AVR單片機控制的多軸機械臂系統設計

劉忠超 肖東岳 翟天嵩

(南陽理工學院電子與電氣工程學院，河南 南陽 473004)

AVR單片機控制的多軸機械臂系統設計

劉忠超 肖東岳 翟天嵩

(南陽理工學院電子與電氣工程學院，河南 南陽 473004)

以Atmel公司的AVR 1280單片機為核心控制器，設計研制了六自由度多軸機械臂，對機械臂控制系統進行了硬件和軟件設計。采用D-H法建立了六自由度機械臂數學建模，在Matlab中實現了運動仿真，并通過LabVIEW軟件完成了上位機監控程序的設計。調試結果表明，系統整體運動靈活，協調性較好，能夠實現機械臂遠程控制以及軌跡規劃功能，有著非常廣闊的應用前景。

AVR單片機 機械臂 D-H法 Matlab建模 LabVIEW 軌跡規劃

0 引言

根據國際標準化組織(ISO)的定義，工業機器人是指通過自動控制而具有操作功能和移動功能，以及可以通過編程來完成各種作業的機器[1]。多軸機械臂在設備裝配、焊接、自動噴漆、自動化生產線等領域有著極其廣泛的應用，它采用機械手來替代傳統的人工作業方式，大大減輕了勞動強度，提高了生產效率，并且可以減少因人工疏忽造成的安全事故[2]。

以Atmel公司的AVR 1280單片機為核心控制器，通過人機接口模塊、語音模塊以及伺服電機，設計了六自由度機械臂的控制系統以及舵機控制系統。通過控制系統主程序以及LabVIEW上位機監控界面的編寫，實現了六自由度多軸機械臂單自由度、多自由度以及軌跡規劃功能，并能實現對運動位姿的遠程監控。

1 系統硬件設計

系統結構如圖1所示。

圖1 多軸機械臂系統框圖

機械臂的硬件系統主要由上位機PC監控部分、AVR1280主控板部分以及機械臂舵機控制板組成。其控制系統以Atmega1280控制器為核心，外部硬件模塊主要有語音模塊、顯示模塊、按鍵模塊、無線收發模塊以及電源模塊。其工作原理為Atmega1280主控板通過RS-232與上位機監控計算機通信，在PC上選擇相應的功能模式，經過RS-232通信協議發送控制數據給AVR主控板。主控板分析出要進行的運動形式及各種參數，通過RF無線傳輸把數據發送給六自由度舵機控制板來產生PWM信號。通過發送不同的控制時序，從而來驅動六個伺服舵機配合完成相應的動作。

1.1 Atmega1280微處理器

Atmega1280是Atmel公司推出的一款8位低能耗、高性能的微控制器。該控制器功能強大，具有非常豐富的片上資源。Atmega1280有多達86個I/O、16個通道的10位ADC、4個USART、4 kB的EEPROM，同時還具有SPI串行接口以及JTAG仿真等功能，能給程序的編寫調試帶來很大的方便[3-4]。

1.2 JQ5600語音模塊

JQ5600是集單片機和語音電路于一體的可編輯語音芯片，完美集成了MP3、WMV的硬解碼。該模塊的外部管腳中,K1～K5為按鍵模式時，觸發播放相應的5段音頻；管腳ADKEY是A/D口；管腳BUSY是播放指示燈，當有音頻輸出時BUSY指示燈亮，無音頻輸出時BUSY指示燈滅；管腳RX和TX用于和單片機進行UART串行通信；管腳SPK-和SPK+用于外接喇叭功放，可以直接驅動1W/8R以下喇叭。

1.3 伺服電機選擇

多軸機械臂主要以舵機作為關節連接體，硬件系統中選用輝盛牌MG995和MG996R型金屬銅齒伺服舵機，其中MG995的輸出力矩為11 kg/cm(6 V)，而MG996R的輸出力矩為15 kg/cm(6 V)，可見MG996R比MG9955的輸出力矩要大很多[5]。結合機械臂整個系統結構來考慮，兩種型號的舵機配合起來使用是可行的。在底座和手腕等受力比較小的部位可以使用MG995，而在手臂部分的關節可以使用MG996R。這樣既能滿足系統的整體控制需求，也節約了系統成本。

1.4 舵機控制板

舵機控制板采用Arduino舵機擴展板，其專門是為控制多自由度機械臂而設計的[6]。該擴展板支持的通信接口為USB/TTL，可以方便地和AVR主控制板進行連接。其驅動舵機的分辨率達到1 μs，即為0.09°，可以同時控制16路舵機。

1.5 RF無線控制

無線數據傳輸采用433 MHz 的RF射頻模塊FHL0611，其最大發射功率10 mW，可以實現收、發模塊之間遠距離傳輸，其可靠傳輸距離可達1 000 m。設計中采用TTL電平方式與AVR單片機相連接，通過無線收發模塊能夠實現AVR上位控制機和舵機控制板之間的通信，在上位機上實現對機械臂的控制。

1.6 電源電路

多軸機械臂控制系統采用7.4 V的鋰電池供電，鋰電池比鎳氫電池供電電流大，足以讓舵機正常工作。系統中單片機供電電壓為5 V，而舵機供電電壓為6 V。因此，一路采用7.4 V轉6 V的降壓器單獨給6個舵機進行供電。該降壓器額定壓降為1.4 V，在輸出開路或者不接負載的時候沒有降壓功能，可以延長電池的使用時間，當有輸出電流時才有降壓功能。另一路采用LM2576開關型降壓穩壓電路給AVR 1280主控板和Arduino舵機擴展板提供+5 V的工作電壓。

2 機械臂模型建立與仿真

2.1 機械臂模型構建

設計的六自由度機械臂結構如圖2所示，圖2中的關節均用伺服電機來實現。其中舵機1在固定底座與連桿1之間，固定基座是用來描述操作臂其他連桿運動的關鍵。為了便于建立模型，關節1變量為零時，基座0和關節1的坐標系重合。后面的5個關節依次順序連接。舵機1、2、3主要用來確定末端執行機構的位置，舵機4、5、6用來確定末端執行機構的方位。

圖2 多軸機械臂結構圖

2.2 數學模型構建

多軸機械臂主要研究的是機械臂各個連桿間的位移關系，該機械臂主要通過Denavit-Hartenberg參數表來描述機械臂各個連桿間的位移關系[7]。利用D-H理論，可以在空間中為機械臂的每一個連桿建立一個坐標系或相對于機械臂底座的相對坐標系，進而確定每一個桿件的位置和方向。

2.3 Matlab的運動仿真

機械臂的模型仿真，采用Matlab平臺下的Robotics Toolbox工具箱。運用Robotics Toolbox工具箱，可以很方便地對機器人運動學的理論進行學習和驗證[8]。機械臂仿真模型構建主要調用Link函數和Robot函數兩個功能函數，實現對機械臂的運動仿真。

3 軟件系統設計

3.1 軟件系統總體框架

系統軟件設計采用模塊化的設計方式，將功能進行分解設計，從而使思路清晰、移植性強，且易于查錯與修改。六自由度機械臂軟件系統組成框圖如圖3所示，主要由上位機監控部分、主控制板控制程序和舵機控制板程序組成。

圖3 軟件系統框圖

3.2 上位機監控界面設計

上位機監控軟件由LabVIEW編寫實現。LabVIEW是圖形化編程軟件代表，采用G語言進行軟件設計具有表達形象、便于理解的優點[9]。根據需求選擇合適控件并進行合理的布局，就可以構建一個美觀的儀器儀表界面[10]。LabVIEW開發的上位機負責發送監控命令和輸出執行的任務。開發的上位機監控界面中，通過六個舵機控制盤能實時對多軸機械臂的位姿進行調節和監控，其中舵機轉盤上的數值代表脈寬值，其可以調整的范圍為0.5～2.5 ms，代表對應關節的舵機角度為-90°～+90°。

4 系統功能測試

功能測試主要給出軌跡規劃功能模式的實現。在空間給定兩點A(0,0,0)和B(3,2,0)的圖板上，指定機械臂末端夾持器從A點到B點畫一條直線，根據機械臂控制算法計算出來的關節角，依照笛卡爾直線插補算法進行直線的繪制。圖4是繪制之前和繪制之后圖板上直線軌跡的對比。從圖4可以看出，機械臂末端的夾持器可以按照預先規劃的軌跡來走，實現軌跡規劃功能。

圖4 軌跡前后對比圖

5 結束語

本文主要完成了六自由度多軸機械臂本體及控制系統的設計與制作。系統硬件部分設計了AVR控制板以及舵機控制板，系統軟件部分建立了系統的運動模型以及仿真模型，并設計了系統的監控界面。最后給出了實際的測試結果。

測試結果表明，設計的多軸機械臂性能穩定，成本較低，控制調節簡單方便，并且能夠對姿態進行遠程實時的采集和控制，在工業自動化裝配、焊接、搬運等領域具有廣闊的應用前景。

[1] 肖南峰.工業機器人[M].北京：機械工業出版社，2011：101-102.

[2] 田海波，馬宏偉，魏娟.串聯機器人機械臂工作空間與結構參數研究[J].農業機械學報，2013(4)：196-201.

[3] 劉忠超，翟天嵩.基于AVR的智能儀表的嵌入式以太網接口設計[J].中國農機化，2012(1)：169-172.

[4] 劉忠超，劉勇軍.基于AVR單片機的網絡化溫室控制器的設計[J].中國農機化，2011(5)：102-104.

[5] 李紅巖，高陽東.基于LPC2131的RF遙控多關節蛇形機器人[J].自動化與儀表，2014(6)：1-4.

[6] 蔡睿妍.基于Arduino的舵機控制系統設計[J].電腦知識與技術，2011(8):3719-3720.

[7] 梁安陽，王蘭美.基于D-H坐標系法的移動噴漆機器人運動學分析[J].機械工程與自動化，2011(5):125-126.

[8] 謝斌，蔡自興.基于MATLAB Robotics Toolbox的機器人學仿真實驗教學[J].計算機教育，2010(19):140-143.

[9] 張琛，原思聰，王蓉，等.小波閾值去噪技術及其在LabVIEW上的實現[J].自動化儀表，2013，34(11):17-20.

[10]陳清培，周松，廖繼明，等.機械加工中LabVIEW測試系統的設計與應用[J].自動化儀表，2013，34(10):74-76.

Design of the Multi-Axis Manipulator System Controlled by AVR MCU

With the AVR 1280 MCU from Atmel Corp. as the core controller, the multi-axis manipulator with six degrees of freedom has been designed and developed, and the hardware and software of the control system for the manipulator are designed. By using D-H method, the mathematical model of the six degrees of freedom manipulator is established, the motion simulation is implemented in Matlab, and the design of PC monitoring program is completed through LabVIEW software. The result of debugging shows that the overall motion of the system is flexible with good coordination. The system can realize remote control of the manipulator and the function of trajectory planning, so it possesses very broad applicable prospects.

AVR MCU Manipulator Denavit-Hartenberg method Matlab modeling LabVIEW Trajectory planning

河南省重點科技攻關基金資助項目(編號：132102210102)。

劉忠超(1979-)，男，2007年畢業于西北農林科技大學農業電氣化與自動化專業，獲碩士學位，講師；主要從事機器人、智能化檢測與控制的研究。

TM571；TP311

A

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201505010

修改稿收到日期：2014-12-05。