內(nèi)旋轉(zhuǎn)90°

while（1）；

}

void Uart Send String（uchar*pStr）//串行通信端口發(fā)送一個(gè)字符串

{

while（*pStr！=0）

{

SBUF=*pStr++

while9=（T1=0）；

T1=0；

}

}

4 結(jié)論

1）通過(guò)設(shè)計(jì)制作的實(shí)物可知，文中提出的基于單片機(jī)的六自由度機(jī)械手臂設(shè)計(jì)方案具有可行性，且準(zhǔn)確度很高。對(duì)于基于單片機(jī)的六自由度機(jī)械手臂控制方案，直接從Arduino平臺(tái)上購(gòu)入舵機(jī)控制板，可使Arduino開(kāi)源硬件電路板的設(shè)計(jì)、制造與技術(shù)開(kāi)放優(yōu)勢(shì)得以充分發(fā)揮。據(jù)此，機(jī)械手臂控制系統(tǒng)以單片機(jī)系統(tǒng)為控制核心，可以快速完成方案設(shè)計(jì)、實(shí)物制作、硬件開(kāi)發(fā)及軟件編程。

2）單片機(jī)與Arduino平臺(tái)為六自由度機(jī)械手臂控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供了一種難度更低的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)思路，可快速完成機(jī)械手臂的設(shè)計(jì)制作。

[1]張濤，王炎.基于單片機(jī)和Arduino平臺(tái)的六自由度可控機(jī)械手臂[J].電氣自動(dòng)化，2016（6）：97-99；107.

[2]林森，呂慶軍，李金欣.基于PLC控制的五自由度機(jī)械手臂驅(qū)動(dòng)電機(jī)研制[J].產(chǎn)業(yè)與科技論壇，2017（3）：44-45.

[3]王偉.淺析機(jī)械式自動(dòng)噴霧手臂的原理及方法[J].科學(xué)咨詢(xún)，2013（1）：51-52.

[4]盛磊，黃永根.基于PC和單片機(jī)的物料自動(dòng)提取裝置設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2013（19）：10-11.

[5]謝明江，韓建文.基于多路舵機(jī)的素描機(jī)械手臂設(shè)計(jì)[J].軟件，2013（4）：88-89；108.

[6]盧建設(shè)，陳兆陽(yáng).基于單片機(jī)的多自由度機(jī)械手臂設(shè)計(jì)[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2013（3）：115.