单片机的机械臂研究

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。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