單片機的機械臂研究

前言：想要寫出一篇引人入勝的文章？我們特意為您整理了單片機的機械臂研究范文，希望能給你帶來靈感和參考，敬請閱讀。

摘要：工業機器人是現代科學技術的融合下的產物，屬于機電自動化設備的一種。機械臂作為工業機器人的核心，在提高工業生產效率的同時，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，對機械臂的設計方法和實現功能進行簡要概述，希望為相關行業提供借鑒。

關鍵詞：單片機；機械臂；定時器

引言

在科學技術高速發展的今天，工業機器人實現了普及應用，尤其是在工業生產領域，工業制造、機械制造行業的部分工業生產鏈已經完全由工業機器人組成，工作人員僅需通過程序控制，即可在規定時間內保質保量的完成生產任務。機械臂作為工業機器人的核心，受到了技術人員的高度關注。因此對此項課題進行研究，其意義十分重大。

1機械結構和控制系統

1.1機械結構

現階段，機械臂的動力驅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。在這三種驅動方式中，應用頻率是最高的驅動方式為齒輪式，究其原因，主要是這種驅動方式與其他兩種相比，在傳動精度、體積、運行效率和穩定性方面優勢顯著[1]。制造工業的高速發展，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、是自由旋轉功能實現的保障。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，將數字舵機作為2號舵機的主要內容。

1.2控制系統

基于單片機的機械臂，其控制系統可以實現對機械臂舵機的有效控制，具體原理為控制系統會通過發送PWM波的方式驅動舵機工作。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。目前，關于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，在經過綜合比較后發現第三種PWM信號生成方法優勢顯著，具有良好的可靠性和性價比，故將這種方式作為選擇。

1.3控制系統的實現的功能

本文所提出的機械臂結構方案，其動力系統由單片機和舵機構成，其中單片機作為主控器，在發出控制信號后驅動舵機完成動作。這個機械臂的關節數量為四個，且每個關節轉動的幅度均為180°，在舵機的驅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，其設計效果會直接影響機械臂功能的實現。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成，其內部還包括多條線路、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，為便于區分，故在實際設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。舵機電源電壓的規格為兩種，如果轉矩要求較高，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動下開始轉動，在電機轉動的同時，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，對電機轉動方向和速度進行控制。

2系統硬件電路設計

本文所提出的機械臂，控制系統的主控器為單片機，故單片機和電路性能與系統整體性能存在密切關聯，故在設計機械臂時，必須選擇合適的單片機，同時做好外圍電路的設計。在綜合對比后，將某科技公司生產的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。外圍電路的設計要點如下所述：

2.1設計時鐘電路

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勢，在選擇過程中可以將處理速度作為依據，從而保證所選時鐘芯片的頻率與處理速度相符。

2.2設計復位電路

單片機內電路的初始化，需要依靠復位操作實現，在初始化完成后，單片機的運行狀態會由未知轉變為已知。以本文所設計的單片機機械臂為例，在單片機復位引腳RST高電平時間超過5ms時，則表明復位操作目的達成。在電源線正式供電后，電容狀態會變為充電狀態，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，工作人員將復位鍵開啟，同樣是進入高電平時間的有效方式。

2.3設計控制器電源電路

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壓電源，其優勢為應用成本低廉，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計要求[3]。

2.4舵機驅動電路

實驗結果表明，舵機運行對電源的要求較高，簡言之，就是在設計過程中，必須為舵機設置單獨的電源，以此來規避單片機和舵機相互干擾的問題。這樣控制系統中的電源數量就會由一個變為兩個。此外，還要選擇大功率的開關電源。

2.5設計通信電路

機械臂所選擇的單片機的串行通信口數量為兩個，便于計算機與單片相連接。但在實際串聯時，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，需要設置電平轉換電路，以起到協調串口電平的目的。針對此項問題，本設計所采取的方式為應用MAX232電平轉換芯片。這種轉換方式與傳統方式相比更加先進，且較為簡便。

3系統軟件設計

3.1編程語言的選擇

在科學技術普及應用的背景下，單片機技術實現了快速發展，具體表現為相關理論日益完善，研究者數量不斷增加。與之相匹配的編程語言正處在發展完善的階段。目前C語言、匯編語言以及BASIC語言應用效果較為顯著。本系統在設計過程中，所選擇的編程語言為C語言，這種語言適用性較強，且具備豐富的數據類型和運算符號。其優點如下所述：①在編程階段，無需對內部寄存器和存儲器進行考慮，可以節省不必要的編程時間；②程序的組成部分為若干個函數，具備模塊化結構的優點；③所需子程序可以被直接應用，有利于編程效率的提升；④可以與其他編程語言共同應用。

3.2機械臂軌跡規劃

在工業生產領域，工業機器人的在生產流水線上發揮了關鍵性的作用。機械臂作為工業機器人的一種，能夠完成復雜且重復性的操作，這正是本文設計機械臂的基礎。為確保機械臂能夠保質保量的完成操作，需要在正式運行之前，通過編程方法的應用，對其運行軌跡進行設計和規劃，促使其在實際操作階段按照預定的軌跡運行。為保證機械臂在運行階段的穩定性，需要采取有效的方法，確保機械臂各關節不會在運行時產生劇烈波動。目前最常用的方法為對關節轉動增量突變現象進行規避。與此同時，合理規劃機械臂自由度的位置姿態，有助于實現預期的目的，通俗來講，就是通過設定機械臂控制參數的方法，實現對自由度的有效控制。結合上文可知，機械臂的最大轉動角度為180°，而脈沖寬度最大不超過2.5m，與之相匹配的占空比參數為25000。故在組裝階段，必須提前對關節的轉動范圍進行考慮，一般情況下，如果堵轉小于10s，則可以被舵機所接受，設計人員需要以這個數值為標準，合理調節舵機，控制堵轉狀態的持續時間。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，就是針對各個關節展開測試，在測試某一關節的舵機時，其他關節的舵機不能通電。然后依據測試結果，確定機械臂的初始位置。這里所說的初始位置就是指復位狀態，在這個狀態下，機械臂平衡性較強，便于其完成設計動作。在關節運動范圍確定后，需要進行舵機運動范圍中間值的設定，本文所設置的中間值為占空比參數。實驗結果表明，這種設計方法的應用，可以保障機械臂的運行質量。

4結論

綜上所述，工業機器人是科學技術融合發展的產物，自進入信息化時代后，人類對于工業機器人的效率產生了深刻的認識，在此背景下，逐漸加強了對機械臂控制系統的研究。就事實而言，工業機器人的應用，在一定程度上改變了工業生產方式，但這項研究具有周期性和復雜性的特點，需要漫長的發展過程，僅依靠少部分研究者的力量，無法推動這項技術的發展。因此，建議相關企業和研究機構重視這項技術的研究和應用。

參考文獻：

[1]曲鳴飛，陳楠.基于單片機的機械設備顯示器觸摸屏控制系統設計[J].內燃機與配件，2019（13）：277-279.

[2]劉彬，董居林，羅序俊，等.基于stm32f103c8t6單片機的主從式桌面機械臂的設計[J].現代制造技術與裝備，2019（02）：109-110.

[3]宋東亞.基于單片機的機械臂運行軌跡在線控制系統設計[J].現代電子技術，2018，41（18）：174-177.

[4]馮帥，周一凡，湯茗堯，等.基于單片機的拾取機械臂系統設計與控制[J].電工技術，2019，（18）：12-13，18.

[5]宋東亞.基于單片機的機械臂運行軌跡在線控制系統設計[J].現代電子技術，2018，41（18）：174-177.

作者：馬瑤瑤 單位：江西科技學院