單片機(jī)的機(jī)械臂電子系統(tǒng)設(shè)計實踐

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摘要：本文設(shè)計與實現(xiàn)的是一款基于單片機(jī)的機(jī)械臂控制系統(tǒng)，以4個關(guān)節(jié)舵機(jī)和1個手爪舵機(jī)控制機(jī)械手臂的運(yùn)動和夾取功能，以MC9S12單片機(jī)作為控制器通過脈沖寬度調(diào)制信號控制舵機(jī)運(yùn)動，最終實現(xiàn)將物料待抓區(qū)域的物料抓起后，移動至物料堆放區(qū)域，最終將物料放置在該區(qū)域的運(yùn)動功能。

關(guān)鍵詞：單片機(jī)；MC9S12；機(jī)械臂；控制系統(tǒng)

1概述

機(jī)械臂控制系統(tǒng)是指一種以自動化方式運(yùn)行并且形狀類似人手臂的機(jī)器人，能夠從事物料搬運(yùn)、碼垛等操作，并且具有可編程性和通用性，并且可以在手臂前端裝配相應(yīng)的工具，例如手抓、吸盤等，實現(xiàn)抓取、吸取等功能。

2系統(tǒng)方案設(shè)計

2.1機(jī)械臂控制系統(tǒng)總體方案設(shè)計及機(jī)械臂功能描述

為實現(xiàn)將大型機(jī)械臂小型化，本設(shè)計采用小型直流伺服機(jī)作為機(jī)械臂的各關(guān)節(jié)驅(qū)動器，控制器選用能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)小型化的單片機(jī)，并為系統(tǒng)各模塊設(shè)計相應(yīng)的電源電路。本文設(shè)計的機(jī)械臂具有4個自由度和1個手爪開合關(guān)節(jié)，能夠?qū)崿F(xiàn)抓取物料并運(yùn)送至制定位置的運(yùn)輸和碼垛功能。首先，通過機(jī)械臂硬件結(jié)構(gòu)的搭建，組裝成一個串聯(lián)型機(jī)械臂；然后完成機(jī)械臂控制系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計，包括機(jī)械臂小型直流伺服機(jī)電源電路設(shè)計和單片機(jī)最小系統(tǒng)電源設(shè)計，并將小型直流伺服機(jī)的控制端與單片機(jī)對應(yīng)的脈沖寬度調(diào)制信號輸出接口相連；最后完成軟件程序的編寫，以實現(xiàn)運(yùn)送和碼垛任務(wù)的動作設(shè)計。

2.2機(jī)械臂關(guān)節(jié)執(zhí)行器方案

本設(shè)計機(jī)械臂控制系統(tǒng)的關(guān)節(jié)執(zhí)行器選用小型直流伺服機(jī)，小型直流伺服機(jī)具有位置精準(zhǔn)、扭矩大等優(yōu)點，在大型工業(yè)機(jī)器人機(jī)械臂中常使用交流伺服機(jī)作為機(jī)械臂關(guān)節(jié)執(zhí)行器。由于追求系統(tǒng)小型化，故選用小型直流伺服機(jī)，并選取選用數(shù)字量舵機(jī)。數(shù)字量舵機(jī)內(nèi)部具有微處理器，能夠接收數(shù)字信號輸入，一般采用脈沖寬度調(diào)試信號，即PWM信號。

2.3控制核心方案

單片機(jī)具有體積小、成本低、控制效果穩(wěn)定等優(yōu)點，適合在小型電子控制系統(tǒng)中作為控制器。本設(shè)計選用MC9S12系列單片機(jī)作為系統(tǒng)控制器。該款單片機(jī)為16bit單片機(jī)，內(nèi)部核心具有112個引腳，并且擁有超過50個輸入輸出端口。并且該系列單片機(jī)內(nèi)部具有倍頻模塊，最高主頻可達(dá)128MHz，運(yùn)算速度極快。特別是該款單片機(jī)內(nèi)部具有脈沖寬度調(diào)制信號模塊，可以直接輸出脈沖寬度調(diào)制信號。

3系統(tǒng)硬件電路設(shè)計

3.1電源電路模塊設(shè)計

本設(shè)計中構(gòu)成機(jī)械臂的5個舵機(jī)采用+7.2V電池直接供電，因此舵機(jī)供電電源不用單獨設(shè)計。而機(jī)械臂控制系統(tǒng)中的單片機(jī)則需要對+7.2V電池電壓進(jìn)行穩(wěn)壓至+5V進(jìn)行供電，故本設(shè)計中需要設(shè)計一個直流+5V穩(wěn)壓電路。目前，可使用的穩(wěn)壓電路芯片種類繁多，本設(shè)計選用LM2940三端穩(wěn)壓芯片作為穩(wěn)壓電子元器件，并以此設(shè)計出如圖1所示的穩(wěn)壓電路原理圖。LM2940屬于低功耗芯片，其前端輸入電壓范圍為+5.5V~+26V，其最大優(yōu)點是前端輸入電壓與穩(wěn)壓值之間的電壓差較小，在干電池使用過程中，隨著電量的減少，其干電池實際電壓也會降低，但由于本設(shè)計選用額定電壓為+7.2V的電源，其最低使用電壓大于5.5V，因此選擇LM2940穩(wěn)壓芯片符合設(shè)計需求。圖2中C1和C2是兩個電解電容，其作用是與LM2940構(gòu)成典型穩(wěn)壓電路，并且后端的C2電解電容容量較大，可以防止舵機(jī)在大電流耗電時，瞬間拉低總電源電壓而使單片機(jī)復(fù)位，一旦單片機(jī)復(fù)位將使控制程序混亂。C3和C4的作用是濾波，可防止LM2940自激振蕩，以提高電源的穩(wěn)定性。

3.2舵機(jī)接線電路設(shè)計

本設(shè)計機(jī)械臂控制系統(tǒng)的關(guān)節(jié)和手爪采用5個數(shù)字舵機(jī)實現(xiàn)控制，每個數(shù)字舵機(jī)均有3根線，分別是VCC電源線、SIG信號線和GND接地線。每個舵機(jī)的VCC電源線均與+7.2V電池的正極相接；每個舵機(jī)的GND接地線均與電池的負(fù)極相接；5個舵機(jī)的SIG接線端分別與單片機(jī)的PWM1、PWM2、PWM3、PWM4和PWM5相接，該接線端只能接收數(shù)字信號，并實現(xiàn)相應(yīng)的控制動作。

3.3系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計

如圖2所示為機(jī)械臂控制系統(tǒng)整體機(jī)械結(jié)構(gòu)圖。機(jī)械臂主體和控制系統(tǒng)均固定在一張厚度為4mm的鋁合金板上。圖中①是機(jī)械手爪；圖中②是控制手爪的舵機(jī)，在此命名為A舵機(jī)；圖中③是控制手臂旋轉(zhuǎn)的關(guān)節(jié)舵機(jī)，在此命名為B舵機(jī)；圖中④是控制手爪上下擺動的關(guān)節(jié)舵機(jī)，在此命名為C舵機(jī)；圖中⑤是控制手臂前后擺動的關(guān)節(jié)舵機(jī)，在此命名為D舵機(jī)；圖中⑥是控制整條手臂左右轉(zhuǎn)動的關(guān)節(jié)舵機(jī)，在此命名為E舵機(jī)；圖中⑦是舵機(jī)與舵機(jī)之間相連的U型支架，該支架的接孔處與舵機(jī)的舵盤通過螺絲螺母固定，支架與支架之間也可固定，屬于多功能通用支架；圖中⑧是機(jī)械臂控制系統(tǒng)的主控板；圖中⑨是銅柱，其作用是將整個硬件電路板支起至一定高度。經(jīng)過反復(fù)測試發(fā)現(xiàn)，所有舵機(jī)的控制線均較短，如果控制板搭建位置較低，會嚴(yán)重限制機(jī)械手臂的運(yùn)動范圍，有時控制線甚至可能將斷開；圖中⑩是為整個機(jī)械臂控制系統(tǒng)供電的電源，額定電壓值為+7.2V，電量為2000mAh，滿電極限電壓約為8.2V。整個機(jī)械手臂臂展長度為290mm，共有4個自由度。自由度是指機(jī)械手臂可以在4個方向上自由運(yùn)動，包括手爪旋轉(zhuǎn)、手爪上下擺動、手臂前后擺動、手臂左右擺動，分別由B、C、D、E舵機(jī)實現(xiàn)。在自由度的定義中，一般不包含手爪開與合的動作，因此舵機(jī)A不足以成為機(jī)械手臂的一個自由度。此外，為了增強(qiáng)機(jī)械手臂運(yùn)動時的控制穩(wěn)定性，本設(shè)計中舵機(jī)電源線和控制線均采用杜邦線頭與一字插針插接固定，并在插接處使用熱熔膠固定，提高了穩(wěn)定性，避免了在機(jī)械臂運(yùn)動過程中由于機(jī)械振動使電源線或控制線松弛、掉落。此外，電源與主控板之間的接線采用汽車中常用的快速接頭，以提高電源的穩(wěn)定行和系統(tǒng)整體運(yùn)行的穩(wěn)定性。

4系統(tǒng)軟件電路設(shè)計

4.1機(jī)械臂控制系統(tǒng)的任務(wù)

本設(shè)計機(jī)械臂完成的是對物料的抓取和運(yùn)送任務(wù)。機(jī)械臂抓取任務(wù)是將機(jī)械手臂移動至物料存放的指定位置，然后控制手爪的開合抓取物料。機(jī)械臂運(yùn)送任務(wù)是將物料抓取至指定放置位置，隨后手爪松開物料，最后手臂復(fù)位并等待下一物料的抓取和運(yùn)送任務(wù)。如圖3所示為機(jī)械臂控制系統(tǒng)抓取和運(yùn)送物 料的任務(wù)示意圖。

4.2控制主程序流程

主程序是單片機(jī)控制系統(tǒng)中完成相應(yīng)任務(wù)的程序，一般為主函數(shù)中包含的控制流程。機(jī)械臂控制系統(tǒng)上電后，首先進(jìn)行單片機(jī)內(nèi)部模塊的初始化，包括PLL模塊、PWM模塊和PIT模塊，然后控制機(jī)械手復(fù)位，隨后移動機(jī)械臂至物料待抓區(qū)域，手爪抓取物料后移動至物料堆放區(qū)域，松開物料，最后復(fù)位機(jī)械手，循環(huán)完成物料抓取和移動任務(wù)。

5結(jié)論

未來，基于單片機(jī)的機(jī)械臂控制系統(tǒng)可以發(fā)揮更加強(qiáng)大的作用，在本設(shè)計的基礎(chǔ)上可以設(shè)計和制作對應(yīng)的工作站，以完成系統(tǒng)之間的配合運(yùn)轉(zhuǎn)。此外，可以將大型工業(yè)機(jī)器人小型化，通過合理的傳感器設(shè)置和程序設(shè)計，實現(xiàn)小型自動化生產(chǎn)線的設(shè)計與應(yīng)用目的。

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作者：莊艷 單位：沈陽市化工學(xué)校