西北民族大學(xué)電氣工程學(xué)院 鄧二偉

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基于單片機(jī)的機(jī)械臂的研究

西北民族大學(xué)電氣工程學(xué)院 鄧二偉

隨著現(xiàn)代工業(yè)、醫(yī)藥等領(lǐng)域的不斷發(fā)展，某些設(shè)備或者醫(yī)藥研究用品所處的環(huán)境對研究工作人員的身體有很大的傷害，他們有時(shí)不得已用手臂來操作某些東西。因此為了減少人員的身心傷害，本文設(shè)計(jì)了一種能夠代替人工的機(jī)械手臂。

單片機(jī)；機(jī)械臂；研究

1　基本設(shè)計(jì)思想

本次設(shè)計(jì)采用51單片機(jī)做主控，外圍設(shè)備有舵機(jī)、無線收發(fā)器以及搖桿遙控等設(shè)備。通過搖桿可以控制機(jī)械臂各個(gè)旋轉(zhuǎn)部位的角度，將采集到的搖桿數(shù)據(jù)通過無線發(fā)送設(shè)備發(fā)送給機(jī)械臂接收端，通過對數(shù)據(jù)的解析，再對舵機(jī)進(jìn)行控制。

2　各模塊分析

2.1搖桿位置的獲取

本次設(shè)計(jì)的遙控端采用搖桿設(shè)計(jì)，通過對搖桿的操作控制手臂。本次設(shè)計(jì)中，搖桿內(nèi)部實(shí)質(zhì)上是一個(gè)電位器，電位器兩端分別接正負(fù)極，抽頭接在A/D轉(zhuǎn)換通道上。由于51單片機(jī)沒有模/數(shù)轉(zhuǎn)換功能，因此本設(shè)計(jì)采用PCF8591芯片來進(jìn)行模/數(shù)轉(zhuǎn)換。改變搖桿位置，那么抽頭的電壓也會隨之改變，這樣通過對電壓值的讀取可以獲取當(dāng)前搖桿轉(zhuǎn)動位置。

2.2數(shù)據(jù)的整合

本次設(shè)計(jì)采用五個(gè)舵機(jī)控制手臂，故而需要五個(gè)數(shù)據(jù)操作機(jī)械臂，包括四個(gè)位置數(shù)據(jù)，和一個(gè)指令數(shù)據(jù)。位置數(shù)據(jù)包括四個(gè)舵機(jī)的旋轉(zhuǎn)位置數(shù)據(jù)，另一個(gè)是控制夾緊與松開的控制數(shù)據(jù)。該A/D轉(zhuǎn)換芯片是8位的，數(shù)據(jù)大小剛好是一個(gè)字符的大小。因此這里設(shè)置一個(gè)長度為6的字符數(shù)組，盡可能的將數(shù)據(jù)減小到最小，避免發(fā)送設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)因數(shù)據(jù)位長而增加延時(shí)。

2.3舵機(jī)控制

接收端接收到發(fā)送端發(fā)送的數(shù)據(jù)后，將數(shù)據(jù)分別對應(yīng)到每個(gè)舵機(jī)的數(shù)據(jù)控制線上。舵機(jī)是通過占空比來控制旋轉(zhuǎn)角度的，在20毫秒的周期下，高電平時(shí)間為0.5毫秒到2.5毫秒間，舵機(jī)大約可以從零度轉(zhuǎn)到180度。因此可以利用定時(shí)器中斷模擬占空比輸出控制舵機(jī)角度。

3　舵機(jī)的控制

本次設(shè)計(jì)舵機(jī)采用6V供電，查閱資料可知在該電壓下舵機(jī)的靈敏度較高，而且扭矩較大。用單片機(jī)對其進(jìn)行I/O口模擬PWM輸出時(shí)，一定要在該引腳接上拉電阻。用示波器觀測其波形時(shí)，如果沒有上拉電阻，單單引腳輸出時(shí)可以出現(xiàn)波形，但是將該口與舵機(jī)數(shù)據(jù)線連接時(shí)，波形均是低電平，證明單片機(jī)引腳沒有驅(qū)動舵機(jī)的能力，因此需要上拉電阻，再次用示波器觀察時(shí)恢復(fù)波形。另外，電路整體需要共地，否則舵機(jī)無法識別該引腳是高還是低，因此會出現(xiàn)波形混亂的現(xiàn)象。

在本設(shè)計(jì)中，因?yàn)槎鏅C(jī)數(shù)量較多，故而需要多個(gè)引腳驅(qū)動。為了防止舵機(jī)較多而出現(xiàn)的電流過大燒毀穩(wěn)壓，因此需要每個(gè)舵機(jī)單獨(dú)供電，以保證舵機(jī)擺角的準(zhǔn)確性。舵機(jī)屬于位置式的，當(dāng)轉(zhuǎn)過的角度越大時(shí)，舵機(jī)的轉(zhuǎn)速越快，當(dāng)快要到達(dá)目標(biāo)角度時(shí)，速度變慢。為了使舵機(jī)轉(zhuǎn)動連貫，在轉(zhuǎn)動時(shí)將其分割成若干的小的角度，轉(zhuǎn)動小角時(shí)加上很小的延時(shí)，就可以控制其轉(zhuǎn)動速度。但是，如果延時(shí)取值不得當(dāng)，會出現(xiàn)卡頓和舵機(jī)發(fā)燙現(xiàn)象，這就需要對其進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn)，取最佳值。

4　搖桿數(shù)據(jù)獲取

由于搖桿在遙控器上的偏轉(zhuǎn)有限，而內(nèi)置電位器卻可以轉(zhuǎn)動很大角度，因此需要將每一個(gè)搖桿和旋鈕的轉(zhuǎn)動最值測量，然后對應(yīng)到舵機(jī)的旋轉(zhuǎn)最值，二者相比，可以求出一個(gè)常數(shù)，即比例系數(shù)。用該系數(shù)與電位器旋轉(zhuǎn)偏差相乘，即可得出對應(yīng)位置的舵機(jī)所需要的數(shù)值。再將該數(shù)值通過發(fā)射器將數(shù)據(jù)發(fā)送到控制端以控制舵機(jī)。

本次設(shè)計(jì)中的搖桿主要通過A/D轉(zhuǎn)換器來獲取該數(shù)據(jù)。前文提到，本次設(shè)計(jì)的數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片是PCF8591。該芯片是I2C總線協(xié)議的，但是51系列單片機(jī)是沒有該協(xié)議接口的，因此還要用引腳模擬該協(xié)議，從而獲取搖桿數(shù)據(jù)。另外，將搖桿和旋鈕對應(yīng)的電位器的抽頭要與轉(zhuǎn)換通道相連接。

5　數(shù)據(jù)發(fā)送間隔

數(shù)據(jù)發(fā)送間隔會影響機(jī)械臂響應(yīng)的快慢。如果發(fā)送時(shí)間間隔較長，那么機(jī)械臂響應(yīng)會很慢；如果發(fā)送時(shí)間間隔較短，會出現(xiàn)抖動現(xiàn)象，而且舵機(jī)會發(fā)燙。為了使舵機(jī)相應(yīng)速度既快又不發(fā)生抖動，本設(shè)計(jì)采用定時(shí)器中斷的方式實(shí)時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)，并且將數(shù)據(jù)量化使得舵機(jī)擺角流暢。在定時(shí)器中斷中，獲取四路模數(shù)轉(zhuǎn)換值和按鍵指令，同時(shí)，在主函數(shù)中，不斷發(fā)送數(shù)據(jù)。定時(shí)器定時(shí)時(shí)間為20毫秒，而發(fā)送是實(shí)時(shí)的。這樣在擺動搖桿和轉(zhuǎn)動旋鈕時(shí)機(jī)械臂會得到及時(shí)的響應(yīng)。

6　機(jī)械臂的響應(yīng)

接收端接收數(shù)據(jù)是實(shí)時(shí)的，一旦接收到數(shù)據(jù)立即相應(yīng)機(jī)械臂。接收過程如下：首先，建立一個(gè)機(jī)械臂響應(yīng)函數(shù)，帶有一個(gè)參數(shù)，就是目標(biāo)角度值。在函數(shù)體中，通過傳參，將目標(biāo)角度值通過函數(shù)中的PWM占空比調(diào)節(jié)達(dá)到期望值。在此過程中，并不是將占空比直接調(diào)到參數(shù)值，而是通過循環(huán)漸進(jìn)到期望值，這樣就會使機(jī)械臂動作連貫而且有運(yùn)動過程。另外，為了使機(jī)械臂完成整個(gè)動作，需要設(shè)置一個(gè)標(biāo)志位，等待動作完成，繼而接收下一組數(shù)據(jù)。

當(dāng)接收到一組數(shù)據(jù)時(shí)，舵機(jī)組是同時(shí)完成各自的動作還是逐個(gè)舵機(jī)完成相應(yīng)的動作？如果同時(shí)工作，那么舵機(jī)會同時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)，那樣會使電路中電流增大，即使是單獨(dú)供電，也會影響某個(gè)動作較小的舵機(jī)，因?yàn)槎鏅C(jī)上連接機(jī)械支架等器件，使得舵機(jī)轉(zhuǎn)動時(shí)存在阻抗，這樣會使電流迅速增大，拉低其他局部的電壓，導(dǎo)致其他局部電路工作不正常，即舵機(jī)擺角不準(zhǔn)；如果舵機(jī)逐個(gè)完成作業(yè)，那么操作人員等待的時(shí)間較長。其實(shí)，就像人們在玩遙控車，對某個(gè)遙控的東西，都是針對性的操作。操作人員通過搖桿控制機(jī)械手臂，一般都是先達(dá)到動作的趨勢，然后再慢慢調(diào)整，調(diào)整過程中，一般情況都是針對某個(gè)部位進(jìn)行調(diào)整的。因此，本次設(shè)計(jì)采用舵機(jī)同時(shí)響應(yīng)的策略。

7　定時(shí)器中斷配置

由于51單片機(jī)沒有PWM輸出，因此需要對其進(jìn)行模擬。利用定時(shí)器中斷可以輸出比較精確的模擬PWM方波。本次設(shè)計(jì)采用12MHz晶振，那么定時(shí)器計(jì)數(shù)器中的數(shù)加一所用的時(shí)間是1微秒，而設(shè)計(jì)所需要的是周期為20毫秒，高電平區(qū)間是0.5毫秒到2.5毫秒之間并且可以劃分大約100個(gè)精度的時(shí)間間隔。由上條件可以將定時(shí)器中斷的定時(shí)時(shí)間設(shè)為20微秒。由于定時(shí)時(shí)間太小，故而將定時(shí)器設(shè)為8位自動重裝載計(jì)數(shù)模式，定時(shí)器計(jì)數(shù)器初值設(shè)置為236，定時(shí)器中斷即設(shè)置完畢。

8　模擬PWM輸出

根據(jù)上述過程所配置的定時(shí)器中斷，可以進(jìn)行PWM方波模擬。在中斷函數(shù)中設(shè)置一個(gè)計(jì)數(shù)靜態(tài)變量t，周期為20ms，需要計(jì)數(shù)一千次。再次設(shè)置五個(gè)字符型全局變量（控制變量），分別為控制五個(gè)舵機(jī)的計(jì)數(shù)值，它們的取值范圍為25到125。

當(dāng)t的計(jì)數(shù)值小于控制變量時(shí)，相應(yīng)的引腳為高電平，當(dāng)計(jì)數(shù)t等于控制變量時(shí)，電平反轉(zhuǎn)。這樣，只要改變這五個(gè)全局變量的大小，即可對引腳輸出的PWM的占空比進(jìn)行調(diào)節(jié)。當(dāng)然，一定要在該引腳添加上拉電阻，否則無法驅(qū)動舵機(jī)。

9　調(diào)試

該設(shè)計(jì)分為硬件和軟件兩部分，上述是對某些硬件和一些軟件的講解。但是需要根據(jù)實(shí)物進(jìn)行調(diào)試，比如擺角延時(shí)要根據(jù)實(shí)際狀況進(jìn)行調(diào)試，如果機(jī)械臂的重量過大，就應(yīng)該減小擺動延時(shí)等。51單片機(jī)有兩個(gè)外部中斷請求，可以充分將它們利用起來進(jìn)行調(diào)試。比如外部中斷0可以調(diào)節(jié)擺角延時(shí)大小，外部中斷1調(diào)節(jié)角度細(xì)分間隔等，具體情況要根據(jù)實(shí)際而定。供電系統(tǒng)用到5V和6V即可，芯片自行選擇，穩(wěn)壓電路要設(shè)計(jì)合理，采用單獨(dú)供電模式可減緩穩(wěn)壓芯片的負(fù)荷。

［1］方龍，陳丹，肖獻(xiàn)保.基于單片機(jī)的機(jī)械手臂控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.廣西輕工業(yè)，2008，08:89-90.

［2］盧建設(shè)，陳兆陽.基于單片機(jī)的多自由度機(jī)械手臂設(shè)計(jì)［J］.科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2013，31:115.

［3］賈偉濤.單片機(jī)控制機(jī)械手臂的設(shè)計(jì)與制作［J］.電子制作，2006，05: 33-34.

鄧二偉（1994-），男，山西大同人，西北民族大學(xué)電氣工程學(xué)院，研究方向：嵌入式物聯(lián)網(wǎng)。