摘 要 : 为了降低机械手臂的设计开发难度 ， 并使之尽早地投入应用 ， 设计一种基于单片机和 Arduino 平台的六自由度可控机械手臂 。提出六自由度可控机械手臂的控制方案， 给出机械手臂控制系统的结构框图 。 详细设计六自由度可控机械手臂的硬件系统和软件系统， 给出关键参数的计算过程和计算结果 。 最后 ， 设计制作可控机械手臂实物 ， 并利用机械手臂书写 ( 绘制 ) 大写字母“M ”。 设计过程与实物应用效果表明 : 基于单片机和 Arduino 平台的六自由度机械手臂具有实际的应用价值 。
关键词 : Arduino 平台 ; 机械手臂 ; 六自由度 ; 单片机 ; 实物制作
0 引 言
目前机械手臂是机器人技术领域的重要发展方向 ， 也是得到最广泛实际应用的自动化机械装置。 机械手臂可用于汽车制造等自动化制造行业， 还可用于商业 、 农业 、 医疗 、 救援等各个领域 。但是， 因机械手臂的功能针对性强和售价高昂 ， 使其很难应用于普通场合。
开源硬件的发展 ， 尤其是 Arduino 技术平台的迅猛发展 ， 使开发设计人员更容易进入机械电子学这个精彩的领域。 Arduino 是一款便捷、 灵活 、 容易使用的开源电子原型平台 ， 它包含硬件 ( 各种型号的 Arduino 板 ) 和软件 ( Arduino IDE ) 。 Arduino 的硬件原理图、 电路图、 IDE 软件及核心库文件都是开源的 ， 允许开发者根据自己的设计思想进行改进调整。
基于开源性硬件与软件的思想 ， 本文综合 Arduino 、 单片机和机械臂的理论与技术， 设计制作基于 Arduino 平台的六自由度可控机械手臂。 通过对机械手臂各个关节的精确控制 ， 实现机械手臂六个自由度的调整控制。 该可控机械手臂可以模仿人的手臂 ，通过编程实现简单的动作， 可作为实验教学演示平台 ， 或者在生活中应用 。
1 机械手臂控制方案设计
机械手臂是一种具有高度能动性和高度灵活性的自动化机器， 它是机电一体化设备的典型代表之一 。 因此 ， 机械手臂由机械系统和电气系统两大部分组成。机械手臂的机械系统部分由机械连杆、 旋转关节等单元串联连接而成， 形成串联式开链结构 。 关节的作用是使相互联接的两个连杆产生相对运动。 机械手臂的各关节轴线相互平行或垂直 。机械手臂的电气系统部分就是其控制系统部分， 它由单片机系统、 舵机控制板 、 舵机系统等单元组成 ， 如图 1 所示 。
单片机系统包括主控制器 、 复位电路 、 晶振电路 、 按键电路 、电源模块等部分， 负责发出机械手臂的控制命令 。
舵机控制板为采用 Arduino 平台的开源硬件电路板 ， 可用于二次开发。 舵机控制板负责接收单片机系统发出的控制指令 ， 并将信号放大以驱动各个舵机。舵机系统包括底座舵机、 肩关节舵机 、 肘关节 1 舵机 、 肘关节2 舵机 、 腕关节 1 舵机 、 腕关节 2 舵机等六个舵机 ， 分别用于模拟执行机械手臂的动作。 舵机系统中的六个舵机可分别进行控制 ，进而完成机械手臂六个自由度的调整控制。
2 机械手臂控制系统硬件设计
2． 1 控制系统硬件设计概述
机械手臂控制系统主要由主控制器系统 ( 单片机系统 ) 、 舵机控制板、 舵机系统等单元组成 。 其中 ， 为充分发挥 Arduino 开源硬件电路板的技术开放优势和设计制造优势， 采用直接从 Arduino 平台开发公司购买基于 Arduino 平台的舵机控制板 。 在此基础上 ， 进行二次开发设计， 因此本设计的主要内容集中于主控制器系统 ( 单片机系统) 和舵机系统 。
2． 2 主控制器系统
主控制器系统模块由主控制器 ( 单片机 ) 、 复位电路 、 晶振电路、 按键电路 、 电源模块等部分组成 ， 它是机械手臂控制系统的核心控制装置。
在本设计中 ， 主控制器选用 80C51 型号的单片机 。 单片机的XTAL1、 XTAL2 端口之间接石英晶体振荡电路 ; ＲST 端口接复位电路; P0． 0 ～ P0． 7 端口经上拉电阻接 LCD 显示器 LM016L ， 用于显示发送指令代码的内容。
2． 3 舵机控制板
舵机控制板用于接收单片机系统发出的控制指令 ， 并将控制指令放大编码后控制舵机， 从而带动机械手臂产成相应的动作 。为充公发挥 Arduino 开源硬件电路板的技术开放优势和设计制造优势， 本设计采用直接从 Arduino 平台开发公司购买设计制作完成的舵机控制板。
舵机控制板是一个从机 ， 即它只能接受命令 ， 或者执行事先设置好的命令。 需要使用单片机给舵机控制板发送命令 ， 从而通过舵机控制板来控制舵机。
图 2 所 示 为所购 买 的 舵 机 控制板。 舵 机 控 制板的右上角 ＲXD 、TXD、 GND 三个接口分 别 与 单 片 机的 TXD 、 ＲXD 、GND 三 个 端 口 相连， 用于接收单片机系 统 发 出 的 控制指 令。舵 机 控制板的 S1 ～ S32 组合端口分别用于连接 32 个舵机 ， 每个组合端口中的 + 、 － S三个端口分别用于连接每个舵机的电源正极、 电源负极、 信号控制极 。
2． 4 舵机系统
舵机系统共由六个舵机组成 ， 分别控制机械手臂的六个自由度。 本设计采用的舵机型号为 LF － 20MG ， 如图 3 所示 。 该型号的舵机为直流电动机， 工作电压为直流 4． 8 V ～ 6． 6 V 。 该型号的舵机可以提供的扭矩范围为 1． 62 N · m ～ 1． 96 N · m ， 能够支持机械手臂完成相应动作所需要的扭矩。
3 机械手臂控制系统软件设计
3． 1 控制系统软件设计概述
机械手臂控制系统软件设计的主要任务是 : 根据机械手臂的实际动作要求， 单片机系统编写相应的动作指令 ， 并将动作指令发送给舵机控制板， 通过舵机控制板控制各个舵机 ， 进而完成机械手臂的相应动作。
现以机械手臂书写 ( 绘制 ) 大写字母 “ M ” 为例 ， 机械手臂控制的程序流程为:
( 1 ) 单片机上电初始化 。
( 2 ) 设置单片机与舵机控制板之间通信端口的参数 。
( 3 ) 计算机械手夹紧动作时各个舵机所需的旋转角度 ， 设置并输出机械手夹紧动作组。
( 4 ) 大写字母 “ M ” 的第 1 笔画为 “ 右上长直线 ” ， 计算书写(绘制 ) 第 1 笔画时各个舵机所需的旋转角度 ， 设置并输出机械手臂第 1 笔画动作组 。
( 5 ) 大写字母 “ M ” 的第 2 笔画为 “ 右下短直线 ” ， 计算书写(绘制 ) 第 2 笔画时各个舵机所需的旋转角度 ， 设置并输出机械手臂第 2 笔画动作组 。
( 6 ) 大写字母 “ M ” 的第 3 笔画为 “ 右上短直线 ” ， 计算书写(绘制 ) 第 3 笔画时各个舵机所需的旋转角度 ， 设置并输出机械手臂第 3 笔画动作组 。
( 7 ) 大写字母 “ M ” 的第 4 笔画为 “ 右下长直线 ” ， 计算书写(绘制 ) 第 4 笔画时各个舵机所需的旋转角度 ， 设置并输出机械手臂第 4 笔画动作组 。
( 8 ) 计算机械手释放动作时各个舵机所需的旋转角度 ， 设置并输出机械手释放动作组。
3． 2 单片机串行通信端口的参数计算
在机械手臂控制系统中 ， 主控制器 ( 单片机 ) 与舵机控制板之间采用串行通信方式。 通信协议规定为 : TTL 电平 、 波特率9 600 bps、 无校验位 、8位数据位、1 位停止位。为完成上述的通信协议， 需要计算串行端口定时器初始值 ，其计算公式为:
式中 X 为定时器初始值 ; n 为定时器的位数 ; Baud 为串行接口通讯的波特率; SMOD 为串行端口控制寄存器 PCON 的最高位; f OSC 为单片机的时钟频率 。
当选择定时器为 8 位 、 串行端口通讯的波特率为 9 600 bps 、串行端口控制寄存器 PCON 的最高位为 1 、 单片机的时钟频率为11． 059 2 MHz 时 ， 定时器初始值的计算结果为 :
3． 3 单片机串行通信端口的程序编制
编制的单片机串行通信端口初始化程序为 :
void UartInitialization ( )
{
SCON = 0x50 ; / /8 位异步串行通信口 ， 模式 1
PCON | = 0x80 ; / / SMOD = ”
1
”
TMOD | = 0x20 ; / / 定时器 1 ， 模式 2 ，
8
位重装
TH1 = 0xFA ; / / 定时器初始值高 8 位
TL1 = 0xFA ; / / 定时器初始值低 8 位
IE | = 0x90 ; / / 允许串行中断
TＲ1 = 1 ; / / 启动定时器 1
EA = 1 ; / / 允许所有中断
}
3． 4 舵机角度控制设置值的计算
需要通过主控制器 ( 单片机 ) 设置舵机角度控制设置值 ， 舵机角度控制设置值与舵机角度实际位置值之间的运算关系为:
式中 A x 为舵机角度控制设置值 ; A 0 为舵机角度控制设置值的下限; A m 为舵机角度控制设置值的上限 ; N x 为舵机角度实际位置值; N 0 为舵机角度实际位置值的下限 ; N m 为舵机角度实际位置值的上限。
当舵机角度控制设置值的下限和上限分别为 500 和 2 500 、舵机角度实际位置值的下限和上限分别为 0 度和 180 度时 ， 若使舵机角度实际位置值为 90 度 ， 则应在单片机程序软件中的舵机角度控制设置值的计算结果为:
3． 5 舵机角度控制设置值的程序编制
单片机需要通过舵机控制板来控制舵机的运动 。 在单片机中， 舵机角度控制设置值的编程格式为 ( 以控制单个舵机为例 ) :#1P1500T100 \r\n其中， 数据 1 是舵机的通道 ; 数据 1 500 是舵机角度控制设置值( 表示舵机的旋转角度 ) ， 其范围为 500 ～ 2 500 ; 数据 100 是执行的时间， 其范围为 100 ms ～ 9 999 ms 。编制的单片机控制舵机角度的程序为:
void main ( )
{
UartInitialization ( ) ; / / 串行通信端口初始化
UartSendString ( " #1P1500T100 \ r \ n" ) ; / / S1 号舵机在时间
100ms 内旋转 90 度
while ( 1 ) ;
}
void UartSendString ( uchar * pStr ) / / 串行通信端口发送一个
字符串
{
while ( * pStr ! = 0 )
{
SBUF = * pStr + + ;
while ( TI = = 0 ) ;
TI = 0 ;
}
}
4 实物制作
为验证基于单片机和 Arduino 平台的六自由度可控机械手臂设计方案的正确性和可行性， 设计制作了六自由度可控机械手臂的实物。
基于单片机和 Arduino 平台的六自由度可控机械手臂的实物如图 4 所示 ， 图中展示了利用该机械手臂书写 ( 绘制 ) 大写字母“M ” 的过程和结果。
5 结束语
为降低复杂机械手臂的设计难度和开发难度 ， 快速开发设计简单高效的可控机械手臂， 本文设计一种基于单片机和 Arduino平台的六自由度可控机械手臂。 在该机械手臂控制方案中 ， 通过购买基于 Arduino 平台的舵机控制板 ， 充分发挥了 Arduino 开源硬件电路板的技术开放优势和设计制造优势。 在此基础上 ， 利用单片机系统作为控制系统的控制核心， 快速完成六自由度可控机械手臂的方案设计、 硬件开发 、 软件编程和实物制作的全过程 。
特别地 ， 为了验证可控机械手臂设计方案的正确性和可行性， 设计制作了基于单片机和 Arduino 平台的六自由度可控机械手臂的实物， 并利用该机械手臂实物书写 ( 绘制 ) 大写字母 “ M ”。设计过程与实物应用效果均表明: 基于单片机和 Arduino 平台设 计制作六自由度可控机械手臂， 可以降低机械手臂的设计开发难度， 达到快速应用机械手臂的目的 ， 是一种有效的开发设计途径 。在校本科学生参与了可控机械手臂的设计过程和本论文的写作过程， 提高了学生将理论知识应用于实践开发的能力 ， 也培养了学生的科技创新能力。
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