六自由度机械手臂单片机控制系统研发

　　摘要：分别介绍了AT89C51单片机、机器手臂以及伺服电机的硬件结构以及工作原理, 进一步详细讨论了基于AT89C51单片机控制的机器手臂系统的设计。

　　关键词：机器手臂; AT89C51; 伺服电机;

　　1、引言

　　机器手臂是近几十年来涌现的一种工业技术装备, 它能模仿人体上肢某些动作, 在生产过程中代替人搬运物件或操持工具进行操作。在工业生产中应用机器手臂, 可以提高劳动生产率, 保证产品质量, 减轻工人劳动强度, 实现生产过程自动化。因此近年来工业机器手的应用越来越普遍。

　　机器手臂具有两个部分:控制部分和直接进行工作的部分。控制系统通过编程, 决定直接工作的机器臂部分。由于采用程序控制, 所以很容易根据需要改变其工作方式和任务。

　　本设计结合坐标式三自由度机器机器手臂模型, 应用单片机控制。该手臂具有二或三个关节, 夹持装置, 采用3台微型伺服马达驱动, 至少可以完成抬臂、转臂、抓取物体等简单动作。电机的驱动控制器由单片机AT89C51实现, 使其按程序和操作要求实现抓取、搬运物体。

　　2、伺服马达

　　微型伺服马达有着如下的优点:大扭力、控制简单、装配灵活。一个微型伺服马达内部包括了一个小型直流马达、一组变速齿轮组、一个反馈可调电位器及一块电子控制板。其中高速转动的直流马达提供了原始动力, 带动变速 (减速) 齿轮组, 使之产生高扭力的输出, 齿轮组的变速比愈大, 伺服马达的输出扭力也愈大, 也就是说越能承受更大的重量, 但转动的速度也愈低。减速齿轮组由马达驱动, 其终端 (输出端) 带动一个线性的比例电位器作位置检测, 该电位器把转角坐标转换为一比例电压反馈给控制线路板, 控制线路板将其与输入的控制脉冲信号比较, 产生纠正脉冲, 并驱动马达正向或反向地转动, 使齿轮组的输出位置与期望值相符, 令纠正脉冲趋于为0, 从而达到使伺服马达精确定位的目的。伺服马达的瞬时运动速度是由其内部的直流马达和变速齿轮组的配合决定的, 在恒定的电压驱动下, 其数值唯一。但其平均运动速度可通过PWM方式控制。标准的微型伺服电机有三条控制线, 分别为:电源, 地及控制线。电源线与地线用于提供内部的直流电机及控制线路所需的能源, 电压通常介于4v到6v之间, 该电源应尽可能与处理系统的电源隔离 (因为伺服电机会产生噪音) 。甚至小伺服电机在重负载时也会拉低放大器的电压, 所以整个系统的电源供应的比例必须合理。

1-1伺服电机的控制线路

　　输入一个周期性的正向脉冲信号, 这个周期脉冲信号的高电平时间通常在1ms~2ms之间, 而的电平时间应在5ms~20ms之间, 并不很严格, 下表表示出一个典型的20ms周期性脉冲的正脉冲宽度与微型伺服电机输出臂位置的关系:

1-2伺服电机输入正脉冲宽度与输出臂位置关系

　　通过实验可得出, 只要输入一个周期的脉冲, 就可以使电机输出臂的位置确定下来, 所以这种控制比常用的H型驱动电路在硬件及软件上都更为简单。

　　3、A T89C 51单片机与软件设计

　　本设计采用标准型ATMEL89C51单片机作为主控, 这是一个低功耗、高性能的CMOS8位单片机, 片上带有4KFlash存储器, 允许在系统改写或用编程器编程, 且指令系统和80C51完全兼容。

　　软件设计的重点在于键盘扫描和脉冲信号宽度变化的产生。键盘扫描程序在各类参考书中已有详细介绍, 这里我们主要讨论脉冲宽度产生的原理。

　　基于软件的脉冲信号产生通常有延时法和定时中断法。中断法的原理是, 利用单片机内部定时器中断来实现。这种方法的特点是精度高。而延时法一般采用查询方式, 在延时子程序后有处理的程序, 所以有一定的误差, 因此伺服电机的输出臂位置有一定误差, 但在可接受的范围内。本系统即采用后一种方式, 设计的关键是通过键盘扫描确定对哪台电机控制, 以及怎样通过调节输出脉冲宽度来调节该电机的输出臂位置。

　　由于涉及到三个电机的控制, 每个电机有一个自由度, 每个自由度用两个开关进行控制, 共需要六个开关来对三个电机控制, 所以在主程序中, 在对单片机中需要用到的端口初始化后, 这样使得电机输出臂处在0度, 也就是机器手部、机器手臂以及立柱都处在适当的位置, 以等待单片机的输入信号来对其进行控制。接着进行键盘扫描程序, 以检测该对哪个电机执行什么样的操作。动作子模块设计的重点是根据动作要求得出应输出正脉冲宽度 (见表1-2) , 由于三个电机输出动作最终都能归结到对应电机输出臂的位置变化, 所以只取其中之一来讨论。在程序的初始化中已经将各个电机的输出臂位置调整到0度, 在主程序中对键盘扫描后, 将对应按键按下的信息输入到单片机中, 并且判断应对哪个电机执行什么样的动作, 动作子模块中就是要将对应的脉冲输出到相应的电机控制电路上。由表1-2可以看到, 在一个周期为20ms的脉冲中, 正脉冲的宽度是以0.5ms为单位向上增加的, 并且, 每增加1个0.5ms的宽度, 电机输出臂位置就逆时针转动45°, 例如, 当输入的脉冲正脉冲宽度为0.5ms时, 对应的输出臂位置是-90° (初始化后的电机输出臂位置默认为0度) , 当输入脉冲宽度增加到1ms时, 输出臂的位置时-45°。因此, 只要根据键盘输入确定应输出的0.5ms正脉冲的个数, 执行相应次数的0.5ms延时子程序的调用, 接着在20ms减去正脉冲时间的时间里, 持续输出低电平, 就可以输出一个周期为20ms的脉冲, 即可以控制电机的输出臂到相应的角度, 进而通过传动机构引起机器模型的相应动作。

　　4、实物图

　　5、总结

　　机器手臂的设包括软件与硬件系统的设计, 硬件系统主要包括机器手臂机械形态分析与单片机控制系统的设计, 为实现的机器手臂具有二或三个关节, 有夹持装置, 用伺服电机驱动, 可以完成抬臂、转臂、抓放物体等简单动作, 完成预定的基本要求。并且, 在进一步试验的基础上, 改进了机械手臂的位置只能固定在特定位置的局限, 使得机器手臂各部件的位置基本可以覆盖在其运动范围的每个位置, 可以说, 实现了完全由人工操作机器手臂运动控制, 这是通过改变伺服电机控制方式来实现的。

　　参考文献
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　　[5]周荷琴.微型计算机原理与接口技术[M].中国科学技术大学出版社.