李觀華 吳梓揚 吳巨聰 岑偉鏗 李俊星

摘 要：機械手是一種能仿照人手和臂的某些行動功效，用以按牢固法式抓取、搬運物件或操縱東西的主動操縱裝配。本裝置用IAP15W4K61S4單片機作為主芯片采用PID算法控制6路PWM數(shù)字舵機快速實現(xiàn)角度定位，通過串口發(fā)送指令使其完成相應動作組。

關鍵詞：機械手；自動操作；PID；PWM

一、系統(tǒng)方案

1.1、系統(tǒng)基本方案

1.1.1、控制方案設計

本裝置通過模擬現(xiàn)實生活中在手機上一鍵點餐或者是在PC面板上點取需要的東西的功能，使用串口通信，通過設定的鍵的功能發(fā)送相應的指令到控制器，控制器根據(jù)我們已經(jīng)存儲的動作組做出相應的反應完成一系列的動作，實現(xiàn)無人售賣奶茶的目的。其中已設定的一系列動作組的原理為，舵機角度控制原理，用到PID算法快速準確到位，要存儲動作組需要用到Flash快速存儲功能，對應的動作組根據(jù)用戶的需要通過串口通信技術找到相應的動作組完成動作。

1.1.2、機械結構方案設計

根據(jù)實際機械手的結構，為了便于機械手完成對杯子的拿，取，放，倒等一系列動作，設計杯子為長方體狀，并橫帶一片支架，機械手的底座則為穩(wěn)重型保證機械手在運行過程中穩(wěn)不搖擺。在底座上采用x-y軸定位，確保機械手拿的位置準確到一個點，位置誤差小于舵機控制角度的最小分辨率。采用6自由度機械手臂，帶6個舵機，靈活機巧，操作空間范圍大，精確到空間上每一個點。

1.2、各部分方案選擇

1.2.1、控制芯片的選擇

采取IAP15w4k61s4單片機，數(shù)據(jù)存儲器的容量為4KB（4096），程序存儲器的容量為61KB，速率比一般8051快8-12倍，56K字節(jié)Flash程序存儲器，擦寫次數(shù)10萬次以上，可寄存大量行動組，共 8 通道10位高速ADC，速率可達30萬次/秒，8路PWM還可當8路D/A應用， 6通道15位專門的高精度PWM（帶死區(qū)節(jié)制） + 2通道CCP（應用它的高速脈沖輸出功效可實現(xiàn)11～16位PWM），可用來再實現(xiàn)8路D/A，或2個16位定時器，或2個外部間斷（可用上升沿/下落沿間斷）。 6路增強型PWM，可用做6路舵機控制，工作頻率范圍：5MHz ～ 30MHz，相當于普通8051的60MHz～360MHz，工作頻率廣，內(nèi)部高精度R/C時鐘（±0.3%），合適裝配對精度的請求，一組高速同步串行通訊端口SPI。

1.2.2、舵機的選擇

采取數(shù)字舵機，由于它內(nèi)部配有一個基準電路，可以發(fā)出周期為20ms，寬幅為1.5ms的基準信號，而當其控制信號通過接收機的通路進入信號調(diào)控芯片時會獲得直流偏轉電壓，則可用獲得的直流偏轉電壓與電位器的電壓比較從而得到電壓差輸出。最終，電壓差的正負輸送到電機驅動芯片確定電機的正反轉。即當舵機轉速給定時，經(jīng)過級聯(lián)減速齒輪帶領電位器轉動，直至電壓差是0，舵機終止轉動。數(shù)字舵機能夠在把動力脈沖輸送到舵機馬達的前刻，對輸入的信號按照給定的數(shù)據(jù)進行調(diào)制。動力脈沖的寬幅能夠通過利用微處理器的程序運算而調(diào)制，來滿足各種不一樣的功能需求，進一步改善舵機的功能。舵機馬達能夠在更高的頻率，接收并應合發(fā)射機的信號，并且“無應合區(qū)”縮小；造成的應合更快；增速和降速時也更敏捷、更輕柔；數(shù)字舵機能供應更優(yōu)的精度和更高的固定力量。為了可以拿到更重的東西，采用扭力為15kg.cm的數(shù)字舵機，扭力強，虛位窄，死區(qū)窄，響應快，滿足實際動作需要。

二、功能與指標

該裝置的功能是在消費者用戶按下標有相應飲品的按鍵后，機械手控制器通過串口接收相應的指令，并完成相應的動作組，制作出相應的飲品。每一種不同的飲品的制做過程，都有相應的一套動作組，并且能在待取杯子和待放成品的碗固定位置的情況下，做到高精度的制做過程。每一個動作的角度控制精度都能夠滿足實際的需要?？刂凭鹊闹笜藶槎鏅C的角度精度，可由不斷重復的實物制做過程看出。

三、實現(xiàn)原理

3.1、舵機控制原理

利用單個定時器中斷法，將舵機20ms的周期分解成若干份（由于舵機控制信號的最大高電平時間為2.5ms，故一般分成8份以上），每一份時間完成一個舵機的調(diào)控。已將20ms平均分解為8份為例進行說明：單片機上電初始化時，先將所有的I/O端口電平拉低；當定時器產(chǎn)生第一次溢出中斷時，在中斷服務程序中對定時器計數(shù)寄存器重新賦值，所賦值為第一個受控舵機控制信號的高電平時間值，并將I/O口拉高；當定時器產(chǎn)生第二次中斷時，繼續(xù)給寄存器重新賦值，此次所賦值為2.5ms減去高電平所得時間值；剩下的17.5ms時間內(nèi)重復7次上述操作，這樣就完成8個舵機的控制。舵機的調(diào)控通常要有一個大概20ms的時基脈沖，其脈沖的高電平時段通常為0.5～2.5ms范圍內(nèi)的角度調(diào)控脈沖時段，總間隔為2ms。即舉例180度角度伺服，則相應的調(diào)控關系如下陳述：0.5ms對應0度；1.0ms對應45度；1.5ms對應90度；2.0ms對應135度；2.5ms對應180度；

3.2、串口通信原理

主要實現(xiàn)從串口接收指令實現(xiàn)對舵機的控制，同時支持PWM舵機和總線舵機，指令協(xié)議#1P500T500＼r＼n 其中#后面ID可為1-24之間'P'后面500為脈沖數(shù)值范圍500-2500 'T'后面數(shù)字500為舵機調(diào)速時間，范圍為100-3000，控制板總線舵機接在串口2上。通過發(fā)送對應指令實現(xiàn)總線舵機控制，進入定時器中斷，進行分時復用產(chǎn)生1-6路 周期=20ms的pwm波形。一個定時器可以最多控制8個舵機。1：串口1和2分別建立初始化函數(shù)。2：串口1和2分別建立發(fā)送字符函數(shù)。3：串口1接收字符并保存在redata數(shù)組中，字符串以＼r＼n作為結束符建立函數(shù)，4：串口1接收字符并保存在uart2_buf數(shù)組中，接收字符串以'#'字符開頭 "＼r＼n"作為結束符建立函數(shù)。

四、軟件流程

1，按下飲品鍵2，控制器收到串口發(fā)送的指令3，舵機受控轉動，完成相應動作組4，結束。

五、實現(xiàn)功能，特色

實現(xiàn)的功能：消費者用戶可根據(jù)自己喜歡的飲品自行選購，當在上位機軟件上或者PC端按下相應的飲品鍵時，通過串口通信發(fā)送相應的指到控制器，舵機做出相應的飲品的一系列動作組完成飲品的制做過程。實現(xiàn)無人制做及售賣奶茶飲品等，大大減少相應的人力，并且可以24小時不間歇營業(yè)。高效，快速，提高利潤。

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作者簡介：

李觀華，出生年月：1996年5月，性別：男，民族：漢，籍貫（精確到市）：廣東茂名，當前職務：學術基金負責人，當前職稱：學生，學歷：本科，研究方向：自動售賣奶茶.