同步仿生機(jī)械臂設(shè)計(jì)

（燕京理工學(xué)院，河北廊坊,065201）

同步仿生機(jī)械臂設(shè)計(jì)

云彩霞,李 珊,宋曉華,李 昆

（燕京理工學(xué)院，河北廊坊,065201）

本設(shè)計(jì)利用安裝在人手臂部的加速度傳感器采集運(yùn)動(dòng)信號(hào)，單片機(jī)智能運(yùn)算后發(fā)出控制指令，實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂與人臂的同步運(yùn)動(dòng)。系統(tǒng)將在采集傳感器的輸出模擬量經(jīng)過(guò)單片機(jī)的處理產(chǎn)生PWM波，使用PWM波驅(qū)動(dòng)舵機(jī)實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確定位, 使機(jī)械臂實(shí)現(xiàn)三自由度的運(yùn)動(dòng)。而且還可通過(guò)編程和仿生來(lái)完成各種預(yù)期的作業(yè)任務(wù)，在構(gòu)造和性能上兼有人和機(jī)器各自的優(yōu)點(diǎn)，體現(xiàn)了人的智能和適應(yīng)性。

自由度;單片機(jī);MM7260;舵機(jī)

0 引言

仿生機(jī)械臂是近幾十年發(fā)展起來(lái)的一種高科技自動(dòng)化生產(chǎn)設(shè)備。仿生機(jī)械臂是工業(yè)機(jī)器人的一個(gè)重要分支。它的特點(diǎn)是可通過(guò)編程來(lái)完成各種預(yù)期的作業(yè)任務(wù)，在構(gòu)造和性能上兼有人和機(jī)器各自的特點(diǎn)，尤其體現(xiàn)了人的智能和適應(yīng)性。機(jī)械臂作業(yè)的準(zhǔn)確性和各種環(huán)境中完成作業(yè)的能力，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)各領(lǐng)域有著廣闊的發(fā)展前景。

1 研究目的

同步仿生機(jī)械臂設(shè)計(jì)主要任務(wù)是完成機(jī)械臂的硬件和軟件兩個(gè)方面的設(shè)計(jì)，需要對(duì)機(jī)械臂的坐標(biāo)形式、自由度、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)等進(jìn)行確定并完成單片機(jī)內(nèi)部的相關(guān)程序的編寫(xiě)。圓柱坐標(biāo)型機(jī)械臂結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊，定位精度較高，占地面積小，因此本設(shè)計(jì)采用圓柱坐標(biāo)型。機(jī)械臂主要由3個(gè)伺服舵機(jī)和2個(gè)手臂和1個(gè)底座組成：（1）小臂部：采用一個(gè)鋁合金片和一個(gè)簡(jiǎn)制的手抓拼接組成。（2）大臂部：采用一個(gè)鋁合金片和兩個(gè)伺服舵機(jī)拼接組成，上部舵機(jī)控制小臂的旋轉(zhuǎn)，下面的舵機(jī)控制大臂的旋轉(zhuǎn)。（3）底座：采用一個(gè)鋁合金塊和一個(gè)伺服舵機(jī)拼接組成，舵機(jī)控制手臂部分第三自由度的旋轉(zhuǎn)。

2 具體設(shè)計(jì)方案

2.1機(jī)械臂的制造

整個(gè)手臂的完成效果圖(未安裝舵機(jī))如圖2.1所示。說(shuō)明：設(shè)計(jì)時(shí)采用了MG995舵機(jī)，安裝孔依據(jù)其尺寸設(shè)計(jì)，制作時(shí)可依據(jù)舵機(jī)尺寸進(jìn)行適當(dāng)修改。

圖2.1 完成效果圖

底座制作完成后可將其固定在較重的底物上。也可做適當(dāng)?shù)耐卣梗热缭谄湎旅嫜b上可以控制方向的輪子做成可移動(dòng)的機(jī)械手。

腕部設(shè)計(jì)成能上下旋轉(zhuǎn)式，前部提供一個(gè)可安裝夾持器的接面可以進(jìn)行擴(kuò)展。

（1）固定軸采用螺栓式的設(shè)計(jì)。（2）固定支架結(jié)構(gòu)將轉(zhuǎn)軸和舵機(jī)轉(zhuǎn)盤(pán)相連，形成繞軸的扭轉(zhuǎn)力。（3）將手臂的兩個(gè)側(cè)板固定成臂形。

2.2控制電路部分的設(shè)計(jì)與制作

控制電路部分以STC12C5A60S2單片機(jī)為核心，STC12C5A60S2單片機(jī)中集成了高精度的A/D轉(zhuǎn)換器，可將加速度傳感器采集的模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，數(shù)字量經(jīng)過(guò)單片機(jī)的處理后產(chǎn)生PWM波，驅(qū)動(dòng)機(jī)械臂上的伺服舵機(jī)。如圖2.2所示：

圖2.2 整體框圖

MMA7260傳感器：根據(jù)人手臂的運(yùn)動(dòng)角度，傳感器將輸出不同的電壓，從而確定人手臂的狀態(tài)。

A/D轉(zhuǎn)換：將采集到的傳感器輸出的模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。

CPU：處理A/D轉(zhuǎn)換輸出的數(shù)字量，輸出PWM波。

MG995舵機(jī)：用做機(jī)械臂的關(guān)節(jié)力量來(lái)源，接收PWM波信號(hào)，分析其占空比，轉(zhuǎn)動(dòng)不同的角度。

2.3舵機(jī)控制的實(shí)現(xiàn)方法

單片機(jī)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)舵機(jī)輸出轉(zhuǎn)角的控制，必須完成兩個(gè)任務(wù)：首先是產(chǎn)生基本的PWM周期信號(hào)，本設(shè)計(jì)是產(chǎn)生20ms的周期信號(hào)；其次是脈寬的調(diào)整，即單片機(jī)模擬PWM信號(hào)的輸出，并且調(diào)整占空比。

具體的設(shè)計(jì)過(guò)程：例如讓舵機(jī)轉(zhuǎn)向左極限的角度，它的正脈沖為2ms，則負(fù)脈沖為20ms-2ms=18ms，所以開(kāi)始時(shí)在控制口發(fā)送高電平，然后設(shè)置定時(shí)器在2ms后發(fā)生中斷，中斷發(fā)生后，在中斷程序里將控制口改為低電平，并將中斷時(shí)間改為18ms，再過(guò)18ms進(jìn)入下一次定時(shí)中斷，再將控制口改為高電平，并將定時(shí)器初值改為2ms，等待下次中斷到來(lái)，如此往復(fù)實(shí)現(xiàn)PWM信號(hào)輸出到舵機(jī)。用修改定時(shí)器中斷初值的方法巧妙形成了脈沖信號(hào)，調(diào)整時(shí)間段的寬度便可使伺服機(jī)靈活運(yùn)動(dòng)。

為保證軟件在定時(shí)中斷里采集其它信號(hào)，并且使發(fā)生PWM信號(hào)的程序不影響中斷程序的運(yùn)行(如果這些程序所占用時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，有可能會(huì)發(fā)生中斷程序還未結(jié)束，下次中斷又到來(lái)的后果)，所以需要將采集信號(hào)的函數(shù)放在長(zhǎng)定時(shí)中斷過(guò)程中執(zhí)行，也就是說(shuō)每經(jīng)過(guò)兩次中斷執(zhí)行一次這些程序，執(zhí)行的周期還是20ms。

如果系統(tǒng)中需要控制幾個(gè)舵機(jī)的準(zhǔn)確轉(zhuǎn)動(dòng)，可以用單片機(jī)和計(jì)數(shù)器進(jìn)行脈沖計(jì)數(shù)產(chǎn)生PWM信號(hào)。脈沖計(jì)數(shù)可以利用51單片機(jī)的內(nèi)部計(jì)數(shù)器來(lái)實(shí)現(xiàn)，但是從軟件系統(tǒng)的穩(wěn)定性和程序結(jié)構(gòu)的合理性看，宜使用外部的計(jì)數(shù)器，可以提高CPU的工作效率。實(shí)驗(yàn)后從精度上考慮，對(duì)于FUTABA系列的接收機(jī)，當(dāng)采用1MHz的外部晶振時(shí)，其控制電壓幅值的變化為0.6mV，而且不會(huì)出現(xiàn)誤差積累，可以滿足控制舵機(jī)的要求。最后考慮數(shù)字系統(tǒng)的離散誤差，經(jīng)估算誤差的范圍在±0.3%內(nèi)，所以采用單片機(jī)和8253、8254這樣的計(jì)數(shù)器芯片的PWM信號(hào)產(chǎn)生電路是可靠的。當(dāng)系統(tǒng)的主要工作任務(wù)就是控制多舵機(jī)的工作，并且使用的舵機(jī)工作周期均為20ms時(shí)，要求硬件產(chǎn)生的多路PWM波的周期也相同。使用51單片機(jī)的內(nèi)部定時(shí)器產(chǎn)生脈沖計(jì)數(shù)，一般工作正脈沖寬度小于周期的1/8，這樣可以在1個(gè)周期內(nèi)分時(shí)啟動(dòng)各路PWM波的上升沿，再利用定時(shí)器中斷T0確定各路PWM波的輸出寬度，定時(shí)器中斷T1控制20ms的基準(zhǔn)時(shí)間。

第1次定時(shí)器中斷T0按20ms的 1/8設(shè)置初值，并設(shè)置輸出I/O口，第1次T0定時(shí)中斷響應(yīng)后，將當(dāng)前輸出I/O口對(duì)應(yīng)的引腳輸出置高電平，設(shè)置該路輸出正脈沖寬度，并啟動(dòng)第2次定時(shí)器中斷，輸出I/O口指向下一個(gè)輸出口。第2次定時(shí)器定時(shí)時(shí)間結(jié)束后，將當(dāng)前輸出引腳置低電平，設(shè)置此中斷周期為20ms的1/8減去正脈沖的時(shí)間，此路PWM信號(hào)在該周期中輸出完畢，往復(fù)輸出。在每次循環(huán)的第16次(2×8=16)中斷實(shí)行關(guān)定時(shí)中斷T0的操作，最后就可以實(shí)現(xiàn)8路舵機(jī)控制信號(hào)的輸出。

也可以采用外部計(jì)數(shù)器進(jìn)行多路舵機(jī)的控制，但是因?yàn)槌Ｒ?jiàn)的8253、8254芯片都只有3個(gè)計(jì)數(shù)器，所以當(dāng)系統(tǒng)需要產(chǎn)生多路PWM信號(hào)時(shí)，使用上述方法可以減少電路，降低成本，也可以達(dá)到較高的精度。調(diào)試時(shí)注意到由于程序中脈沖寬度的調(diào)整是靠調(diào)整定時(shí)器的初值，中斷程序也被分成了8個(gè)狀態(tài)周期，并且需要嚴(yán)格的周期循環(huán)，而且運(yùn)行其他中斷程序代碼的時(shí)間需要嚴(yán)格把握。

3 機(jī)械臂系統(tǒng)組裝及調(diào)試

關(guān)節(jié)電機(jī)參數(shù)確定后，對(duì)機(jī)械臂系統(tǒng)進(jìn)行組裝調(diào)試，在機(jī)械臂的調(diào)試中，需要對(duì)每個(gè)關(guān)節(jié)進(jìn)行分別調(diào)試，確保每個(gè)關(guān)節(jié)都能夠穩(wěn)定的運(yùn)行。

在實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)給定速度指令時(shí)，可通過(guò)安裝在關(guān)節(jié)處的光電編碼器輸出的關(guān)節(jié)位移曲線來(lái)間接地測(cè)量關(guān)節(jié)的速度。速度指令由驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部程序設(shè)定，本實(shí)驗(yàn)中是以梯形指令作為關(guān)節(jié)的速度指令，分為勻加速、勻速及勻減速三個(gè)階段。速度指令及關(guān)節(jié)位移曲線由D/A卡轉(zhuǎn)化為模擬信號(hào)，然后通過(guò)示波器輸出。

從示波器輸出的速度指令曲線及關(guān)節(jié)實(shí)際位移曲線可以看出，當(dāng)給定速度指令為梯形曲線時(shí)，其關(guān)節(jié)位移是一條理想的S型曲線，與理論上的位移曲線完全吻合。同時(shí)，當(dāng)速度由最大值減到零時(shí)，位移曲線能夠在不到100ms的時(shí)間內(nèi)迅速穩(wěn)定，即機(jī)械臂能夠迅速定位，具有較快的響應(yīng)速度。

經(jīng)過(guò)對(duì)各個(gè)關(guān)節(jié)進(jìn)行調(diào)試，機(jī)械臂能夠按給定的速度指令及位移指令穩(wěn)定地運(yùn)行，達(dá)到了設(shè)計(jì)目的。

4 結(jié)論

在實(shí)際應(yīng)用中，采用51單片機(jī)簡(jiǎn)單方便地實(shí)現(xiàn)了舵機(jī)控制需要的PWM信號(hào)。對(duì)機(jī)器臂舵機(jī)控制的測(cè)試表明，舵機(jī)控制系統(tǒng)工作穩(wěn)定，PWM占空比 (0.5～2.5ms 的正脈沖寬度)和舵機(jī)的轉(zhuǎn)角(-90°～90°)線性度較好。

[1] 陳懇等.機(jī)器人技術(shù)與應(yīng)用[M].北京清華大學(xué)出版社,2006,5-6.

[2] David Cook著.畢樹(shù)生等譯.機(jī)器人制作提高篇[M].北京航空航天大學(xué)出版社,2005,10-13.

[3] 侯憲倫等.履帶式機(jī)器人的設(shè)計(jì)[J].機(jī)械制造,2009,7-9.

[4] Warken M.Perturbation-theory for electronic excited-states - the low-lying Rydberg states of water[J].Chem.Phys.1995,103:5554-5564[16]葛兆斌等.履帶式機(jī)器人行走系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析.機(jī)械制造[J],2009,7-8.

[5] 揚(yáng)升，吳懷宇，閆賀等.四自由度模塊化移動(dòng)機(jī)械臂建模與運(yùn)動(dòng)分析[J].現(xiàn)代電子技術(shù).2011,15:212-215.

[6] 李亮等著.機(jī)械手對(duì)目標(biāo)物體抓取研究[J].工業(yè)計(jì)算機(jī),2009,19-23.

[7] 劉繼展等著.番茄采摘機(jī)器人末端執(zhí)行器的硬件設(shè)計(jì)[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),2008,39-43.

[8] 孝文.機(jī)器人發(fā)展的三大趨勢(shì)[J].科技潮,2008,6-9.

[9] 蔡自興.機(jī)器人學(xué)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2000.154-155.

[10] 王偉等.未來(lái)20年(2002-2022)歐洲機(jī)器人發(fā)展路線圖選摘之一[J].機(jī)器人技術(shù)與應(yīng)用,2006,3-4.

云彩霞、1981.11、女、吉林九臺(tái)、碩士、講師，無(wú)線通信與計(jì)算機(jī)應(yīng)用。

The Design of Synchronization Bionic Robot Arm

Yun Caixia,Li Shan,Song Xiaohua,Li Kun
(Yanching Institude of Technology,Hebei Langfang，065201)

This design uses the collected motion signal of the acceleration sensor installed in the arm department,issued in the single-chip smart computing control commands,synchronous movement of the manipulator arm.Acquisition sensor output analog processing After the microcontroller PWM wave using PWM wave-driven steering gear to achieve accurate positioning,so that the robotic arm to achieve three degrees of freedom of movement.But also through programming and bionic complete a variety of expected operating tasks,both in structure and performance of the respective advantages of both humans and machines,human intelligence and adaptability.

Degree-of-freedom；Microcontroller；MM7260；Steering Ge