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单片机的机械臂研究

时间:2020-08-20 08:34来源:未知 作者:admin 点击:
摘要:工业机器人是现代科学技术的融合下的产物,属于机电自动化设备的一种。机械臂作为工业机器人的核心,在提高工业生产效率的同时,也保障了工作人员的身心安全。本文以某款基于单片机的机械臂为例,对机械臂的设计方法和实现功能进行简要概述,希望为相
  
摘要:工业机器人是现代科学技术的融合下的产物,属于机电自动化设备的一种。机械臂作为工业机器人的核心,在提高工业生产效率的同时,也保障了工作人员的身心安全。本文以某款基于单片机的机械臂为例,对机械臂的设计方法和实现功能进行简要概述,希望为相关行业提供借鉴。
 
关键词:单片机;机械臂;定时器
 
引言
 
在科学技术高速发展的今天,工业机器人实现了普及应用,尤其是在工业生产领域,工业制造、机械制造行业的部分工业生产链已经完全由工业机器人组成,工作人员仅需通过程序控制,即可在规定时间内保质保量的完成生产任务。机械臂作为工业机器人的核心,受到了技术人员的高度关注。因此对此项课题进行研究,其意义十分重大。
 
1机械结构和控制系统
 
1.1机械结构
 
现阶段,机械臂的动力驱动方式主要包括三种:第一种是绳索式;第二种是气动式;第三种为齿轮式。在这三种驱动方式中,应用频率是最高的驱动方式为齿轮式,究其原因,主要是这种驱动方式与其他两种相比,在传动精度、体积、运行效率和稳定性方面优势显著[1]。制造工业的高速发展,对机械臂而言可谓是严峻的考验,多自由度、高速度和精度逐渐成为了机械臂未来发展的方向,本文所研究的机械臂其运动方式为齿轮式。这种基于单片机的机械臂,属于四自由度机械臂,所采取的控制方式为舵机控制,其中1号舵机可以对底座进行控制、是自由旋转功能实现的保障。机械臂的上下运动由2号舵机控制。末端机械抓水平倾角由3号舵机控制,而最后一个舵机可以起到控制机械爪开合的作用。在机械臂运动过程中,为了确保机械臂运行的精度,将数字舵机作为2号舵机的主要内容。
 
1.2控制系统
 
基于单片机的机械臂,其控制系统可以实现对机械臂舵机的有效控制,具体原理为控制系统会通过发送PWM波的方式驱动舵机工作。在这个过程中,PWM波就是所谓的控制信号。在选择主控器型号时,需要将PWM波的生成作为依据。目前,关于PWM信号的生成方法主要包括以下几种,分别为模拟电路生成、可编程逻辑器生成以及单片机生成,在经过综合比较后发现第三种PWM信号生成方法优势显著,具有良好的可靠性和性价比,故将这种方式作为选择。
 
1.3控制系统的实现的功能
 
本文所提出的机械臂结构方案,其动力系统由单片机和舵机构成,其中单片机作为主控器,在发出控制信号后驱动舵机完成动作。这个机械臂的关节数量为四个,且每个关节转动的幅度均为180°,在舵机的驱动作用下做出夹取物件的动作。
 
1.4舵机工作原理和控制方法
 
1.4.1舵机组成舵机是机械臂的重要组成装置,其设计效果会直接影响机械臂功能的实现。在查阅资料后得知,位置反馈电位计、直流电机、舵盘是舵机的主要构成,其内部还包括多条线路、除电源线和控制线外,还有输入线,这些线路在颜色上存在差异,为便于区分,故在实际设计中使电源线为红色,地线为黑色,而输入线为白色。其中地线和电源负责舵机能源的提供。舵机电源电压的规格为两种,如果转矩要求较高,则选择7.2V的电源电压,反之则选择4.8V的电压。白色输入线负责PWM信号的接收和传输[2]。
 
1.4.2舵机的工作原理在PWM控制信号通过信号线被舵机接收后,电机就会在信号的驱动下开始转动,在电机转动的同时,减速齿轮组会向输出舵盘传动,舵机中的反馈电位计、电位计等装置,会以PWM控制信号为标准对比输出电压信号,随后由控制电路板将所在位置作为依据,对电机转动方向和速度进行控制。
 
2系统硬件电路设计
 
本文所提出的机械臂,控制系统的主控器为单片机,故单片机和电路性能与系统整体性能存在密切关联,故在设计机械臂时,必须选择合适的单片机,同时做好外围电路的设计。在综合对比后,将某科技公司生产的STC单片机作为主要选择,究其原因,主要是这款单片机功能先进,且兼容性和抗干扰能力较强,将其作为主要选择,可以保证机械臂的整体性能。外围电路的设计要点如下所述:
 
2.1设计时钟电路
 
外部时钟信号以及振荡器,可以作为获取时钟源的方式。但就实际情况而言,单片机时钟源的获取方式,主要是外部输入,究其原因,主要是这种外部输入的时钟源,与振荡器相比具有灵活性方面的优势,在选择过程中可以将处理速度作为依据,从而保证所选时钟芯片的频率与处理速度相符。
 
2.2设计复位电路
 
单片机内电路的初始化,需要依靠复位操作实现,在初始化完成后,单片机的运行状态会由未知转变为已知。以本文所设计的单片机机械臂为例,在单片机复位引脚RST高电平时间超过5ms时,则表明复位操作目的达成。在电源线正式供电后,电容状态会变为充电状态,RST也会因此进入高电平时间,这个时间由供电时长决定。此外,在单片机的正常运行阶段,工作人员将复位键开启,同样是进入高电平时间的有效方式。
 
2.3设计控制器电源电路
 
基于单片机的机械臂控制器采用了额定电压220V的电源,但考虑到电路需要的电压仅为5V,故通过变压器以及三端稳压芯片的使用,确保电源电压与电路需求的电压相符。目前,常用的三端稳压芯片包括两个系列,第一种为正电压输出系列;另一种为负电压输出系列。所谓三端由三个引脚构成,这些引脚分别代表输出、输出和接地端。选择这种芯片作为稳压电源,其优势为应用成本低廉,且运行可靠性高,同时还具有保护电路的作用。在计算后得知,该芯片的最高输出功率仅为7.5W,使用一片即可满足机械臂设计要求[3]。
 
2.4舵机驱动电路
 
实验结果表明,舵机运行对电源的要求较高,简言之,就是在设计过程中,必须为舵机设置单独的电源,以此来规避单片机和舵机相互干扰的问题。这样控制系统中的电源数量就会由一个变为两个。此外,还要选择大功率的开关电源。
 
2.5设计通信电路
 
机械臂所选择的单片机的串行通信口数量为两个,便于计算机与单片相连接。但在实际串联时,必须要注意电平匹配的问题。如果计算机和单片机在串口电平上不匹配,需要设置电平转换电路,以起到协调串口电平的目的。针对此项问题,本设计所采取的方式为应用MAX232电平转换芯片。这种转换方式与传统方式相比更加先进,且较为简便。
 
3系统软件设计
 
3.1编程语言的选择
 
在科学技术普及应用的背景下,单片机技术实现了快速发展,具体表现为相关理论日益完善,研究者数量不断增加。与之相匹配的编程语言正处在发展完善的阶段。目前C语言、汇编语言以及BASIC语言应用效果较为显著。本系统在设计过程中,所选择的编程语言为C语言,这种语言适用性较强,且具备丰富的数据类型和运算符号。其优点如下所述:①在编程阶段,无需对内部寄存器和存储器进行考虑,可以节省不必要的编程时间;②程序的组成部分为若干个函数,具备模块化结构的优点;③所需子程序可以被直接应用,有利于编程效率的提升;④可以与其他编程语言共同应用。
 
3.2机械臂轨迹规划
 
在工业生产领域,工业机器人的在生产流水线上发挥了关键性的作用。机械臂作为工业机器人的一种,能够完成复杂且重复性的操作,这正是本文设计机械臂的基础。为确保机械臂能够保质保量的完成操作,需要在正式运行之前,通过编程方法的应用,对其运行轨迹进行设计和规划,促使其在实际操作阶段按照预定的轨迹运行。为保证机械臂在运行阶段的稳定性,需要采取有效的方法,确保机械臂各关节不会在运行时产生剧烈波动。目前最常用的方法为对关节转动增量突变现象进行规避。与此同时,合理规划机械臂自由度的位置姿态,有助于实现预期的目的,通俗来讲,就是通过设定机械臂控制参数的方法,实现对自由度的有效控制。结合上文可知,机械臂的最大转动角度为180°,而脉冲宽度最大不超过2.5m,与之相匹配的占空比参数为25000。故在组装阶段,必须提前对关节的转动范围进行考虑,一般情况下,如果堵转小于10s,则可以被舵机所接受,设计人员需要以这个数值为标准,合理调节舵机,控制堵转状态的持续时间。在初始测试阶段,所采取的测试方法最好为单独测试,简而言之,就是针对各个关节展开测试,在测试某一关节的舵机时,其他关节的舵机不能通电。然后依据测试结果,确定机械臂的初始位置。这里所说的初始位置就是指复位状态,在这个状态下,机械臂平衡性较强,便于其完成设计动作。在关节运动范围确定后,需要进行舵机运动范围中间值的设定,本文所设置的中间值为占空比参数。实验结果表明,这种设计方法的应用,可以保障机械臂的运行质量。
 
4结论
 
综上所述,工业机器人是科学技术融合发展的产物,自进入信息化时代后,人类对于工业机器人的效率产生了深刻的认识,在此背景下,逐渐加强了对机械臂控制系统的研究。就事实而言,工业机器人的应用,在一定程度上改变了工业生产方式,但这项研究具有周期性和复杂性的特点,需要漫长的发展过程,仅依靠少部分研究者的力量,无法推动这项技术的发展。因此,建议相关企业和研究机构重视这项技术的研究和应用。
 
参考文献:
 
[1]曲鸣飞,陈楠.基于单片机的机械设备显示器触摸屏控制系统设计[J].内燃机与配件,2019(13):277-279.
 
[2]刘彬,董居林,罗序俊,等.基于stm32f103c8t6单片机的主从式桌面机械臂的设计[J].现代制造技术与装备,2019(02):109-110.
 
[3]宋东亚.基于单片机的机械臂运行轨迹在线控制系统设计[J].现代电子技术,2018,41(18):174-177.
 
[4]冯帅,周一凡,汤茗尧,等.基于单片机的拾取机械臂系统设计与控制[J].电工技术,2019,(18):12-13,18.
 
[5]宋东亚.基于单片机的机械臂运行轨迹在线控制系统设计[J].现代电子技术,2018,41(18):174-177.
 
作者:马瑶瑶 单位:江西科技学院
(责任编辑:admin)
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