基于單片機的機械臂電子系統設計與實踐

莊艷

（沈陽市化工學校，遼寧 沈陽110122）

1 概述

機械臂控制系統是指一種以自動化方式運行并且形狀類似人手臂的機器人，能夠從事物料搬運、碼垛等操作，并且具有可編程性和通用性，并且可以在手臂前端裝配相應的工具，例如手抓、吸盤等，實現抓取、吸取等功能。

2 系統方案設計

2.1 機械臂控制系統總體方案設計及機械臂功能描述

為實現將大型機械臂小型化，本設計采用小型直流伺服機作為機械臂的各關節驅動器，控制器選用能夠實現系統小型化的單片機，并為系統各模塊設計相應的電源電路。

本文設計的機械臂具有4 個自由度和1 個手爪開合關節，能夠實現抓取物料并運送至制定位置的運輸和碼垛功能。首先，通過機械臂硬件結構的搭建，組裝成一個串聯型機械臂；然后完成機械臂控制系統的硬件電路設計，包括機械臂小型直流伺服機電源電路設計和單片機最小系統電源設計，并將小型直流伺服機的控制端與單片機對應的脈沖寬度調制信號輸出接口相連；最后完成軟件程序的編寫，以實現運送和碼垛任務的動作設計。

2.2 機械臂關節執行器方案

本設計機械臂控制系統的關節執行器選用小型直流伺服機，小型直流伺服機具有位置精準、扭矩大等優點，在大型工業機器人機械臂中常使用交流伺服機作為機械臂關節執行器。由于追求系統小型化，故選用小型直流伺服機，并選取選用數字量舵機。數字量舵機內部具有微處理器，能夠接收數字信號輸入，一般采用脈沖寬度調試信號，即PWM信號。

2.3 控制核心方案

單片機具有體積小、成本低、控制效果穩定等優點，適合在小型電子控制系統中作為控制器。本設計選用MC9S12 系列單片機作為系統控制器。該款單片機為16bit 單片機，內部核心具有112 個引腳，并且擁有超過50 個輸入輸出端口。并且該系列單片機內部具有倍頻模塊，最高主頻可達128MHz，運算速度極快。特別是該款單片機內部具有脈沖寬度調制信號模塊，可以直接輸出脈沖寬度調制信號。

3 系統硬件電路設計

3.1 電源電路模塊設計

本設計中構成機械臂的5 個舵機采用+7.2V 電池直接供電，因此舵機供電電源不用單獨設計。而機械臂控制系統中的單片機則需要對+7.2V 電池電壓進行穩壓至+5V 進行供電，故本設計中需要設計一個直流+5V 穩壓電路。目前，可使用的穩壓電路芯片種類繁多，本設計選用LM2940 三端穩壓芯片作為穩壓電子元器件，并以此設計出如圖1 所示的穩壓電路原理圖。LM2940 屬于低功耗芯片，其前端輸入電壓范圍為+5.5V～+26V，其最大優點是前端輸入電壓與穩壓值之間的電壓差較小，在干電池使用過程中，隨著電量的減少，其干電池實際電壓也會降低，但由于本設計選用額定電壓為+7.2V 的電源，其最低使用電壓大于5.5V，因此選擇LM2940 穩壓芯片符合設計需求。圖2 中C1 和C2 是兩個電解電容，其作用是與LM2940 構成典型穩壓電路，并且后端的C2 電解電容容量較大，可以防止舵機在大電流耗電時，瞬間拉低總電源電壓而使單片機復位，一旦單片機復位將使控制程序混亂。C3 和C4 的作用是濾波，可防止LM2940 自激振蕩，以提高電源的穩定性。

圖1

3.2 舵機接線電路設計

本設計機械臂控制系統的關節和手爪采用5 個數字舵機實現控制，每個數字舵機均有3 根線，分別是VCC 電源線、SIG信號線和GND 接地線。每個舵機的VCC 電源線均與+7.2V 電池的正極相接；每個舵機的GND 接地線均與電池的負極相接；5個舵機的SIG 接線端分別與單片機的PWM1、PWM2、PWM3、PWM4 和PWM5 相接，該接線端只能接收數字信號，并實現相應的控制動作。

3.3 系統機械結構設計

如圖2 所示為機械臂控制系統整體機械結構圖。機械臂主體和控制系統均固定在一張厚度為4mm 的鋁合金板上。

圖2

圖中①是機械手爪；

圖中②是控制手爪的舵機，在此命名為A 舵機；

圖中③是控制手臂旋轉的關節舵機，在此命名為B 舵機；

圖中④是控制手爪上下擺動的關節舵機，在此命名為C 舵機；

圖中⑤是控制手臂前后擺動的關節舵機，在此命名為D 舵機；

圖中⑥是控制整條手臂左右轉動的關節舵機，在此命名為E 舵機；

圖中⑦是舵機與舵機之間相連的U 型支架，該支架的接孔處與舵機的舵盤通過螺絲螺母固定，支架與支架之間也可固定，屬于多功能通用支架；

圖中⑧是機械臂控制系統的主控板；

圖中⑨是銅柱，其作用是將整個硬件電路板支起至一定高度。經過反復測試發現，所有舵機的控制線均較短，如果控制板搭建位置較低，會嚴重限制機械手臂的運動范圍，有時控制線甚至可能將斷開；

圖中⑩是為整個機械臂控制系統供電的電源，額定電壓值為+7.2V，電量為2000mAh，滿電極限電壓約為8.2V。

整個機械手臂臂展長度為290mm，共有4 個自由度。自由度是指機械手臂可以在4 個方向上自由運動，包括手爪旋轉、手爪上下擺動、手臂前后擺動、手臂左右擺動，分別由B、C、D、E 舵機實現。在自由度的定義中，一般不包含手爪開與合的動作，因此舵機A 不足以成為機械手臂的一個自由度。

此外，為了增強機械手臂運動時的控制穩定性，本設計中舵機電源線和控制線均采用杜邦線頭與一字插針插接固定，并在插接處使用熱熔膠固定，提高了穩定性，避免了在機械臂運動過程中由于機械振動使電源線或控制線松弛、掉落。此外，電源與主控板之間的接線采用汽車中常用的快速接頭，以提高電源的穩定行和系統整體運行的穩定性。

4 系統軟件電路設計

4.1 機械臂控制系統的任務

本設計機械臂完成的是對物料的抓取和運送任務。機械臂抓取任務是將機械手臂移動至物料存放的指定位置，然后控制手爪的開合抓取物料。機械臂運送任務是將物料抓取至指定放置位置，隨后手爪松開物料，最后手臂復位并等待下一物料的抓取和運送任務。如圖3 所示為機械臂控制系統抓取和運送物料的任務示意圖。

圖3

4.2 控制主程序流程

主程序是單片機控制系統中完成相應任務的程序，一般為主函數中包含的控制流程。機械臂控制系統上電后，首先進行單片機內部模塊的初始化，包括PLL 模塊、PWM模塊和PIT 模塊，然后控制機械手復位，隨后移動機械臂至物料待抓區域，手爪抓取物料后移動至物料堆放區域，松開物料，最后復位機械手，循環完成物料抓取和移動任務。

5 結論

未來，基于單片機的機械臂控制系統可以發揮更加強大的作用，在本設計的基礎上可以設計和制作對應的工作站，以完成系統之間的配合運轉。此外，可以將大型工業機器人小型化，通過合理的傳感器設置和程序設計，實現小型自動化生產線的設計與應用目的。