基于單片機的機械臂運行軌跡在線控制系統設計

宋東亞

摘 要： 基于PLC的機械臂運行軌跡控制系統通過PLC采集現場信號及輸出信號的狀態變化實現機械臂運行軌跡的控制，不能實現多自由度機械臂控制。設計基于單片機的機械臂運行軌跡在線控制系統，系統硬件由上位機PC在線控制、主控制板和機械臂舵機控制板構成，通過光電編碼器位移傳感器實現機械臂位置、位移感覺，利用舵機控制板采用Arduino舵機擴展板和D?H理論，構建機械臂結構模型，實現多自由度機械臂的控制。系統軟件主要由上位機在線控制部分、主控制板控制程序和舵機控制板程序組成，由主控板控制程序和上位機在線控制程序兩部分實現機械臂控制，通過單片機系統時鐘初始化提高系統的運行速度。實驗結果表明，所設計的系統能夠穩定、快速地實現機械臂軌跡控制，并且準確度高。

關鍵詞： 單片機； 機械臂； 運行軌跡； 舵機控制； 光電編碼器； 位移傳感器

中圖分類號： TN876?34； TP311 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2018）18?0174?04

Design of manipulator movement trajectory online control system based on SCM

SONG Dongya

（Zhengzhou University of Industry Technology， Xinzheng 451150， China）

Abstract： The manipulator movement trajectory control system based on PLC implements trajectory control of manipulator movement by utilizing the PLC to collect status variations of site signals and output signals， and cannot implement control of the multi?degree?of?freedom manipulator. Therefore， a manipulator movement trajectory online control system based on single chip microcomputer （SCM） is designed. The hardware of the system is composed of the upper computer online control of PCs， main control board， and actuator control board of the manipulator. The photoelectric encoder and displacement sensor are adopted to realize sensing of the position and displacement of the manipulator. The structure model of the manipulator is constructed by using the Arduino extension actuator control board and the D?H theory to realize control of the multi?degree?of?freedom manipulator. The software of the system is mainly composed of the online control part of the upper computer， the control program of the main control board， and the program of the actuator control board. The control program of the main control board and the online control program of the upper computer are used to realize control of the manipulator. The running speed of the system is improved by means of clock initialization of the SCM system. The experimental results show that the designed system can implement stable and fast control of manipulator trajectory， and has a high accuracy.

Keywords： SCM； manipulator； movement trajectory； actuator control； photoelectric encoder； displacement sensor

隨著當代社會信息技術和生產自動化程度的突飛猛進，機械人也隨之步入高度自動化、智能化的階段，它替代傳統的人工作業方式，減輕勞動量的同時，還可以提高生產效率、降低生產成本，并且使因人工疏忽導致的安全事故得到極大的減少[1]，在生產、生活中扮演著越來越重要的角色，已成為現代化生產中至關重要的環節。在機械人技術領域中，機械臂通過自動控制具有操作功能和移動功能[2]，可以通過編程來完成各種作業，廣泛的應用在設備裝配、自動噴漆、自動化生產線、教育研究等領域。傳統的基于PLC的機械臂運行軌跡控制系統不能實現多自由度控制，并且存在穩定性差以及精度低的缺點。針對這種情況，本文設計了基于單片機的機械臂運行軌跡在線控制系統。

1 基于單片機的機械臂運行軌跡在線控制系統

1.1 系統硬件結構設計

系統的硬件主要包括上位機PC在線控制、主控制板和機械臂舵機控制板三部分。系統的核心控制器也就是Arduino主控板使用ATmega1280單片機，連同包括顯示模塊、無線收發模塊在內的五個硬件模塊共同組成系統控制器部分。

Arduino主控板經由接口RS 232實現同PC機之間的互通，并于在線控制計算機上進行功能選擇，控制信息經由RS 232通信協議傳輸至主控板。利用主控板對將實施的運行操作和不同參數進行控制，將結果利用RF無線收發模塊傳輸至舵機控制板，生成脈寬調制信號[3]。為達到多個伺服舵機互相協作實現指定操作，需要對傳輸的信號施加有差異的時間控制。

1.2 ATmega1280單片機選擇

機械臂運行軌跡在線控制系統的核心控制器選擇ATmega1280單片機，它是8位微控制器，其特點是能耗小、性能高，片上資源充足。ATmega1280單片機內含86個I/O、16個模擬信號輸入接口、4個串口、E2PROM儲存芯片的同時，還有JTAG模擬等作用，為系統的編程提供便利。

1.3 光電編碼器位移傳感器設計

機械臂正常運作在核心控制器的基礎上還需要有最基本的位置感覺和位移感覺，而感覺則需要利用傳感器實現。本文設計的機械臂運行軌跡在線控制系統采用基于增量式光電編碼器的位移傳感器，此傳感器屬于非接觸型傳感器中的絕對型，具有分辨率高、速度快的特點。使用這種傳感器，機械臂關節不需要校準，只要對該傳感器進行通電設置[4]，控制系統就可以根據編碼器提供的線性或者旋轉位置知道實際的關節位置，編碼器的工作原理如圖1所示。

1.4 舵機控制板設計

本文系統選擇專為調控多自由度機械臂開發的Arduino擴展板作為舵機控制板，實現多自由度機械臂的控制[5]。此擴展板能夠同時控制16路舵機，分辨率達到0.09°，不僅能夠使用USB通信接口，還可以使用TTL通信，方便擴展板與主控制板之間的互連。

機械臂運行軌跡在線控制系統硬件構建完成后，依據D?H理論在空間內對機械臂的各連桿塑造對應坐標系統，得到連桿同機械臂底座的相對坐標系，獲取各連桿位置以及方向[6]，得到機械臂結構圖模型，見圖2。

2 系統軟件設計

機械臂運行軌跡在線控制系統的軟件設計過程中，為了保持思路清晰，提高移植性并方便修改，本文選擇區別作用的模塊化的設計方式設計的系統軟件結構，如圖3所示。軟件系統由上位機在線控制程序、主控制板程序和舵機控制板程序三部分組成。

2.1 機械臂控制系統軟件實現

機械臂運行軌跡在線控制系統軟件控制部分為主控板控制程序及上位機在線控制程序。機械臂主程序分為三種模式：單自由度功能模式、多自由度功能模式以及軌跡規劃功能模式。不同模式間的調用可以利用鍵盤模塊的按鍵或上位機在線控制軟件來實現[7]。機械臂自由度協作狀態可以利用不同的功能模式得到全部體現[8]。

本文使用LabVIEW軟件設計機械臂上位機在線控制軟件，實現上位機對機械臂的在線控制[9]。合格的在線控制界面是利用LabVIEW軟件，基于不同的條件科學對相應的控件實施架構得到。在本文系統的在線控制界面中包括六個舵機的數據在線控制轉盤、速度更改工具以及按鍵工具等。依據RS 232通信協議，本文系統的在線控制軟件能夠對各自由度轉角、方向進行實時控制，其中舵機轉盤上的數值為脈寬值，表示舵機進行更改的角度范圍。

2.2 單片機系統時鐘初始化

一般情況下，單片機為使自身CPU的運行速度和系統的電磁兼容性能得到提升，會利用鎖相環提高片內時鐘頻率，使其大于片外振蕩器的頻率。通過對片內鎖相環電路初始化給系統提供更高的時鐘信號，實現系統運行速度及電磁兼容性能的提升[10]。本文系統選擇外部振蕩源為16 MHz，SYNR值和REFDV值能夠預設，則鎖相環PLL輸出時鐘頻率（單位：MHz）為：

[PLLCLK=2×OSCCLK×SYNR+1REFDV+1 =2×16×4+11+1=80] （1）

式中：SYNR表示時鐘合成寄存器；REFDV表示時鐘分頻寄存器；OSCCLK表示外部晶振（16 MHz）。則可以得到PLLCLK輸出時鐘頻率是80 MHz，總線時鐘選擇寄存器用OSCCLK描述，初始化是[0×8B]內的位PLLSEL=0B1，所以總線時鐘頻率（單位：MHz）可表示為：

[Bus Clcok=PLLCLK/2=802=40] （2）

式中，Bus Clock表示總線時鐘頻率，即本文系統單片機正常運行的總線時鐘頻率是40 MHz。具體流程如圖4所示。

3 實驗分析

實驗為驗證本文設計的基于單片機的機械臂運行軌跡在線控制系統的有效性，進行軌跡控制功能模式的仿真。在圖板上設置A（0，0，0）和B（3，2，0）兩點，使用本文設計的系統控制機械臂末端夾持器從A點開始畫直線到B點結束，計算關節角并參考笛卡爾直線插補算法獲取直線。使用本文系統前、后的直線軌跡的對比如圖5所示。

分析圖5能夠得到，使用本文系統后，機械臂能夠根據預設的軌跡從A點出發，經b，c，d，e點到達B點，說明本文設計的系統能夠有效地實現軌跡控制功能。

實驗為驗證本文系統穩定性，設置機械臂期望運行時間是7.27 s，獲取本文系統與基于PLC的機械臂運行軌跡控制系統完成機械臂運行軌跡控制工作所用時間，如圖6所示。

通過分析圖6得到，由于基于PLC的機械臂運行軌跡控制系統在進行各目標點的操作內都存在停頓現象，而且限定時間減少后，其被動加速導致機械臂關節運行出現“加速?停頓?加速”的現象。而本文系統存在緩沖區，可以確保機械臂關節持續運行。實驗證明，通過本文系統能夠實現機械臂穩定、快速的運行。

實驗為驗證本文系統的實行性，針對梯形軌跡和3次多項式軌跡進行功能測試，測試結果見圖7。

通過圖7能夠得到：梯形軌跡測試內，除穩定階段外，提升及下落階段軌跡控制都存在偏差，偏差小于0.3°，符合條件；3次多項式測試內，軌跡控制效果良好，軌跡控制偏差小于0.4°，符合條件。實驗證明，本文設計的系統進行機械臂運行軌跡控制時精度較高。

4 結 論

本文設計基于單片機的機械臂運行軌跡在線控制系統，系統的硬件主要包括上位機PC在線控制、以ATmega1280單片機為核心控制器的主控制板以及實現多自由度機械臂控制的機械臂舵機控制板三部分；通過光電編碼器位移傳感器能夠實現位置、位移感覺，為機械臂有效運行提供基礎，舵機控制板通過D?H理論，構建機械臂結構模型，實現多自由度機械臂的控制。系統軟件主要由上位機在線控制程序和主控板控制程序以及舵機控制板程序組成。實驗結果表明，本文系統能夠實現機械臂穩定、快速、準確的運行，在工業、農業、醫學等諸多領域具有廣闊的應用前景。

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