基于单片机的机械手臂控制系统设计

中图分类号：TP241
文献标识码：A
文章编号：1003-773X（2018）01-0086-02
引言 机械手臂是一种应用非常广泛的自动化机械装
置，且目前在自动化制造、救援、医疗、农业和商业等 领域都得到了广泛应用。随着开源硬件的研发，设计 人员进入机械电子学领域的难度明显降低。其中，以 Arduino 平台的发展最为迅猛。它是一款涵盖软、硬 件的开源电子原型平台，允许设计人员按需改进调 整核心库文件、软件、硬件原理图及电路图。据此，本 文笔者设计一款基于单片机的六自由度机械手臂， 并重点论述机械手臂控制系统的设计。 1 设计方案
对于机械手臂控制系统，其软件设计的任务是 先由单片机系统按机械手臂的动作要求编写动作指 令，再发送至舵机控制板，然后由舵机控制板对舵机 进行控制，继而实现机械手臂的具体动作。例如，机 械手臂在绘制“M”时，首先，计算、设置通信端口的 参数；其次，计算每一舵机在机械手臂夹紧时的旋转 角度，并设置、输出夹紧动作组合；第三，依次计算每 一舵机在机械手臂绘制“M”的第一笔画（右上长直 线）、第二笔画（右下短直线）、第三笔画（右上短直 线）、第四笔画（右上短直线）时的旋转角度，并分别 设置、输出每一笔画的动作组合；第四，计算每一舵 机在机械手臂释放时的旋转角度，并设置、输出释放 动作组合[5-6]。在整个过程中，需要注意下列要点：
{
SCON=0x50；//8 位异步串行通信口，模式 1
PDON|=0x80；//SMOD=“1”
TMOD|=0x20；// 定时器 1，模式 2,8 位重装
TH1=OxFA；// 定时器初始值高 8 位
TL1=OxFA；// 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
总第 177 期 2018 年第1 期
自动化技术与设计
机械管理开发 MECHANICAL MANAGEMENT AND DEVELOPMENT
Total 177 No.1，2018
DOI:10.16525/14-1134/th.2018.01.39
基于单片机的机械手臂控制系统设计
王伟
机械手臂控制系统的单片机采取串行方式与舵
机控制板实现通信。依据通信协议，停止位 1 位、数
据位 8 位、无校验位、TTL 电平及波特率 9 600 bps。
据此，要求采取下列公式算得串行端口定时器的初
始值 X：
X
=2n-
2SMOD×fOSC 384×Baud
.
其中，n 表示定时器位数；SMOD 表示串行端口控制
在机械手臂控制系统中，舵机控制板属于从机， 即其仅可接受指令或执行预设的命令。据此，舵机控 制板先从单片机处获得控制指令，再完成舵机控制。 为了充分挖掘 Arduino 开源硬件电路板的优势，本 设计决定从 Arduino 平台直接购入舵机控制板，见 图 2。
结合图 2， 舵机 控制 板 右 上 角 的 GND、TXD、
EA=1；// 允许所有中断
（阳煤集团太原化工新材料有限公司， 山西 太原 0330006）
摘 要：应用单片机、Arduino 及机械臂的有关知识，设计一款基于单片机的六自由度机械手臂，并详述其控制
系统的软、硬件设计。该机械手臂能够模仿人的上肢完成简单的动作，因此在实验教学演示平台、生产或生活中
都极具应用价值。
关键词：机械手臂 控制系统设计 单片机 Arduino 平台
寄存器的最高位；fOSC 表示单片机时钟的频率；Baud 表示串行接口通信的波特率。据此，倘若 n=8 位、
Baud=9 600 bps、SMOD=1 及 fOSC=11.059 2 MHz，则 X=250=FA，这是一个十六进制数据。
对于单片机串行通信端口，其初始化程序如下：
viod artInitial ization（）
图 2 舵机控制板
2018 年第 1 期
王伟：基于单片机的机械手臂控制系统设计
Hale Waihona Puke · 87 ·RXD 接口与单片机的 GND、TXD、RXD 端口对应连 接，负责接收源自单片机系统的控制指令；S1-32 组 合端口分别与 32 个舵机连接，且每一组合端口的 S、+、- 端口与每一舵机的信号控制极、电源正、负极 对应连接。 3 软件设计
收稿日期：2017-08-02 作者简介：王伟（1982—），男，硕士研究生，现就职于阳煤集团
太原化工新材料有限公司。
机械手臂的舵机系统由腕关节 1 与 2 舵机、肘 关节 1 与 2 舵机、肩关节舵机及底座舵机等组成。本 设计选取 LF-20MG 型舵机，其是一种直流电动机， 工作电压 4.8~6.6 V、扭矩范围 1.62~1.96 N·m，以向 机械手臂提供动作所需的扭矩[4]。
图 1 所示是机械手臂控制系统的结构图。
源自单片机系统的控制指令及以放大信号的方式驱 动各舵机。综上设计方案，分别从软、硬件的角度出 发，探讨基于单片机的机械手臂控制系统设计[1-2]。 2 硬件设计
在机械手臂控制系统中，单片机系统是最为核 心的控制装置，其由单片机、电源模块、按键电路、晶 振电路及复位电路等组成。本设计选取 80C51 型单 片机为主控制器，并将石英晶体振荡电路接入单片 机的 XTAL1、2 端口，将复位电路接入 RST 端口，将 LCD 显示器 LM016L 接入 P0.0-7 端口，途径上拉电 阻，而其作用是显示指令代码[3]。
复位电路
髋关节舵机 肩关节舵机
晶振电路 按键电路
主控制器 系统
舵机 控制板
肘关节 1 舵机 肘关节 2 舵机
电源模块
腕关节 1 舵机 腕关节 2 舵机
图 1 机械手臂控制系统结构图
结合图 1，机械手臂是由机械系统、电气系统组 成。机械系统是由旋转关节、机械连杆等串接而成的 串联式开链结构，其中关节的轴线存在相互垂直或 平行的关系，能使相连连杆实现相对运动。电气系统 是机械手臂的控制系统，具体由单片机、舵机及舵机 控制板系统等组成。其中，单片机系统负责下发机械 手臂的控制指令。舵机系统由 6 个舵机组成，用于完 成机械手臂的具体动作，以调控其六个自由度。舵机 控制板是基于 Arduino 的开源硬件电路板，负责接收