張濤, 王炎

(華北科技學院，河北 三河 065201)

基于單片機和Arduino平臺的六自由度可控機械手臂

張濤, 王炎

(華北科技學院，河北 三河 065201)

為了降低機械手臂的設計開發(fā)難度，并使之盡早地投入應用，設計一種基于單片機和Arduino平臺的六自由度可控機械手臂。提出六自由度可控機械手臂的控制方案，給出機械手臂控制系統(tǒng)的結(jié)構框圖。詳細設計六自由度可控機械手臂的硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)，給出關鍵參數(shù)的計算過程和計算結(jié)果。最后，設計制作可控機械手臂實物，并利用機械手臂書寫(繪制)大寫字母“M”。設計過程與實物應用效果表明：基于單片機和Arduino平臺的六自由度機械手臂具有實際的應用價值。

Arduino平臺；機械手臂；六自由度；單片機；實物制作

0 引 言

目前機械手臂是機器人技術領域的重要發(fā)展方向，也是得到最廣泛實際應用的自動化機械裝置。機械手臂可用于汽車制造等自動化制造行業(yè)，還可用于商業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)療、救援等各個領域。但是，因機械手臂的功能針對性強和售價高昂，使其很難應用于普通場合。

開源硬件的發(fā)展，尤其是Arduino技術平臺的迅猛發(fā)展，使開發(fā)設計人員更容易進入機械電子學這個精彩的領域。Arduino是一款便捷、靈活、容易使用的開源電子原型平臺，它包含硬件(各種型號的Arduino板)和軟件(Arduino IDE)。Arduino的硬件原理圖、電路圖、IDE軟件及核心庫文件都是開源的，允許開發(fā)者根據(jù)自己的設計思想進行改進調(diào)整。

基于開源性硬件與軟件的思想，本文綜合Arduino、單片機和機械臂的理論與技術，設計制作基于Arduino平臺的六自由度可控機械手臂。通過對機械手臂各個關節(jié)的精確控制，實現(xiàn)機械手臂六個自由度的調(diào)整控制。該可控機械手臂可以模仿人的手臂，通過編程實現(xiàn)簡單的動作，可作為實驗教學演示平臺，或者在生活中應用[1],[2]1-3,[3]39。

1 機械手臂控制方案設計

機械手臂是一種具有高度能動性和高度靈活性的自動化機器，它是機電一體化設備的典型代表之一。因此，機械手臂由機械系統(tǒng)和電氣系統(tǒng)兩大部分組成。

機械手臂的機械系統(tǒng)部分由機械連桿、旋轉(zhuǎn)關節(jié)等單元串聯(lián)連接而成，形成串聯(lián)式開鏈結(jié)構。關節(jié)的作用是使相互聯(lián)接的兩個連桿產(chǎn)生相對運動。機械手臂的各關節(jié)軸線相互平行或垂直。

機械手臂的電氣系統(tǒng)部分就是其控制系統(tǒng)部分，它由單片機系統(tǒng)、舵機控制板、舵機系統(tǒng)等單元組成，如圖1所示。

單片機系統(tǒng)包括主控制器、復位電路、晶振電路、按鍵電路、電源模塊等部分，負責發(fā)出機械手臂的控制命令。

舵機控制板為采用Arduino平臺的開源硬件電路板，可用于二次開發(fā)。舵機控制板負責接收單片機系統(tǒng)發(fā)出的控制指令，并將信號放大以驅(qū)動各個舵機。

舵機系統(tǒng)包括底座舵機、肩關節(jié)舵機、肘關節(jié)1舵機、肘關節(jié)2舵機、腕關節(jié)1舵機、腕關節(jié)2舵機等六個舵機，分別用于模擬執(zhí)行機械手臂的動作。舵機系統(tǒng)中的六個舵機可分別進行控制，進而完成機械手臂六個自由度的調(diào)整控制[4]134,[5]41,[6]73。

圖1 機械手臂控制系統(tǒng)的結(jié)構框圖

2 機械手臂控制系統(tǒng)硬件設計

2.1 控制系統(tǒng)硬件設計概述

機械手臂控制系統(tǒng)主要由主控制器系統(tǒng)(單片機系統(tǒng))、舵機控制板、舵機系統(tǒng)等單元組成。其中，為充分發(fā)揮Arduino開源硬件電路板的技術開放優(yōu)勢和設計制造優(yōu)勢，采用直接從Arduino平臺開發(fā)公司購買基于Arduino平臺的舵機控制板。在此基礎上，進行二次開發(fā)設計，因此本設計的主要內(nèi)容集中于主控制器系統(tǒng)(單片機系統(tǒng))和舵機系統(tǒng)[3]40-41,[4]134-135,[7]115,[8]128,[9]22-117。2.2 主控制器系統(tǒng)

主控制器系統(tǒng)模塊由主控制器(單片機)、復位電路、晶振電路、按鍵電路、電源模塊等部分組成，它是機械手臂控制系統(tǒng)的核心控制裝置。

在本設計中，主控制器選用80C51型號的單片機。單片機的XTAL1、XTAL2端口之間接石英晶體振蕩電路；RST端口接復位電路；P0.0～P0.7端口經(jīng)上拉電阻接LCD顯示器LM016L，用于顯示發(fā)送指令代碼的內(nèi)容。

2.3 舵機控制板

舵機控制板用于接收單片機系統(tǒng)發(fā)出的控制指令，并將控制指令放大編碼后控制舵機，從而帶動機械手臂產(chǎn)成相應的動作。為充公發(fā)揮Arduino開源硬件電路板的技術開放優(yōu)勢和設計制造優(yōu)勢，本設計采用直接從Arduino平臺開發(fā)公司購買設計制作完成的舵機控制板。

舵機控制板是一個從機，即它只能接受命令，或者執(zhí)行事先設置好的命令。需要使用單片機給舵機控制板發(fā)送命令，從而通過舵機控制板來控制舵機。

圖2 舵機控制板

圖2所示為所購買的舵機控制板。舵機控制板的右上角RXD、TXD、GND三個接口分別與單片機的TXD、RXD、GND三個端口相連，用于接收單片機系統(tǒng)發(fā)出的控制指令。舵機控制板的S1～S32組合端口分別用于連接32個舵機，每個組合端口中的+、-、S三個端口分別用于連接每個舵機的電源正極、電源負極、信號控制極。

2.4 舵機系統(tǒng)

舵機系統(tǒng)共由六個舵機組成，分別控制機械手臂的六個自由度。本設計采用的舵機型號為LF-20MG，如圖3所示。該型號的舵機為直流電動機，工作電壓為直流4.8 V～6.6 V。該型號的舵機可以提供的扭矩范圍為1.62 N·m～1.96 N·m，能夠支持機械手臂完成相應動作所需要的扭矩。

圖3 舵機

3 機械手臂控制系統(tǒng)軟件設計

3.1 控制系統(tǒng)軟件設計概述

機械手臂控制系統(tǒng)軟件設計的主要任務是：根據(jù)機械手臂的實際動作要求，單片機系統(tǒng)編寫相應的動作指令，并將動作指令發(fā)送給舵機控制板，通過舵機控制板控制各個舵機，進而完成機械手臂的相應動作[5]43,[6]74,[7]116,[9]120-270。

現(xiàn)以機械手臂書寫(繪制)大寫字母“M”為例，機械手臂控制的程序流程為：

(1)單片機上電初始化。

(2)設置單片機與舵機控制板之間通信端口的參數(shù)。

(3)計算機械手夾緊動作時各個舵機所需的旋轉(zhuǎn)角度，設置并輸出機械手夾緊動作組。

(4)大寫字母“M”的第1筆畫為“右上長直線”，計算書寫(繪制)第1筆畫時各個舵機所需的旋轉(zhuǎn)角度，設置并輸出機械手臂第1筆畫動作組。

(5)大寫字母“M”的第2筆畫為“右下短直線”，計算書寫(繪制)第2筆畫時各個舵機所需的旋轉(zhuǎn)角度，設置并輸出機械手臂第2筆畫動作組。

(6)大寫字母“M”的第3筆畫為“右上短直線”，計算書寫(繪制)第3筆畫時各個舵機所需的旋轉(zhuǎn)角度，設置并輸出機械手臂第3筆畫動作組。

(7)大寫字母“M”的第4筆畫為“右下長直線”，計算書寫(繪制)第4筆畫時各個舵機所需的旋轉(zhuǎn)角度，設置并輸出機械手臂第4筆畫動作組。

(8)計算機械手釋放動作時各個舵機所需的旋轉(zhuǎn)角度，設置并輸出機械手釋放動作組。

3.2 單片機串行通信端口的參數(shù)計算

在機械手臂控制系統(tǒng)中，主控制器(單片機)與舵機控制板之間采用串行通信方式。通信協(xié)議規(guī)定為：TTL電平、波特率9 600 bps、無校驗位、8位數(shù)據(jù)位、1位停止位。

為完成上述的通信協(xié)議，需要計算串行端口定時器初始值，其計算公式為：

式中X為定時器初始值；n為定時器的位數(shù)；Baud為串行接口通訊的波特率；SMOD為串行端口控制寄存器PCON的最高位；fOSC為單片機的時鐘頻率。

當選擇定時器為8位、串行端口通訊的波特率為9 600 bps、串行端口控制寄存器PCON的最高位為1、單片機的時鐘頻率為11.059 2 MHz時，定時器初始值的計算結(jié)果為：

3.3 單片機串行通信端口的程序編制

編制的單片機串行通信端口初始化程序為：

void UartInitialization ()

{

SCON = 0x50;//8位異步串行通信口，模式1

PCON |= 0x80;// SMOD=”1”

TMOD |= 0x20;//定時器1，模式2，8位重裝

TH1 = 0xFA; //定時器初始值高8位

TL1 = 0xFA;//定時器初始值低8位

IE |= 0x90;//允許串行中斷

TR1 = 1;//啟動定時器1

EA = 1;//允許所有中斷

}

3.4 舵機角度控制設置值的計算

需要通過主控制器(單片機)設置舵機角度控制設置值，舵機角度控制設置值與舵機角度實際位置值之間的運算關系為：

式中Ax為舵機角度控制設置值；A0為舵機角度控制設置值的下限；Am為舵機角度控制設置值的上限；Nx為舵機角度實際位置值；N0為舵機角度實際位置值的下限；Nm為舵機角度實際位置值的上限。

當舵機角度控制設置值的下限和上限分別為500和2 500、舵機角度實際位置值的下限和上限分別為0度和180度時，若使舵機角度實際位置值為90度，則應在單片機程序軟件中的舵機角度控制設置值的計算結(jié)果為：

3.5 舵機角度控制設置值的程序編制

單片機需要通過舵機控制板來控制舵機的運動。在單片機中，舵機角度控制設置值的編程格式為(以控制單個舵機為例)：

#1P1500T100

其中，數(shù)據(jù)1是舵機的通道；數(shù)據(jù)1 500是舵機角度控制設置值(表示舵機的旋轉(zhuǎn)角度)，其范圍為500～2 500；數(shù)據(jù)100是執(zhí)行的時間，其范圍為100 ms～9 999 ms。

編制的單片機控制舵機角度的程序為：

void main()

{

UartInitialization ();//串行通信端口初始化

UartSendString("#1P1500T100 "); // S1號舵機在時間100ms內(nèi)旋轉(zhuǎn)90度

while(1);

}

void UartSendString(uchar *pStr)//串行通信端口發(fā)送一個字符串

{

while(*pStr != 0)

{

SBUF = *pStr++;

while(TI==0);

TI=0;

}

}

4 實物制作

為驗證基于單片機和Arduino平臺的六自由度可控機械手臂設計方案的正確性和可行性，設計制作了六自由度可控機械手臂的實物。

基于單片機和Arduino平臺的六自由度可控機械手臂的實物如圖4所示，圖中展示了利用該機械手臂書寫(繪制)大寫字母“M”的過程和結(jié)果[6]74,[7]117,[8]130,[9]316-358。

圖4 六自由度可控機械手臂的實物

5 結(jié)束語

為降低復雜機械手臂的設計難度和開發(fā)難度，快速開發(fā)設計簡單高效的可控機械手臂，本文設計一種基于單片機和Arduino平臺的六自由度可控機械手臂。在該機械手臂控制方案中，通過購買基于Arduino平臺的舵機控制板，充分發(fā)揮了Arduino開源硬件電路板的技術開放優(yōu)勢和設計制造優(yōu)勢。在此基礎上，利用單片機系統(tǒng)作為控制系統(tǒng)的控制核心，快速完成六自由度可控機械手臂的方案設計、硬件開發(fā)、軟件編程和實物制作的全過程。

特別地，為了驗證可控機械手臂設計方案的正確性和可行性，設計制作了基于單片機和Arduino平臺的六自由度可控機械手臂的實物，并利用該機械手臂實物書寫(繪制)大寫字母“M”。設計過程與實物應用效果均表明：基于單片機和Arduino平臺設計制作六自由度可控機械手臂，可以降低機械手臂的設計開發(fā)難度，達到快速應用機械手臂的目的，是一種有效的開發(fā)設計途徑。

在校本科學生參與了可控機械手臂的設計過程和本論文的寫作過程，提高了學生將理論知識應用于實踐開發(fā)的能力，也培養(yǎng)了學生的科技創(chuàng)新能力[2]4-8,[10]。

[1] 張濤．自動化專業(yè)實驗實習指導教程[M]．徐州：中國礦業(yè)大學出版社，2015．

[2] 張濤．自動化專業(yè)畢業(yè)設計(論文)指導教程[M]．北京：煤炭工業(yè)出版社，2013．

[3] 楊繼志，郭敬. Arduino的互動產(chǎn)品平臺創(chuàng)新設計[J].單片機與嵌入式系統(tǒng)應用,2012, 12(4):39-41.

[4] 陸建榮.多自由度工業(yè)機器人機械手的設計方法分析[J].機電信息,2014, (30):134-135.

[5] 董毅，何勇. 基于PC機和單片機的多機械手遠程控制系統(tǒng)[J].電氣自動化,2004, 26(6):41-43.

[6] 凌俊杰，劉星橋. 裝箱機械手控制系統(tǒng)的設計[J].電氣自動化,2006, 28(3):73-74.

[7] 張濤. GPS模塊和89C52控制器的授時與定位裝置設計制作[J]. 電氣自動化, 2015, 37(5)：115-117.

[8] 張濤. 基于單片機的瓦斯?jié)舛葯z測報警裝置的設計與仿真[J]. 煤炭工程, 2014, 46(3):128-130.

[9] 潘新民，王燕芳．微型計算機控制技術[M]．2版.北京：電子工業(yè)出版社，2011．

[10] 張濤. 自動化專業(yè)學生的實踐能力與創(chuàng)新精神的培養(yǎng)機制[J]. 教育科學博覽, 2012,14(12):23-26.

A Controllable Mechanical Arm with Six Degrees of Freedom Based on SCM and Arduino Platform

Zhang Tao, Wang Yan

(North China Institute of Science and Technology, Sanhe Hebei 065201, China)

To reduce the difficulty of design and development of the mechanical arm and put it into application as soon as possible, the paper designs a controllable mechanical arm with six degrees of freedom based on the single chip microcontroller and Arduino platform. The paper presents a control scheme for the controllable mechanical arm with six degrees of freedom, and gives a structural block diagram of the control system of the mechanical arm. The paper gives a detailed design of the hardware system and software system of the controllable mechanical arm with six degrees of freedom, and shows the calculation process and result of key parameters. Finally, the paper designs and manufactures a practical controllable mechanical arm, and uses the mechanical arm to write (draw) letter “M”. The design process and the effect of practical application indicate that the controllable mechanical arm with six degrees of freedom based on single chip microcomputer and Arduino platform has practical application value.

arduino platform; mechanical arm; six degrees of freedom; single chip microcomputer (SCM); practical manufacturing

中央高校基本科研業(yè)務費資助項目(3142015100)。國家級大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃項目(201411104020)。華北科技學院教研基金資助項目(HKJY201410)

10.3969/j.issn.1000-3886.2016.06.030

TP273

A

1000-3886(2016)06-0097-03

張濤(1972-)，男，黑龍江拜泉人，學士，遼寧工程技術大學碩士，浙江大學博士，華北科技學院自動化系教授、工程師、主任。研究方向：自動控制、計算機控制系統(tǒng)、煤礦安全生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)。

定稿日期: 2016-06-02