單片機的機械臂研究
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摘要：工業(yè)機器人是現(xiàn)代科學技術(shù)的融合下的產(chǎn)物，屬于機電自動化設(shè)備的一種。機械臂作為工業(yè)機器人的核心，在提高工業(yè)生產(chǎn)效率的同時，也保障了工作人員的身心安全。本文以某款基于單片機的機械臂為例，對機械臂的設(shè)計方法和實現(xiàn)功能進行簡要概述，希望為相關(guān)行業(yè)提供借鑒。
關(guān)鍵詞：單片機；機械臂；定時器
引言
在科學技術(shù)高速發(fā)展的今天，工業(yè)機器人實現(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)機器人組成，工作人員僅需通過程序控制，即可在規(guī)定時間內(nèi)保質(zhì)保量的完成生產(chǎn)任務(wù)。機械臂作為工業(yè)機器人的核心，受到了技術(shù)人員的高度關(guān)注。因此對此項課題進行研究，其意義十分重大。
1機械結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)
1.1機械結(jié)構(gòu)
現(xiàn)階段，機械臂的動力驅(qū)動方式主要包括三種：第一種是繩索式；第二種是氣動式；第三種為齒輪式。在這三種驅(qū)動方式中，應(yīng)用頻率是最高的驅(qū)動方式為齒輪式，究其原因，主要是這種驅(qū)動方式與其他兩種相比，在傳動精度、體積、運行效率和穩(wěn)定性方面優(yōu)勢顯著[1]。制造工業(yè)的高速發(fā)展，對機械臂而言可謂是嚴峻的考驗，多自由度、高速度和精度逐漸成為了機械臂未來發(fā)展的方向，本文所研究的機械臂其運動方式為齒輪式。這種基于單片機的機械臂，屬于四自由度機械臂，所采取的控制方式為舵機控制，其中1號舵機可以對底座進行控制、是自由旋轉(zhuǎn)功能實現(xiàn)的保障。機械臂的上下運動由2號舵機控制。末端機械抓水平傾角由3號舵機控制，而最后一個舵機可以起到控制機械爪開合的作用。在機械臂運動過程中，為了確保機械臂運行的精度，將數(shù)字舵機作為2號舵機的主要內(nèi)容。
1.2控制系統(tǒng)
基于單片機的機械臂，其控制系統(tǒng)可以實現(xiàn)對機械臂舵機的有效控制，具體原理為控制系統(tǒng)會通過發(fā)送PWM波的方式驅(qū)動舵機工作。在這個過程中，PWM波就是所謂的控制信號。在選擇主控器型號時，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比，故將這種方式作為選擇。
1.3控制系統(tǒng)的實現(xiàn)的功能
本文所提出的機械臂結(jié)構(gòu)方案，其動力系統(tǒng)由單片機和舵機構(gòu)成，其中單片機作為主控器，在發(fā)出控制信號后驅(qū)動舵機完成動作。這個機械臂的關(guān)節(jié)數(shù)量為四個，且每個關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動的幅度均為180°，在舵機的驅(qū)動作用下做出夾取物件的動作。
1.4舵機工作原理和控制方法
1.4.1舵機組成舵機是機械臂的重要組成裝置，其設(shè)計效果會直接影響機械臂功能的實現(xiàn)。在查閱資料后得知，位置反饋電位計、直流電機、舵盤是舵機的主要構(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，故在實際設(shè)計中使電源線為紅色，地線為黑色，而輸入線為白色。其中地線和電源負責舵機能源的提供。舵機電源電壓的規(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。白色輸入線負責PWM信號的接收和傳輸[2]。
1.4.2舵機的工作原理在PWM控制信號通過信號線被舵機接收后，電機就會在信號的驅(qū)動下開始轉(zhuǎn)動，在電機轉(zhuǎn)動的同時，減速齒輪組會向輸出舵盤傳動，舵機中的反饋電位計、電位計等裝置，會以PWM控制信號為標準對比輸出電壓信號，隨后由控制電路板將所在位置作為依據(jù)，對電機轉(zhuǎn)動方向和速度進行控制。
2系統(tǒng)硬件電路設(shè)計
本文所提出的機械臂，控制系統(tǒng)的主控器為單片機，故單片機和電路性能與系統(tǒng)整體性能存在密切關(guān)聯(lián)，故在設(shè)計機械臂時，必須選擇合適的單片機，同時做好外圍電路的設(shè)計。在綜合對比后，將某科技公司生產(chǎn)的STC單片機作為主要選擇，究其原因，主要是這款單片機功能先進，且兼容性和抗干擾能力較強，將其作為主要選擇，可以保證機械臂的整體性能。外圍電路的設(shè)計要點如下所述：
2.1設(shè)計時鐘電路
外部時鐘信號以及振蕩器，可以作為獲取時鐘源的方式。但就實際情況而言，單片機時鐘源的獲取方式，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)，從而保證所選時鐘芯片的頻率與處理速度相符。
2.2設(shè)計復(fù)位電路
單片機內(nèi)電路的初始化，需要依靠復(fù)位操作實現(xiàn)，在初始化完成后，單片機的運行狀態(tài)會由未知轉(zhuǎn)變?yōu)橐阎Ｒ员疚乃O(shè)計的單片機機械臂為例，在單片機復(fù)位引腳RST高電平時間超過5ms時，則表明復(fù)位操作目的達成。在電源線正式供電后，電容狀態(tài)會變?yōu)槌潆姞顟B(tài)，RST也會因此進入高電平時間，這個時間由供電時長決定。此外，在單片機的正常運行階段，工作人員將復(fù)位鍵開啟，同樣是進入高電平時間的有效方式。
2.3設(shè)計控制器電源電路
基于單片機的機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)壓芯片包括兩個系列，第一種為正電壓輸出系列；另一種為負電壓輸出系列。所謂三端由三個引腳構(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，且運行可靠性高，同時還具有保護電路的作用。在計算后得知，該芯片的最高輸出功率僅為7.5W，使用一片即可滿足機械臂設(shè)計要求[3]。
2.4舵機驅(qū)動電路
實驗結(jié)果表明，舵機運行對電源的要求較高，簡言之，就是在設(shè)計過程中，必須為舵機設(shè)置單獨的電源，以此來規(guī)避單片機和舵機相互干擾的問題。這樣控制系統(tǒng)中的電源數(shù)量就會由一個變?yōu)閮蓚€。此外，還要選擇大功率的開關(guān)電源。
2.5設(shè)計通信電路
機械臂所選擇的單片機的串行通信口數(shù)量為兩個，便于計算機與單片相連接。但在實際串聯(lián)時，必須要注意電平匹配的問題。如果計算機和單片機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。針對此項問題，本設(shè)計所采取的方式為應(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，且較為簡便。
3系統(tǒng)軟件設(shè)計
3.1編程語言的選擇
在科學技術(shù)普及應(yīng)用的背景下，單片機技術(shù)實現(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)計過程中，所選擇的編程語言為C語言，這種語言適用性較強，且具備豐富的數(shù)據(jù)類型和運算符號。其優(yōu)點如下所述：①在編程階段，無需對內(nèi)部寄存器和存儲器進行考慮，可以節(jié)省不必要的編程時間；②程序的組成部分為若干個函數(shù)，具備模塊化結(jié)構(gòu)的優(yōu)點；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機械臂軌跡規(guī)劃
在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域，工業(yè)機器人的在生產(chǎn)流水線上發(fā)揮了關(guān)鍵性的作用。機械臂作為工業(yè)機器人的一種，能夠完成復(fù)雜且重復(fù)性的操作，這正是本文設(shè)計機械臂的基礎(chǔ)。為確保機械臂能夠保質(zhì)保量的完成操作，需要在正式運行之前，通過編程方法的應(yīng)用，對其運行軌跡進行設(shè)計和規(guī)劃，促使其在實際操作階段按照預(yù)定的軌跡運行。為保證機械臂在運行階段的穩(wěn)定性，需要采取有效的方法，確保機械臂各關(guān)節(jié)不會在運行時產(chǎn)生劇烈波動。目前最常用的方法為對關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動增量突變現(xiàn)象進行規(guī)避。與此同時，合理規(guī)劃機械臂自由度的位置姿態(tài)，有助于實現(xiàn)預(yù)期的目的，通俗來講，就是通過設(shè)定機械臂控制參數(shù)的方法，實現(xiàn)對自由度的有效控制。結(jié)合上文可知，機械臂的最大轉(zhuǎn)動角度為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)動范圍進行考慮，一般情況下，如果堵轉(zhuǎn)小于10s，則可以被舵機所接受，設(shè)計人員需要以這個數(shù)值為標準，合理調(diào)節(jié)舵機，控制堵轉(zhuǎn)狀態(tài)的持續(xù)時間。在初始測試階段，所采取的測試方法最好為單獨測試，簡而言之，就是針對各個關(guān)節(jié)展開測試，在測試某一關(guān)節(jié)的舵機時，其他關(guān)節(jié)的舵機不能通電。然后依據(jù)測試結(jié)果，確定機械臂的初始位置。這里所說的初始位置就是指復(fù)位狀態(tài)，在這個狀態(tài)下，機械臂平衡性較強，便于其完成設(shè)計動作。在關(guān)節(jié)運動范圍確定后，需要進行舵機運動范圍中間值的設(shè)定，本文所設(shè)置的中間值為占空比參數(shù)。實驗結(jié)果表明，這種設(shè)計方法的應(yīng)用，可以保障機械臂的運行質(zhì)量。
4結(jié)論
綜上所述，工業(yè)機器人是科學技術(shù)融合發(fā)展的產(chǎn)物，自進入信息化時代后，人類對于工業(yè)機器人的效率產(chǎn)生了深刻的認識，在此背景下，逐漸加強了對機械臂控制系統(tǒng)的研究。就事實而言，工業(yè)機器人的應(yīng)用，在一定程度上改變了工業(yè)生產(chǎn)方式，但這項研究具有周期性和復(fù)雜性的特點，需要漫長的發(fā)展過程，僅依靠少部分研究者的力量，無法推動這項技術(shù)的發(fā)展。因此，建議相關(guān)企業(yè)和研究機構(gòu)重視這項技術(shù)的研究和應(yīng)用。
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作者：馬瑤瑤 單位：江西科技學院
