基于單片機的機械手臂控制系統設計

趙永濤

基于單片機的機械手臂控制系統設計

趙永濤

(甘肅有色冶金職業技術學院，甘肅 金昌 737100)

機械手臂能夠模仿人體上肢來操持相應工具完成一系列的生產操作，是機器人技術領域中應用最為廣泛的自動化裝置，在機械制造和機械加工行業中發揮著重要作用。通過運用單片機技術對機械手臂進行智能化改進，使機械手臂的功能更全面、自動化程度更高，可以顯著提高機械加工的生產效率以及作業人員的安全性，對我國機械制造行業的發展具有重要的意義。

單片機技術；機械手臂；控制系統；系統設計

機械手臂由于在自動化、智能化以及安全性上的具有獨特的優勢，被廣泛應用于我國機械制造和機械加工行業中。通過運用單片機技術對機械手臂進行智能化改進，使機械手臂的功能更全面、自動化程度更高，可以顯著提高機械制造和加工的生產效率和安全性。

1　機械手臂控制系統的整體設計方案

基于單片機技術設計的機械手臂主要由機械系統和電氣系統構成。機械系統為開鏈結構，依靠旋轉開關和機械連桿等構件進行串聯，使關聯連桿發生相對位移，完成相應的操作指令。電氣系統包含單片機、舵機及其控制板，在設備運行時，操作人員的操作指令通過單片機下發到舵機控制板，舵機控制板接收到指令后可將信號放大，并操控舵機在6個自由度內進行有效位移來完成作業[1]。機械手臂控制系統由主控制器和舵機控制板構成，其中主控制器包含復位電路、晶振電路、按鍵電路、電源模塊等，舵機控制板負責操控髖關節、肩關節、2個肘關節、2個腕關節等裝置。

2　機械手臂控制系統的硬件和軟件設計

2.1　硬件設計

控制系統的硬件設計是指運用單片機技術構建機械手臂的主控器系統和舵機控制板，使機械手臂具備識別、處理指令的能力，并能依據指令完成相應的實際操作。控制系統硬件設計主要分為以下3步。

(1)單片機的選型與設計。單片機是組成控制系統的核心設備，是保證系統能夠正常完成作業的硬件基礎。近年來，機械手臂控制系統的功能越來越多樣，能夠實現這些功能的單片機類型也層出不窮，研發人員應根據作業類型、特點以及單片機端口的功能有針對性地選擇與功能相匹配的單片機類型。在確定單片機類型后，研發人員需要進行程序的設計和測試，待測試完成并確定程序能正常運行后，方能將單片機接入時鐘電路和復位電路。

(2)舵機系統的選擇。機械手臂的作業主要依靠舵機完成，穩定可靠的舵機系統是機械手臂正常作業的保證。目前廣泛應用的機械手臂的手腕、肘關節、肩關節和底座4個位置上均需要設置單獨的舵機，不同位置的舵機在功能上的需求也不一致，因此，研發人員要依據實際的作業需求來選擇合適的舵機型號[2]。

(3)舵機控制板的設計。研發人員在設計舵機控制板時，要確保其能準確接到收控制指令，并能依照指令控制相應的舵機完成操作。研發人員借助Python軟件，結合ARM控制器可以完成遠程控制裝置參數與控制程序的設計，可以為操作者配置遠程操作裝置，實現對機械手臂的遠程控制，保證生產安全。

2.2　軟件設計

控制系統軟件的優劣直接決定了機械手臂的運行效果和硬件功能的發揮，因此，研發人員在進行軟件設計時，要確保軟件功能與硬件相匹配，并能滿足實際的作業要求。需要特別注意的是在設計定時器的0端口與終端服務程序時，要提前計算好占空比和導通時間。在軟件編程環節，要確保通信端口與舵機控制系統的軟件功能可以滿足單片機指令傳輸、舵機系統控制、機械手臂控制3個方面的操作需要。以舵機角度控制系統為例，設計人員在編程過程中要基于單片機與舵機角度控制的關系來進行程序設置，并根據運算關系表達式推算出編程所需要的各項數值。完成軟件編程后，要對硬件結構和軟件結構進行調試，觀察控制系統的功能是否健全，整個系統是否能夠正常運行。

3　機械手臂控制系統的調試

要測試機械手臂系統作業的準確性和效率，研發人員需要從代碼檢查、仿真調試、接電運作3個方面入手進行調試工作，總結系統在調試過程中暴露出的問題，并及時進行調整與改進，使機械手臂的作業性能達到設計要求。

3.1　代碼檢查

在完成機械手臂控制系統軟件設計后，研發人員要遵照規范化的要求借助專業的代碼檢查工具對所有軟件中的代碼進行檢查，發現編程問題應及時進行修正，以確保機械手臂控制系統能順利地完成交付和使用，提高整個系統調試的效率。CodeCheck是一種實用性比較強的軟件檢查工具，能依據行業主流安全標準對常見的代碼語言開展針對性檢查，檢查的效率較高[3]。CodeCheck軟件在完成檢查后，還可以自動生成詳細的質量報告，明確指出軟件中所存在的問題以及可能造成的影響，并給出改進建議。應用CodeCheck軟件可以精準定位問題代碼的位置，針對專業性或者復雜程度較高的代碼，還可以直接給出修改示例，這極大地提高了系統調試的效率，縮短了研發人員修復代碼的時間。

3.2　仿真模擬

研發人員在完成代碼檢查后，要對機械手臂控制系統的軟件進行仿真模擬，以此來測試系統的實際運行效果，并根據出現的具體問題和存在的不足進行完善和優化。

目前，主流仿真調試的模式有在線模式和實時模式，在線模式是基于硬件環境來進行調試，實時模式是將系統仿真模擬過程中的瞬間記錄下來并進行相應的調試。研發人員在實際調試過程中要靈活地運用這兩種模式，為系統整體的設計效果提供保障。研發人員可基于仿真系統軟件完成整體控制程序的輸入，通過操作界面來設定相應的場景，讓系統在該場景當中完成仿真運行，并在仿真過程中做好實時記錄，以便于在后期進行相應的調試和調整。

3.3　接電運作

在完成仿真調試之后就可以進行系統的接電運作，以此觀察系統的設計效果，了解軟硬件系統的協調運作情況。研發人員在此過程中要重點觀察電機的運作情況，檢查是否存在反轉的現象，確保系統的運行狀態能滿足實際的生產需要，為機械手臂控制系統的正常運行提供保障。研發人員在具體操作過程中首先要讓機械手臂完成回零啟動，觀察其是否能夠順利地完成上升動作，隨后還需查看機械手臂的行程開關是否能夠在限制行程方面發揮作用，觀察指示燈是否正常。其次要檢查機械手臂執行右行、下降等動作指令時是否順暢，同時觀察在運行過程當中指示燈和行程開關的狀態[4]。最后要通過控制系統發出上升、伸出、縮回以及下降等動作指令，在確保這些動作都能順利完成的情況下才能將系統設計方案投入實際生產應用。

4　結語

機械手臂在自動化、智能化以及安全性上的具有獨特的優勢，被廣泛應用于我國機械制造和機械加工行業中。基于單片機技術進行機械手臂的設計，可從硬件設計和軟件設計著手，優化單片機的選型、舵機系統的設計、控制軟件的設計、代碼的檢查、設備的仿真調試、接電運作等一系列設計流程，可進一步拓展機械手臂的功能，提升其自動化和智能化程度，顯著提高機械制造和加工的生產效率和安全性，同時還有利于提高系統的設計效率，縮短研發人員的設計周期。

[1] 張自強,李占國,王秋紅,等.汽車塑料燃油箱耐火性能試驗裝置中機械手臂逆解分析[J].機械設計,2021,38(1): 72-77.

[2] 郭彤穎,劉雍,王海忱,等.粒子群算法在機械手臂B樣條曲線軌跡規劃中的應用[J].組合機床與自動化加工技術,2019(6):71-73,77.

[3] 史玲玲,史婧,黃曉宇,等.運用兩種方法清洗達芬奇機器人機械手臂效果比較[J].中國消毒學雜志,2018,35(11): 870-871.

[4] 胡磊,胡寧,王立權,等.3SPS-1S并聯機構的仿人機械臂系統設計[J].哈爾濱工程大學學報,2015,36(11):1515- 1521,1531.

Research on the design of manipulator control system based on single chip microcomputer technology

ZHAO Yongtao

(Gansu nonferrous metallurgy vocational and technical college, Jinchang, Gansu 737100, China)

Manipulators can imitate human upper limbs to handle corresponding tools to complete a series of production operations. They are the most widely used automation devices in the field of robot technology and play an important role in mechanical manufacturing, machinery and processing industries. Through the intelligent improvement of the mechanical arm by using the single-chip technology, the function of the mechanical arm is more comprehensive and the degree of automation is higher, which can significantly improve the production efficiency of mechanical processing and manufacturing as well as the safety of operators, which is of great significance to the progress and development of China's mechanical manufacturing industry.

SCM technology; Mechanical arm; Control system; system design

TP241

A

2096–8736(2022)05–0024–03

趙永濤(1988—)，男，甘肅金昌人，大學本科，講師，主要研究方向為電氣自動化。

責任編輯：張亦弛

英文編輯：唐琦軍