（燕京理工學院，河北廊坊,065201）

同步仿生機械臂設(shè)計

云彩霞,李 珊,宋曉華,李 昆

（燕京理工學院，河北廊坊,065201）

本設(shè)計利用安裝在人手臂部的加速度傳感器采集運動信號，單片機智能運算后發(fā)出控制指令，實現(xiàn)機械臂與人臂的同步運動。系統(tǒng)將在采集傳感器的輸出模擬量經(jīng)過單片機的處理產(chǎn)生PWM波，使用PWM波驅(qū)動舵機實現(xiàn)準確定位, 使機械臂實現(xiàn)三自由度的運動。而且還可通過編程和仿生來完成各種預(yù)期的作業(yè)任務(wù)，在構(gòu)造和性能上兼有人和機器各自的優(yōu)點，體現(xiàn)了人的智能和適應(yīng)性。

自由度;單片機;MM7260;舵機

0 引言

仿生機械臂是近幾十年發(fā)展起來的一種高科技自動化生產(chǎn)設(shè)備。仿生機械臂是工業(yè)機器人的一個重要分支。它的特點是可通過編程來完成各種預(yù)期的作業(yè)任務(wù)，在構(gòu)造和性能上兼有人和機器各自的特點，尤其體現(xiàn)了人的智能和適應(yīng)性。機械臂作業(yè)的準確性和各種環(huán)境中完成作業(yè)的能力，在國民經(jīng)濟各領(lǐng)域有著廣闊的發(fā)展前景。

1 研究目的

同步仿生機械臂設(shè)計主要任務(wù)是完成機械臂的硬件和軟件兩個方面的設(shè)計，需要對機械臂的坐標形式、自由度、驅(qū)動機構(gòu)等進行確定并完成單片機內(nèi)部的相關(guān)程序的編寫。圓柱坐標型機械臂結(jié)構(gòu)簡單緊湊，定位精度較高，占地面積小，因此本設(shè)計采用圓柱坐標型。機械臂主要由3個伺服舵機和2個手臂和1個底座組成：（1）小臂部：采用一個鋁合金片和一個簡制的手抓拼接組成。（2）大臂部：采用一個鋁合金片和兩個伺服舵機拼接組成，上部舵機控制小臂的旋轉(zhuǎn)，下面的舵機控制大臂的旋轉(zhuǎn)。（3）底座：采用一個鋁合金塊和一個伺服舵機拼接組成，舵機控制手臂部分第三自由度的旋轉(zhuǎn)。

2 具體設(shè)計方案

2.1機械臂的制造

整個手臂的完成效果圖(未安裝舵機)如圖2.1所示。說明：設(shè)計時采用了MG995舵機，安裝孔依據(jù)其尺寸設(shè)計，制作時可依據(jù)舵機尺寸進行適當修改。

圖2.1 完成效果圖

底座制作完成后可將其固定在較重的底物上。也可做適當?shù)耐卣?，比如在其下面裝上可以控制方向的輪子做成可移動的機械手。

腕部設(shè)計成能上下旋轉(zhuǎn)式，前部提供一個可安裝夾持器的接面可以進行擴展。

（1）固定軸采用螺栓式的設(shè)計。（2）固定支架結(jié)構(gòu)將轉(zhuǎn)軸和舵機轉(zhuǎn)盤相連，形成繞軸的扭轉(zhuǎn)力。（3）將手臂的兩個側(cè)板固定成臂形。

2.2控制電路部分的設(shè)計與制作

控制電路部分以STC12C5A60S2單片機為核心，STC12C5A60S2單片機中集成了高精度的A/D轉(zhuǎn)換器，可將加速度傳感器采集的模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，數(shù)字量經(jīng)過單片機的處理后產(chǎn)生PWM波，驅(qū)動機械臂上的伺服舵機。如圖2.2所示：

圖2.2 整體框圖

MMA7260傳感器：根據(jù)人手臂的運動角度，傳感器將輸出不同的電壓，從而確定人手臂的狀態(tài)。

A/D轉(zhuǎn)換：將采集到的傳感器輸出的模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。

CPU：處理A/D轉(zhuǎn)換輸出的數(shù)字量，輸出PWM波。

MG995舵機：用做機械臂的關(guān)節(jié)力量來源，接收PWM波信號，分析其占空比，轉(zhuǎn)動不同的角度。

2.3舵機控制的實現(xiàn)方法

單片機系統(tǒng)實現(xiàn)對舵機輸出轉(zhuǎn)角的控制，必須完成兩個任務(wù)：首先是產(chǎn)生基本的PWM周期信號，本設(shè)計是產(chǎn)生20ms的周期信號；其次是脈寬的調(diào)整，即單片機模擬PWM信號的輸出，并且調(diào)整占空比。

具體的設(shè)計過程：例如讓舵機轉(zhuǎn)向左極限的角度，它的正脈沖為2ms，則負脈沖為20ms-2ms=18ms，所以開始時在控制口發(fā)送高電平，然后設(shè)置定時器在2ms后發(fā)生中斷，中斷發(fā)生后，在中斷程序里將控制口改為低電平，并將中斷時間改為18ms，再過18ms進入下一次定時中斷，再將控制口改為高電平，并將定時器初值改為2ms，等待下次中斷到來，如此往復(fù)實現(xiàn)PWM信號輸出到舵機。用修改定時器中斷初值的方法巧妙形成了脈沖信號，調(diào)整時間段的寬度便可使伺服機靈活運動。

為保證軟件在定時中斷里采集其它信號，并且使發(fā)生PWM信號的程序不影響中斷程序的運行(如果這些程序所占用時間過長，有可能會發(fā)生中斷程序還未結(jié)束，下次中斷又到來的后果)，所以需要將采集信號的函數(shù)放在長定時中斷過程中執(zhí)行，也就是說每經(jīng)過兩次中斷執(zhí)行一次這些程序，執(zhí)行的周期還是20ms。

如果系統(tǒng)中需要控制幾個舵機的準確轉(zhuǎn)動，可以用單片機和計數(shù)器進行脈沖計數(shù)產(chǎn)生PWM信號。脈沖計數(shù)可以利用51單片機的內(nèi)部計數(shù)器來實現(xiàn)，但是從軟件系統(tǒng)的穩(wěn)定性和程序結(jié)構(gòu)的合理性看，宜使用外部的計數(shù)器，可以提高CPU的工作效率。實驗后從精度上考慮，對于FUTABA系列的接收機，當采用1MHz的外部晶振時，其控制電壓幅值的變化為0.6mV，而且不會出現(xiàn)誤差積累，可以滿足控制舵機的要求。最后考慮數(shù)字系統(tǒng)的離散誤差，經(jīng)估算誤差的范圍在±0.3%內(nèi)，所以采用單片機和8253、8254這樣的計數(shù)器芯片的PWM信號產(chǎn)生電路是可靠的。當系統(tǒng)的主要工作任務(wù)就是控制多舵機的工作，并且使用的舵機工作周期均為20ms時，要求硬件產(chǎn)生的多路PWM波的周期也相同。使用51單片機的內(nèi)部定時器產(chǎn)生脈沖計數(shù)，一般工作正脈沖寬度小于周期的1/8，這樣可以在1個周期內(nèi)分時啟動各路PWM波的上升沿，再利用定時器中斷T0確定各路PWM波的輸出寬度，定時器中斷T1控制20ms的基準時間。

第1次定時器中斷T0按20ms的 1/8設(shè)置初值，并設(shè)置輸出I/O口，第1次T0定時中斷響應(yīng)后，將當前輸出I/O口對應(yīng)的引腳輸出置高電平，設(shè)置該路輸出正脈沖寬度，并啟動第2次定時器中斷，輸出I/O口指向下一個輸出口。第2次定時器定時時間結(jié)束后，將當前輸出引腳置低電平，設(shè)置此中斷周期為20ms的1/8減去正脈沖的時間，此路PWM信號在該周期中輸出完畢，往復(fù)輸出。在每次循環(huán)的第16次(2×8=16)中斷實行關(guān)定時中斷T0的操作，最后就可以實現(xiàn)8路舵機控制信號的輸出。

也可以采用外部計數(shù)器進行多路舵機的控制，但是因為常見的8253、8254芯片都只有3個計數(shù)器，所以當系統(tǒng)需要產(chǎn)生多路PWM信號時，使用上述方法可以減少電路，降低成本，也可以達到較高的精度。調(diào)試時注意到由于程序中脈沖寬度的調(diào)整是靠調(diào)整定時器的初值，中斷程序也被分成了8個狀態(tài)周期，并且需要嚴格的周期循環(huán)，而且運行其他中斷程序代碼的時間需要嚴格把握。

3 機械臂系統(tǒng)組裝及調(diào)試

關(guān)節(jié)電機參數(shù)確定后，對機械臂系統(tǒng)進行組裝調(diào)試，在機械臂的調(diào)試中，需要對每個關(guān)節(jié)進行分別調(diào)試，確保每個關(guān)節(jié)都能夠穩(wěn)定的運行。

在實驗中，當給定速度指令時，可通過安裝在關(guān)節(jié)處的光電編碼器輸出的關(guān)節(jié)位移曲線來間接地測量關(guān)節(jié)的速度。速度指令由驅(qū)動器內(nèi)部程序設(shè)定，本實驗中是以梯形指令作為關(guān)節(jié)的速度指令，分為勻加速、勻速及勻減速三個階段。速度指令及關(guān)節(jié)位移曲線由D/A卡轉(zhuǎn)化為模擬信號，然后通過示波器輸出。

從示波器輸出的速度指令曲線及關(guān)節(jié)實際位移曲線可以看出，當給定速度指令為梯形曲線時，其關(guān)節(jié)位移是一條理想的S型曲線，與理論上的位移曲線完全吻合。同時，當速度由最大值減到零時，位移曲線能夠在不到100ms的時間內(nèi)迅速穩(wěn)定，即機械臂能夠迅速定位，具有較快的響應(yīng)速度。

經(jīng)過對各個關(guān)節(jié)進行調(diào)試，機械臂能夠按給定的速度指令及位移指令穩(wěn)定地運行，達到了設(shè)計目的。

4 結(jié)論

在實際應(yīng)用中，采用51單片機簡單方便地實現(xiàn)了舵機控制需要的PWM信號。對機器臂舵機控制的測試表明，舵機控制系統(tǒng)工作穩(wěn)定，PWM占空比 (0.5～2.5ms 的正脈沖寬度)和舵機的轉(zhuǎn)角(-90°～90°)線性度較好。

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云彩霞、1981.11、女、吉林九臺、碩士、講師，無線通信與計算機應(yīng)用。

The Design of Synchronization Bionic Robot Arm

Yun Caixia,Li Shan,Song Xiaohua,Li Kun
(Yanching Institude of Technology,Hebei Langfang，065201)

This design uses the collected motion signal of the acceleration sensor installed in the arm department,issued in the single-chip smart computing control commands,synchronous movement of the manipulator arm.Acquisition sensor output analog processing After the microcontroller PWM wave using PWM wave-driven steering gear to achieve accurate positioning,so that the robotic arm to achieve three degrees of freedom of movement.But also through programming and bionic complete a variety of expected operating tasks,both in structure and performance of the respective advantages of both humans and machines,human intelligence and adaptability.

Degree-of-freedom；Microcontroller；MM7260；Steering Ge