微型機(jī)械手

李觀華 吳梓揚(yáng) 吳巨聰 岑偉鏗 李俊星

摘 要：機(jī)械手是一種能仿照人手和臂的某些行動功效，用以按牢固法式抓取、搬運(yùn)物件或操縱東西的主動操縱裝配。本裝置用IAP15W4K61S4單片機(jī)作為主芯片采用PID算法控制6路PWM數(shù)字舵機(jī)快速實(shí)現(xiàn)角度定位，通過串口發(fā)送指令使其完成相應(yīng)動作組。

關(guān)鍵詞：機(jī)械手；自動操作；PID；PWM

一、系統(tǒng)方案

1.1、系統(tǒng)基本方案

1.1.1、控制方案設(shè)計(jì)

本裝置通過模擬現(xiàn)實(shí)生活中在手機(jī)上一鍵點(diǎn)餐或者是在PC面板上點(diǎn)取需要的東西的功能，使用串口通信，通過設(shè)定的鍵的功能發(fā)送相應(yīng)的指令到控制器，控制器根據(jù)我們已經(jīng)存儲的動作組做出相應(yīng)的反應(yīng)完成一系列的動作，實(shí)現(xiàn)無人售賣奶茶的目的。其中已設(shè)定的一系列動作組的原理為，舵機(jī)角度控制原理，用到PID算法快速準(zhǔn)確到位，要存儲動作組需要用到Flash快速存儲功能，對應(yīng)的動作組根據(jù)用戶的需要通過串口通信技術(shù)找到相應(yīng)的動作組完成動作。

1.1.2、機(jī)械結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)

根據(jù)實(shí)際機(jī)械手的結(jié)構(gòu)，為了便于機(jī)械手完成對杯子的拿，取，放，倒等一系列動作，設(shè)計(jì)杯子為長方體狀，并橫帶一片支架，機(jī)械手的底座則為穩(wěn)重型保證機(jī)械手在運(yùn)行過程中穩(wěn)不搖擺。在底座上采用x-y軸定位，確保機(jī)械手拿的位置準(zhǔn)確到一個(gè)點(diǎn)，位置誤差小于舵機(jī)控制角度的最小分辨率。采用6自由度機(jī)械手臂，帶6個(gè)舵機(jī)，靈活機(jī)巧，操作空間范圍大，精確到空間上每一個(gè)點(diǎn)。

1.2、各部分方案選擇

1.2.1、控制芯片的選擇

采取IAP15w4k61s4單片機(jī)，數(shù)據(jù)存儲器的容量為4KB（4096），程序存儲器的容量為61KB，速率比一般8051快8-12倍，56K字節(jié)Flash程序存儲器，擦寫次數(shù)10萬次以上，可寄存大量行動組，共 8 通道10位高速ADC，速率可達(dá)30萬次/秒，8路PWM還可當(dāng)8路D/A應(yīng)用， 6通道15位專門的高精度PWM（帶死區(qū)節(jié)制） + 2通道CCP（應(yīng)用它的高速脈沖輸出功效可實(shí)現(xiàn)11～16位PWM），可用來再實(shí)現(xiàn)8路D/A，或2個(gè)16位定時(shí)器，或2個(gè)外部間斷（可用上升沿/下落沿間斷）。 6路增強(qiáng)型PWM，可用做6路舵機(jī)控制，工作頻率范圍：5MHz ～ 30MHz，相當(dāng)于普通8051的60MHz～360MHz，工作頻率廣，內(nèi)部高精度R/C時(shí)鐘（±0.3%），合適裝配對精度的請求，一組高速同步串行通訊端口SPI。

1.2.2、舵機(jī)的選擇

采取數(shù)字舵機(jī)，由于它內(nèi)部配有一個(gè)基準(zhǔn)電路，可以發(fā)出周期為20ms，寬幅為1.5ms的基準(zhǔn)信號，而當(dāng)其控制信號通過接收機(jī)的通路進(jìn)入信號調(diào)控芯片時(shí)會獲得直流偏轉(zhuǎn)電壓，則可用獲得的直流偏轉(zhuǎn)電壓與電位器的電壓比較從而得到電壓差輸出。最終，電壓差的正負(fù)輸送到電機(jī)驅(qū)動芯片確定電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。即當(dāng)舵機(jī)轉(zhuǎn)速給定時(shí)，經(jīng)過級聯(lián)減速齒輪帶領(lǐng)電位器轉(zhuǎn)動，直至電壓差是0，舵機(jī)終止轉(zhuǎn)動。數(shù)字舵機(jī)能夠在把動力脈沖輸送到舵機(jī)馬達(dá)的前刻，對輸入的信號按照給定的數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)制。動力脈沖的寬幅能夠通過利用微處理器的程序運(yùn)算而調(diào)制，來滿足各種不一樣的功能需求，進(jìn)一步改善舵機(jī)的功能。舵機(jī)馬達(dá)能夠在更高的頻率，接收并應(yīng)合發(fā)射機(jī)的信號，并且“無應(yīng)合區(qū)”縮小；造成的應(yīng)合更快；增速和降速時(shí)也更敏捷、更輕柔；數(shù)字舵機(jī)能供應(yīng)更優(yōu)的精度和更高的固定力量。為了可以拿到更重的東西，采用扭力為15kg.cm的數(shù)字舵機(jī)，扭力強(qiáng)，虛位窄，死區(qū)窄，響應(yīng)快，滿足實(shí)際動作需要。

二、功能與指標(biāo)

該裝置的功能是在消費(fèi)者用戶按下標(biāo)有相應(yīng)飲品的按鍵后，機(jī)械手控制器通過串口接收相應(yīng)的指令，并完成相應(yīng)的動作組，制作出相應(yīng)的飲品。每一種不同的飲品的制做過程，都有相應(yīng)的一套動作組，并且能在待取杯子和待放成品的碗固定位置的情況下，做到高精度的制做過程。每一個(gè)動作的角度控制精度都能夠滿足實(shí)際的需要。控制精度的指標(biāo)為舵機(jī)的角度精度，可由不斷重復(fù)的實(shí)物制做過程看出。

三、實(shí)現(xiàn)原理

3.1、舵機(jī)控制原理

利用單個(gè)定時(shí)器中斷法，將舵機(jī)20ms的周期分解成若干份（由于舵機(jī)控制信號的最大高電平時(shí)間為2.5ms，故一般分成8份以上），每一份時(shí)間完成一個(gè)舵機(jī)的調(diào)控。已將20ms平均分解為8份為例進(jìn)行說明：單片機(jī)上電初始化時(shí)，先將所有的I/O端口電平拉低；當(dāng)定時(shí)器產(chǎn)生第一次溢出中斷時(shí)，在中斷服務(wù)程序中對定時(shí)器計(jì)數(shù)寄存器重新賦值，所賦值為第一個(gè)受控舵機(jī)控制信號的高電平時(shí)間值，并將I/O口拉高；當(dāng)定時(shí)器產(chǎn)生第二次中斷時(shí)，繼續(xù)給寄存器重新賦值，此次所賦值為2.5ms減去高電平所得時(shí)間值；剩下的17.5ms時(shí)間內(nèi)重復(fù)7次上述操作，這樣就完成8個(gè)舵機(jī)的控制。舵機(jī)的調(diào)控通常要有一個(gè)大概20ms的時(shí)基脈沖，其脈沖的高電平時(shí)段通常為0.5～2.5ms范圍內(nèi)的角度調(diào)控脈沖時(shí)段，總間隔為2ms。即舉例180度角度伺服，則相應(yīng)的調(diào)控關(guān)系如下陳述：0.5ms對應(yīng)0度；1.0ms對應(yīng)45度；1.5ms對應(yīng)90度；2.0ms對應(yīng)135度；2.5ms對應(yīng)180度；

3.2、串口通信原理

主要實(shí)現(xiàn)從串口接收指令實(shí)現(xiàn)對舵機(jī)的控制，同時(shí)支持PWM舵機(jī)和總線舵機(jī)，指令協(xié)議#1P500T500＼r＼n 其中#后面ID可為1-24之間'P'后面500為脈沖數(shù)值范圍500-2500 'T'后面數(shù)字500為舵機(jī)調(diào)速時(shí)間，范圍為100-3000，控制板總線舵機(jī)接在串口2上。通過發(fā)送對應(yīng)指令實(shí)現(xiàn)總線舵機(jī)控制，進(jìn)入定時(shí)器中斷，進(jìn)行分時(shí)復(fù)用產(chǎn)生1-6路 周期=20ms的pwm波形。一個(gè)定時(shí)器可以最多控制8個(gè)舵機(jī)。1：串口1和2分別建立初始化函數(shù)。2：串口1和2分別建立發(fā)送字符函數(shù)。3：串口1接收字符并保存在redata數(shù)組中，字符串以＼r＼n作為結(jié)束符建立函數(shù)，4：串口1接收字符并保存在uart2_buf數(shù)組中，接收字符串以'#'字符開頭 "＼r＼n"作為結(jié)束符建立函數(shù)。

四、軟件流程

1，按下飲品鍵2，控制器收到串口發(fā)送的指令3，舵機(jī)受控轉(zhuǎn)動，完成相應(yīng)動作組4，結(jié)束。

五、實(shí)現(xiàn)功能，特色

實(shí)現(xiàn)的功能：消費(fèi)者用戶可根據(jù)自己喜歡的飲品自行選購，當(dāng)在上位機(jī)軟件上或者PC端按下相應(yīng)的飲品鍵時(shí)，通過串口通信發(fā)送相應(yīng)的指到控制器，舵機(jī)做出相應(yīng)的飲品的一系列動作組完成飲品的制做過程。實(shí)現(xiàn)無人制做及售賣奶茶飲品等，大大減少相應(yīng)的人力，并且可以24小時(shí)不間歇營業(yè)。高效，快速，提高利潤。

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作者簡介：

李觀華，出生年月：1996年5月，性別：男，民族：漢，籍貫（精確到市）：廣東茂名，當(dāng)前職務(wù)：學(xué)術(shù)基金負(fù)責(zé)人，當(dāng)前職稱：學(xué)生，學(xué)歷：本科，研究方向：自動售賣奶茶.