趙永濤

基于單片機(jī)的機(jī)械手臂控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

趙永濤

(甘肅有色冶金職業(yè)技術(shù)學(xué)院，甘肅 金昌 737100)

機(jī)械手臂能夠模仿人體上肢來(lái)操持相應(yīng)工具完成一系列的生產(chǎn)操作，是機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域中應(yīng)用最為廣泛的自動(dòng)化裝置，在機(jī)械制造和機(jī)械加工行業(yè)中發(fā)揮著重要作用。通過(guò)運(yùn)用單片機(jī)技術(shù)對(duì)機(jī)械手臂進(jìn)行智能化改進(jìn)，使機(jī)械手臂的功能更全面、自動(dòng)化程度更高，可以顯著提高機(jī)械加工的生產(chǎn)效率以及作業(yè)人員的安全性，對(duì)我國(guó)機(jī)械制造行業(yè)的發(fā)展具有重要的意義。

單片機(jī)技術(shù)；機(jī)械手臂；控制系統(tǒng)；系統(tǒng)設(shè)計(jì)

機(jī)械手臂由于在自動(dòng)化、智能化以及安全性上的具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，被廣泛應(yīng)用于我國(guó)機(jī)械制造和機(jī)械加工行業(yè)中。通過(guò)運(yùn)用單片機(jī)技術(shù)對(duì)機(jī)械手臂進(jìn)行智能化改進(jìn)，使機(jī)械手臂的功能更全面、自動(dòng)化程度更高，可以顯著提高機(jī)械制造和加工的生產(chǎn)效率和安全性。

1　機(jī)械手臂控制系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)方案

基于單片機(jī)技術(shù)設(shè)計(jì)的機(jī)械手臂主要由機(jī)械系統(tǒng)和電氣系統(tǒng)構(gòu)成。機(jī)械系統(tǒng)為開(kāi)鏈結(jié)構(gòu)，依靠旋轉(zhuǎn)開(kāi)關(guān)和機(jī)械連桿等構(gòu)件進(jìn)行串聯(lián)，使關(guān)聯(lián)連桿發(fā)生相對(duì)位移，完成相應(yīng)的操作指令。電氣系統(tǒng)包含單片機(jī)、舵機(jī)及其控制板，在設(shè)備運(yùn)行時(shí)，操作人員的操作指令通過(guò)單片機(jī)下發(fā)到舵機(jī)控制板，舵機(jī)控制板接收到指令后可將信號(hào)放大，并操控舵機(jī)在6個(gè)自由度內(nèi)進(jìn)行有效位移來(lái)完成作業(yè)[1]。機(jī)械手臂控制系統(tǒng)由主控制器和舵機(jī)控制板構(gòu)成，其中主控制器包含復(fù)位電路、晶振電路、按鍵電路、電源模塊等，舵機(jī)控制板負(fù)責(zé)操控髖關(guān)節(jié)、肩關(guān)節(jié)、2個(gè)肘關(guān)節(jié)、2個(gè)腕關(guān)節(jié)等裝置。

2　機(jī)械手臂控制系統(tǒng)的硬件和軟件設(shè)計(jì)

2.1　硬件設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)是指運(yùn)用單片機(jī)技術(shù)構(gòu)建機(jī)械手臂的主控器系統(tǒng)和舵機(jī)控制板，使機(jī)械手臂具備識(shí)別、處理指令的能力，并能依據(jù)指令完成相應(yīng)的實(shí)際操作。控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)主要分為以下3步。

(1)單片機(jī)的選型與設(shè)計(jì)。單片機(jī)是組成控制系統(tǒng)的核心設(shè)備，是保證系統(tǒng)能夠正常完成作業(yè)的硬件基礎(chǔ)。近年來(lái)，機(jī)械手臂控制系統(tǒng)的功能越來(lái)越多樣，能夠?qū)崿F(xiàn)這些功能的單片機(jī)類型也層出不窮，研發(fā)人員應(yīng)根據(jù)作業(yè)類型、特點(diǎn)以及單片機(jī)端口的功能有針對(duì)性地選擇與功能相匹配的單片機(jī)類型。在確定單片機(jī)類型后，研發(fā)人員需要進(jìn)行程序的設(shè)計(jì)和測(cè)試，待測(cè)試完成并確定程序能正常運(yùn)行后，方能將單片機(jī)接入時(shí)鐘電路和復(fù)位電路。

(2)舵機(jī)系統(tǒng)的選擇。機(jī)械手臂的作業(yè)主要依靠舵機(jī)完成，穩(wěn)定可靠的舵機(jī)系統(tǒng)是機(jī)械手臂正常作業(yè)的保證。目前廣泛應(yīng)用的機(jī)械手臂的手腕、肘關(guān)節(jié)、肩關(guān)節(jié)和底座4個(gè)位置上均需要設(shè)置單獨(dú)的舵機(jī)，不同位置的舵機(jī)在功能上的需求也不一致，因此，研發(fā)人員要依據(jù)實(shí)際的作業(yè)需求來(lái)選擇合適的舵機(jī)型號(hào)[2]。

(3)舵機(jī)控制板的設(shè)計(jì)。研發(fā)人員在設(shè)計(jì)舵機(jī)控制板時(shí)，要確保其能準(zhǔn)確接到收控制指令，并能依照指令控制相應(yīng)的舵機(jī)完成操作。研發(fā)人員借助Python軟件，結(jié)合ARM控制器可以完成遠(yuǎn)程控制裝置參數(shù)與控制程序的設(shè)計(jì)，可以為操作者配置遠(yuǎn)程操作裝置，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械手臂的遠(yuǎn)程控制，保證生產(chǎn)安全。

2.2　軟件設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)軟件的優(yōu)劣直接決定了機(jī)械手臂的運(yùn)行效果和硬件功能的發(fā)揮，因此，研發(fā)人員在進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)時(shí)，要確保軟件功能與硬件相匹配，并能滿足實(shí)際的作業(yè)要求。需要特別注意的是在設(shè)計(jì)定時(shí)器的0端口與終端服務(wù)程序時(shí)，要提前計(jì)算好占空比和導(dǎo)通時(shí)間。在軟件編程環(huán)節(jié)，要確保通信端口與舵機(jī)控制系統(tǒng)的軟件功能可以滿足單片機(jī)指令傳輸、舵機(jī)系統(tǒng)控制、機(jī)械手臂控制3個(gè)方面的操作需要。以舵機(jī)角度控制系統(tǒng)為例，設(shè)計(jì)人員在編程過(guò)程中要基于單片機(jī)與舵機(jī)角度控制的關(guān)系來(lái)進(jìn)行程序設(shè)置，并根據(jù)運(yùn)算關(guān)系表達(dá)式推算出編程所需要的各項(xiàng)數(shù)值。完成軟件編程后，要對(duì)硬件結(jié)構(gòu)和軟件結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)試，觀察控制系統(tǒng)的功能是否健全，整個(gè)系統(tǒng)是否能夠正常運(yùn)行。

3　機(jī)械手臂控制系統(tǒng)的調(diào)試

要測(cè)試機(jī)械手臂系統(tǒng)作業(yè)的準(zhǔn)確性和效率，研發(fā)人員需要從代碼檢查、仿真調(diào)試、接電運(yùn)作3個(gè)方面入手進(jìn)行調(diào)試工作，總結(jié)系統(tǒng)在調(diào)試過(guò)程中暴露出的問(wèn)題，并及時(shí)進(jìn)行調(diào)整與改進(jìn)，使機(jī)械手臂的作業(yè)性能達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

3.1　代碼檢查

在完成機(jī)械手臂控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)后，研發(fā)人員要遵照規(guī)范化的要求借助專業(yè)的代碼檢查工具對(duì)所有軟件中的代碼進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)編程問(wèn)題應(yīng)及時(shí)進(jìn)行修正，以確保機(jī)械手臂控制系統(tǒng)能順利地完成交付和使用，提高整個(gè)系統(tǒng)調(diào)試的效率。CodeCheck是一種實(shí)用性比較強(qiáng)的軟件檢查工具，能依據(jù)行業(yè)主流安全標(biāo)準(zhǔn)對(duì)常見(jiàn)的代碼語(yǔ)言開(kāi)展針對(duì)性檢查，檢查的效率較高[3]。CodeCheck軟件在完成檢查后，還可以自動(dòng)生成詳細(xì)的質(zhì)量報(bào)告，明確指出軟件中所存在的問(wèn)題以及可能造成的影響，并給出改進(jìn)建議。應(yīng)用CodeCheck軟件可以精準(zhǔn)定位問(wèn)題代碼的位置，針對(duì)專業(yè)性或者復(fù)雜程度較高的代碼，還可以直接給出修改示例，這極大地提高了系統(tǒng)調(diào)試的效率，縮短了研發(fā)人員修復(fù)代碼的時(shí)間。

3.2　仿真模擬

研發(fā)人員在完成代碼檢查后，要對(duì)機(jī)械手臂控制系統(tǒng)的軟件進(jìn)行仿真模擬，以此來(lái)測(cè)試系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行效果，并根據(jù)出現(xiàn)的具體問(wèn)題和存在的不足進(jìn)行完善和優(yōu)化。

目前，主流仿真調(diào)試的模式有在線模式和實(shí)時(shí)模式，在線模式是基于硬件環(huán)境來(lái)進(jìn)行調(diào)試，實(shí)時(shí)模式是將系統(tǒng)仿真模擬過(guò)程中的瞬間記錄下來(lái)并進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)試。研發(fā)人員在實(shí)際調(diào)試過(guò)程中要靈活地運(yùn)用這兩種模式，為系統(tǒng)整體的設(shè)計(jì)效果提供保障。研發(fā)人員可基于仿真系統(tǒng)軟件完成整體控制程序的輸入，通過(guò)操作界面來(lái)設(shè)定相應(yīng)的場(chǎng)景，讓系統(tǒng)在該場(chǎng)景當(dāng)中完成仿真運(yùn)行，并在仿真過(guò)程中做好實(shí)時(shí)記錄，以便于在后期進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)試和調(diào)整。

3.3　接電運(yùn)作

在完成仿真調(diào)試之后就可以進(jìn)行系統(tǒng)的接電運(yùn)作，以此觀察系統(tǒng)的設(shè)計(jì)效果，了解軟硬件系統(tǒng)的協(xié)調(diào)運(yùn)作情況。研發(fā)人員在此過(guò)程中要重點(diǎn)觀察電機(jī)的運(yùn)作情況，檢查是否存在反轉(zhuǎn)的現(xiàn)象，確保系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)能滿足實(shí)際的生產(chǎn)需要，為機(jī)械手臂控制系統(tǒng)的正常運(yùn)行提供保障。研發(fā)人員在具體操作過(guò)程中首先要讓機(jī)械手臂完成回零啟動(dòng)，觀察其是否能夠順利地完成上升動(dòng)作，隨后還需查看機(jī)械手臂的行程開(kāi)關(guān)是否能夠在限制行程方面發(fā)揮作用，觀察指示燈是否正常。其次要檢查機(jī)械手臂執(zhí)行右行、下降等動(dòng)作指令時(shí)是否順暢，同時(shí)觀察在運(yùn)行過(guò)程當(dāng)中指示燈和行程開(kāi)關(guān)的狀態(tài)[4]。最后要通過(guò)控制系統(tǒng)發(fā)出上升、伸出、縮回以及下降等動(dòng)作指令，在確保這些動(dòng)作都能順利完成的情況下才能將系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案投入實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用。

4　結(jié)語(yǔ)

機(jī)械手臂在自動(dòng)化、智能化以及安全性上的具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，被廣泛應(yīng)用于我國(guó)機(jī)械制造和機(jī)械加工行業(yè)中?；趩纹瑱C(jī)技術(shù)進(jìn)行機(jī)械手臂的設(shè)計(jì)，可從硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)著手，優(yōu)化單片機(jī)的選型、舵機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、控制軟件的設(shè)計(jì)、代碼的檢查、設(shè)備的仿真調(diào)試、接電運(yùn)作等一系列設(shè)計(jì)流程，可進(jìn)一步拓展機(jī)械手臂的功能，提升其自動(dòng)化和智能化程度，顯著提高機(jī)械制造和加工的生產(chǎn)效率和安全性，同時(shí)還有利于提高系統(tǒng)的設(shè)計(jì)效率，縮短研發(fā)人員的設(shè)計(jì)周期。

[1] 張自強(qiáng),李占國(guó),王秋紅,等.汽車塑料燃油箱耐火性能試驗(yàn)裝置中機(jī)械手臂逆解分析[J].機(jī)械設(shè)計(jì),2021,38(1): 72-77.

[2] 郭彤穎,劉雍,王海忱,等.粒子群算法在機(jī)械手臂B樣條曲線軌跡規(guī)劃中的應(yīng)用[J].組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù),2019(6):71-73,77.

[3] 史玲玲,史婧,黃曉宇,等.運(yùn)用兩種方法清洗達(dá)芬奇機(jī)器人機(jī)械手臂效果比較[J].中國(guó)消毒學(xué)雜志,2018,35(11): 870-871.

[4] 胡磊,胡寧,王立權(quán),等.3SPS-1S并聯(lián)機(jī)構(gòu)的仿人機(jī)械臂系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報(bào),2015,36(11):1515- 1521,1531.

Research on the design of manipulator control system based on single chip microcomputer technology

ZHAO Yongtao

(Gansu nonferrous metallurgy vocational and technical college, Jinchang, Gansu 737100, China)

Manipulators can imitate human upper limbs to handle corresponding tools to complete a series of production operations. They are the most widely used automation devices in the field of robot technology and play an important role in mechanical manufacturing, machinery and processing industries. Through the intelligent improvement of the mechanical arm by using the single-chip technology, the function of the mechanical arm is more comprehensive and the degree of automation is higher, which can significantly improve the production efficiency of mechanical processing and manufacturing as well as the safety of operators, which is of great significance to the progress and development of China's mechanical manufacturing industry.

SCM technology; Mechanical arm; Control system; system design

TP241

A

2096–8736(2022)05–0024–03

趙永濤(1988—)，男，甘肅金昌人，大學(xué)本科，講師，主要研究方向?yàn)殡姎庾詣?dòng)化。

責(zé)任編輯：張亦弛

英文編輯：唐琦軍