基于單片機(jī)的機(jī)械臂的研究

馬瑤瑤

摘要：工業(yè)機(jī)器人是現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的融合下的產(chǎn)物，屬于機(jī)電自動(dòng)化設(shè)備的一種。機(jī)械臂作為工業(yè)機(jī)器人的核心，在提高工業(yè)生產(chǎn)效率的同時(shí)，也保障了工作人員的身心安全。本文以某款基于單片機(jī)的機(jī)械臂為例，對機(jī)械臂的設(shè)計(jì)方法和實(shí)現(xiàn)功能進(jìn)行簡要概述，希望為相關(guān)行業(yè)提供借鑒。

關(guān)鍵詞：單片機(jī);機(jī)械臂;定時(shí)器

0 ?引言

在科學(xué)技術(shù)高速發(fā)展的今天，工業(yè)機(jī)器人實(shí)現(xiàn)了普及應(yīng)用，尤其是在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域，工業(yè)制造、機(jī)械制造行業(yè)的部分工業(yè)生產(chǎn)鏈已經(jīng)完全由工業(yè)機(jī)器人組成，工作人員僅需通過程序控制，即可在規(guī)定時(shí)間內(nèi)保質(zhì)保量的完成生產(chǎn)任務(wù)。機(jī)械臂作為工業(yè)機(jī)器人的核心，受到了技術(shù)人員的高度關(guān)注。因此對此項(xiàng)課題進(jìn)行研究，其意義十分重大。

1 ?機(jī)械結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)

1.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)

現(xiàn)階段，機(jī)械臂的動(dòng)力驅(qū)動(dòng)方式主要包括三種：第一種是繩索式;第二種是氣動(dòng)式;第三種為齒輪式。在這三種驅(qū)動(dòng)方式中，應(yīng)用頻率是最高的驅(qū)動(dòng)方式為齒輪式，究其原因，主要是這種驅(qū)動(dòng)方式與其他兩種相比，在傳動(dòng)精度、體積、運(yùn)行效率和穩(wěn)定性方面優(yōu)勢顯著[1]。制造工業(yè)的高速發(fā)展，對機(jī)械臂而言可謂是嚴(yán)峻的考驗(yàn)，多自由度、高速度和精度逐漸成為了機(jī)械臂未來發(fā)展的方向，本文所研究的機(jī)械臂其運(yùn)動(dòng)方式為齒輪式。這種基于單片機(jī)的機(jī)械臂，屬于四自由度機(jī)械臂，所采取的控制方式為舵機(jī)控制，其中1號舵機(jī)可以對底座進(jìn)行控制、是自由旋轉(zhuǎn)功能實(shí)現(xiàn)的保障。機(jī)械臂的上下運(yùn)動(dòng)由2號舵機(jī)控制。末端機(jī)械抓水平傾角由3號舵機(jī)控制，而最后一個(gè)舵機(jī)可以起到控制機(jī)械爪開合的作用。在機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)過程中，為了確保機(jī)械臂運(yùn)行的精度，將數(shù)字舵機(jī)作為2號舵機(jī)的主要內(nèi)容。

1.2 控制系統(tǒng)

基于單片機(jī)的機(jī)械臂，其控制系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對機(jī)械臂舵機(jī)的有效控制，具體原理為控制系統(tǒng)會通過發(fā)送PWM波的方式驅(qū)動(dòng)舵機(jī)工作。在這個(gè)過程中，PWM波就是所謂的控制信號。在選擇主控器型號時(shí)，需要將PWM波的生成作為依據(jù)。

目前，關(guān)于PWM信號的生成方法主要包括以下幾種，分別為模擬電路生成、可編程邏輯器生成以及單片機(jī)生成，在經(jīng)過綜合比較后發(fā)現(xiàn)第三種PWM信號生成方法優(yōu)勢顯著，具有良好的可靠性和性價(jià)比，故將這種方式作為選擇。

1.3 控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)的功能

本文所提出的機(jī)械臂結(jié)構(gòu)方案，其動(dòng)力系統(tǒng)由單片機(jī)和舵機(jī)構(gòu)成，其中單片機(jī)作為主控器，在發(fā)出控制信號后驅(qū)動(dòng)舵機(jī)完成動(dòng)作。這個(gè)機(jī)械臂的關(guān)節(jié)數(shù)量為四個(gè)，且每個(gè)關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)的幅度均為180°，在舵機(jī)的驅(qū)動(dòng)作用下做出夾取物件的動(dòng)作。

1.4 舵機(jī)工作原理和控制方法

1.4.1 舵機(jī)組成

舵機(jī)是機(jī)械臂的重要組成裝置，其設(shè)計(jì)效果會直接影響機(jī)械臂功能的實(shí)現(xiàn)。在查閱資料后得知，位置反饋電位計(jì)、直流電機(jī)、舵盤是舵機(jī)的主要構(gòu)成，其內(nèi)部還包括多條線路、除電源線和控制線外，還有輸入線，這些線路在顏色上存在差異，為便于區(qū)分，故在實(shí)際設(shè)計(jì)中使電源線為紅色，地線為黑色，而輸入線為白色。其中地線和電源負(fù)責(zé)舵機(jī)能源的提供。舵機(jī)電源電壓的規(guī)格為兩種，如果轉(zhuǎn)矩要求較高，則選擇7.2V的電源電壓，反之則選擇4.8V的電壓。白色輸入線負(fù)責(zé)PWM信號的接收和傳輸[2]。

1.4.2 舵機(jī)的工作原理

在PWM控制信號通過信號線被舵機(jī)接收后，電機(jī)就會在信號的驅(qū)動(dòng)下開始轉(zhuǎn)動(dòng)，在電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的同時(shí)，減速齒輪組會向輸出舵盤傳動(dòng)，舵機(jī)中的反饋電位計(jì)、電位計(jì)等裝置，會以PWM控制信號為標(biāo)準(zhǔn)對比輸出電壓信號，隨后由控制電路板將所在位置作為依據(jù)，對電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)方向和速度進(jìn)行控制。

2 ?系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

本文所提出的機(jī)械臂，控制系統(tǒng)的主控器為單片機(jī)，故單片機(jī)和電路性能與系統(tǒng)整體性能存在密切關(guān)聯(lián)，故在設(shè)計(jì)機(jī)械臂時(shí)，必須選擇合適的單片機(jī)，同時(shí)做好外圍電路的設(shè)計(jì)。在綜合對比后，將某科技公司生產(chǎn)的STC單片機(jī)作為主要選擇，究其原因，主要是這款單片機(jī)功能先進(jìn)，且兼容性和抗干擾能力較強(qiáng)，將其作為主要選擇，可以保證機(jī)械臂的整體性能。外圍電路的設(shè)計(jì)要點(diǎn)如下所述：

2.1 設(shè)計(jì)時(shí)鐘電路

外部時(shí)鐘信號以及振蕩器，可以作為獲取時(shí)鐘源的方式。但就實(shí)際情況而言，單片機(jī)時(shí)鐘源的獲取方式，主要是外部輸入，究其原因，主要是這種外部輸入的時(shí)鐘源，與振蕩器相比具有靈活性方面的優(yōu)勢，在選擇過程中可以將處理速度作為依據(jù)，從而保證所選時(shí)鐘芯片的頻率與處理速度相符。

2.2 設(shè)計(jì)復(fù)位電路

單片機(jī)內(nèi)電路的初始化，需要依靠復(fù)位操作實(shí)現(xiàn)，在初始化完成后，單片機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)會由未知轉(zhuǎn)變?yōu)橐阎?。以本文所設(shè)計(jì)的單片機(jī)機(jī)械臂為例，在單片機(jī)復(fù)位引腳RST高電平時(shí)間超過5ms時(shí)，則表明復(fù)位操作目的達(dá)成。在電源線正式供電后，電容狀態(tài)會變?yōu)槌潆姞顟B(tài)，RST也會因此進(jìn)入高電平時(shí)間，這個(gè)時(shí)間由供電時(shí)長決定。此外，在單片機(jī)的正常運(yùn)行階段，工作人員將復(fù)位鍵開啟，同樣是進(jìn)入高電平時(shí)間的有效方式。

2.3 設(shè)計(jì)控制器電源電路

基于單片機(jī)的機(jī)械臂控制器采用了額定電壓220V的電源，但考慮到電路需要的電壓僅為5V，故通過變壓器以及三端穩(wěn)壓芯片的使用，確保電源電壓與電路需求的電壓相符。

目前，常用的三端穩(wěn)壓芯片包括兩個(gè)系列，第一種為正電壓輸出系列;另一種為負(fù)電壓輸出系列。所謂三端由三個(gè)引腳構(gòu)成，這些引腳分別代表輸出、輸出和接地端。選擇這種芯片作為穩(wěn)壓電源，其優(yōu)勢為應(yīng)用成本低廉，且運(yùn)行可靠性高，同時(shí)還具有保護(hù)電路的作用。在計(jì)算后得知，該芯片的最高輸出功率僅為7.5W，使用一片即可滿足機(jī)械臂設(shè)計(jì)要求[3]。

2.4 舵機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，舵機(jī)運(yùn)行對電源的要求較高，簡言之，就是在設(shè)計(jì)過程中，必須為舵機(jī)設(shè)置單獨(dú)的電源，以此來規(guī)避單片機(jī)和舵機(jī)相互干擾的問題。這樣控制系統(tǒng)中的電源數(shù)量就會由一個(gè)變?yōu)閮蓚€(gè)。此外，還要選擇大功率的開關(guān)電源。

2.5 設(shè)計(jì)通信電路

機(jī)械臂所選擇的單片機(jī)的串行通信口數(shù)量為兩個(gè)，便于計(jì)算機(jī)與單片相連接。但在實(shí)際串聯(lián)時(shí)，必須要注意電平匹配的問題。如果計(jì)算機(jī)和單片機(jī)在串口電平上不匹配，需要設(shè)置電平轉(zhuǎn)換電路，以起到協(xié)調(diào)串口電平的目的。針對此項(xiàng)問題，本設(shè)計(jì)所采取的方式為應(yīng)用MAX232電平轉(zhuǎn)換芯片。這種轉(zhuǎn)換方式與傳統(tǒng)方式相比更加先進(jìn)，且較為簡便。

3 ?系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 編程語言的選擇

在科學(xué)技術(shù)普及應(yīng)用的背景下，單片機(jī)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了快速發(fā)展，具體表現(xiàn)為相關(guān)理論日益完善，研究者數(shù)量不斷增加。與之相匹配的編程語言正處在發(fā)展完善的階段。目前C語言、匯編語言以及BASIC語言應(yīng)用效果較為顯著。本系統(tǒng)在設(shè)計(jì)過程中，所選擇的編程語言為C語言，這種語言適用性較強(qiáng)，且具備豐富的數(shù)據(jù)類型和運(yùn)算符號。其優(yōu)點(diǎn)如下所述：

①在編程階段，無需對內(nèi)部寄存器和存儲器進(jìn)行考慮，可以節(jié)省不必要的編程時(shí)間;

②程序的組成部分為若干個(gè)函數(shù)，具備模塊化結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn);

③所需子程序可以被直接應(yīng)用，有利于編程效率的提升;

④可以與其他編程語言共同應(yīng)用。

3.2 機(jī)械臂軌跡規(guī)劃

在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域，工業(yè)機(jī)器人的在生產(chǎn)流水線上發(fā)揮了關(guān)鍵性的作用。機(jī)械臂作為工業(yè)機(jī)器人的一種，能夠完成復(fù)雜且重復(fù)性的操作，這正是本文設(shè)計(jì)機(jī)械臂的基礎(chǔ)。為確保機(jī)械臂能夠保質(zhì)保量的完成操作，需要在正式運(yùn)行之前，通過編程方法的應(yīng)用，對其運(yùn)行軌跡進(jìn)行設(shè)計(jì)和規(guī)劃，促使其在實(shí)際操作階段按照預(yù)定的軌跡運(yùn)行。

為保證機(jī)械臂在運(yùn)行階段的穩(wěn)定性，需要采取有效的方法，確保機(jī)械臂各關(guān)節(jié)不會在運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生劇烈波動(dòng)。目前最常用的方法為對關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)增量突變現(xiàn)象進(jìn)行規(guī)避。與此同時(shí)，合理規(guī)劃機(jī)械臂自由度的位置姿態(tài)，有助于實(shí)現(xiàn)預(yù)期的目的，通俗來講，就是通過設(shè)定機(jī)械臂控制參數(shù)的方法，實(shí)現(xiàn)對自由度的有效控制。

結(jié)合上文可知，機(jī)械臂的最大轉(zhuǎn)動(dòng)角度為180°，而脈沖寬度最大不超過2.5m，與之相匹配的占空比參數(shù)為25000。故在組裝階段，必須提前對關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng)范圍進(jìn)行考慮，一般情況下，如果堵轉(zhuǎn)小于10s，則可以被舵機(jī)所接受，設(shè)計(jì)人員需要以這個(gè)數(shù)值為標(biāo)準(zhǔn)，合理調(diào)節(jié)舵機(jī)，控制堵轉(zhuǎn)狀態(tài)的持續(xù)時(shí)間。在初始測試階段，所采取的測試方法最好為單獨(dú)測試，簡而言之，就是針對各個(gè)關(guān)節(jié)展開測試，在測試某一關(guān)節(jié)的舵機(jī)時(shí)，其他關(guān)節(jié)的舵機(jī)不能通電。然后依據(jù)測試結(jié)果，確定機(jī)械臂的初始位置。這里所說的初始位置就是指復(fù)位狀態(tài)，在這個(gè)狀態(tài)下，機(jī)械臂平衡性較強(qiáng)，便于其完成設(shè)計(jì)動(dòng)作。在關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)范圍確定后，需要進(jìn)行舵機(jī)運(yùn)動(dòng)范圍中間值的設(shè)定，本文所設(shè)置的中間值為占空比參數(shù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，這種設(shè)計(jì)方法的應(yīng)用，可以保障機(jī)械臂的運(yùn)行質(zhì)量。

4 ?結(jié)論

綜上所述，工業(yè)機(jī)器人是科學(xué)技術(shù)融合發(fā)展的產(chǎn)物，自進(jìn)入信息化時(shí)代后，人類對于工業(yè)機(jī)器人的效率產(chǎn)生了深刻的認(rèn)識，在此背景下，逐漸加強(qiáng)了對機(jī)械臂控制系統(tǒng)的研究。就事實(shí)而言，工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用，在一定程度上改變了工業(yè)生產(chǎn)方式，但這項(xiàng)研究具有周期性和復(fù)雜性的特點(diǎn)，需要漫長的發(fā)展過程，僅依靠少部分研究者的力量，無法推動(dòng)這項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展。因此，建議相關(guān)企業(yè)和研究機(jī)構(gòu)重視這項(xiàng)技術(shù)的研究和應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)：

[1]曲鳴飛，陳楠.基于單片機(jī)的機(jī)械設(shè)備顯示器觸摸屏控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].內(nèi)燃機(jī)與配件，2019（13）：277-279.

[2]劉彬，董居林，羅序俊，等.基于stm32f103c8t6單片機(jī)的主從式桌面機(jī)械臂的設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代制造技術(shù)與裝備，2019（02）：109-110.

[3]宋東亞.基于單片機(jī)的機(jī)械臂運(yùn)行軌跡在線控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2018，41（18）：174-177.

[4]馮帥，周一凡，湯茗堯，等.基于單片機(jī)的拾取機(jī)械臂系統(tǒng)設(shè)計(jì)與控制[J].電工技術(shù)，2019，（18）：12-13，18.

[5]宋東亞.基于單片機(jī)的機(jī)械臂運(yùn)行軌跡在線控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2018，41（18）：174-177.