基于单片机的机械臂电子系统设计与实践

庄艳

（沈阳市化工学校，辽宁 沈阳110122）

1 概述

机械臂控制系统是指一种以自动化方式运行并且形状类似人手臂的机器人，能够从事物料搬运、码垛等操作，并且具有可编程性和通用性，并且可以在手臂前端装配相应的工具，例如手抓、吸盘等，实现抓取、吸取等功能。

2 系统方案设计

2.1 机械臂控制系统总体方案设计及机械臂功能描述

为实现将大型机械臂小型化，本设计采用小型直流伺服机作为机械臂的各关节驱动器，控制器选用能够实现系统小型化的单片机，并为系统各模块设计相应的电源电路。

本文设计的机械臂具有4 个自由度和1 个手爪开合关节，能够实现抓取物料并运送至制定位置的运输和码垛功能。首先，通过机械臂硬件结构的搭建，组装成一个串联型机械臂；然后完成机械臂控制系统的硬件电路设计，包括机械臂小型直流伺服机电源电路设计和单片机最小系统电源设计，并将小型直流伺服机的控制端与单片机对应的脉冲宽度调制信号输出接口相连；最后完成软件程序的编写，以实现运送和码垛任务的动作设计。

2.2 机械臂关节执行器方案

本设计机械臂控制系统的关节执行器选用小型直流伺服机，小型直流伺服机具有位置精准、扭矩大等优点，在大型工业机器人机械臂中常使用交流伺服机作为机械臂关节执行器。由于追求系统小型化，故选用小型直流伺服机，并选取选用数字量舵机。数字量舵机内部具有微处理器，能够接收数字信号输入，一般采用脉冲宽度调试信号，即PWM信号。

2.3 控制核心方案

单片机具有体积小、成本低、控制效果稳定等优点，适合在小型电子控制系统中作为控制器。本设计选用MC9S12 系列单片机作为系统控制器。该款单片机为16bit 单片机，内部核心具有112 个引脚，并且拥有超过50 个输入输出端口。并且该系列单片机内部具有倍频模块，最高主频可达128MHz，运算速度极快。特别是该款单片机内部具有脉冲宽度调制信号模块，可以直接输出脉冲宽度调制信号。

3 系统硬件电路设计

3.1 电源电路模块设计

本设计中构成机械臂的5 个舵机采用+7.2V 电池直接供电，因此舵机供电电源不用单独设计。而机械臂控制系统中的单片机则需要对+7.2V 电池电压进行稳压至+5V 进行供电，故本设计中需要设计一个直流+5V 稳压电路。目前，可使用的稳压电路芯片种类繁多，本设计选用LM2940 三端稳压芯片作为稳压电子元器件，并以此设计出如图1 所示的稳压电路原理图。LM2940 属于低功耗芯片，其前端输入电压范围为+5.5V～+26V，其最大优点是前端输入电压与稳压值之间的电压差较小，在干电池使用过程中，随着电量的减少，其干电池实际电压也会降低，但由于本设计选用额定电压为+7.2V 的电源，其最低使用电压大于5.5V，因此选择LM2940 稳压芯片符合设计需求。图2 中C1 和C2 是两个电解电容，其作用是与LM2940 构成典型稳压电路，并且后端的C2 电解电容容量较大，可以防止舵机在大电流耗电时，瞬间拉低总电源电压而使单片机复位，一旦单片机复位将使控制程序混乱。C3 和C4 的作用是滤波，可防止LM2940 自激振荡，以提高电源的稳定性。

图1

3.2 舵机接线电路设计

本设计机械臂控制系统的关节和手爪采用5 个数字舵机实现控制，每个数字舵机均有3 根线，分别是VCC 电源线、SIG信号线和GND 接地线。每个舵机的VCC 电源线均与+7.2V 电池的正极相接；每个舵机的GND 接地线均与电池的负极相接；5个舵机的SIG 接线端分别与单片机的PWM1、PWM2、PWM3、PWM4 和PWM5 相接，该接线端只能接收数字信号，并实现相应的控制动作。

3.3 系统机械结构设计

如图2 所示为机械臂控制系统整体机械结构图。机械臂主体和控制系统均固定在一张厚度为4mm 的铝合金板上。

图2

图中①是机械手爪；

图中②是控制手爪的舵机，在此命名为A 舵机；

图中③是控制手臂旋转的关节舵机，在此命名为B 舵机；

图中④是控制手爪上下摆动的关节舵机，在此命名为C 舵机；

图中⑤是控制手臂前后摆动的关节舵机，在此命名为D 舵机；

图中⑥是控制整条手臂左右转动的关节舵机，在此命名为E 舵机；

图中⑦是舵机与舵机之间相连的U 型支架，该支架的接孔处与舵机的舵盘通过螺丝螺母固定，支架与支架之间也可固定，属于多功能通用支架；

图中⑧是机械臂控制系统的主控板；

图中⑨是铜柱，其作用是将整个硬件电路板支起至一定高度。经过反复测试发现，所有舵机的控制线均较短，如果控制板搭建位置较低，会严重限制机械手臂的运动范围，有时控制线甚至可能将断开；

图中⑩是为整个机械臂控制系统供电的电源，额定电压值为+7.2V，电量为2000mAh，满电极限电压约为8.2V。

整个机械手臂臂展长度为290mm，共有4 个自由度。自由度是指机械手臂可以在4 个方向上自由运动，包括手爪旋转、手爪上下摆动、手臂前后摆动、手臂左右摆动，分别由B、C、D、E 舵机实现。在自由度的定义中，一般不包含手爪开与合的动作，因此舵机A 不足以成为机械手臂的一个自由度。

此外，为了增强机械手臂运动时的控制稳定性，本设计中舵机电源线和控制线均采用杜邦线头与一字插针插接固定，并在插接处使用热熔胶固定，提高了稳定性，避免了在机械臂运动过程中由于机械振动使电源线或控制线松弛、掉落。此外，电源与主控板之间的接线采用汽车中常用的快速接头，以提高电源的稳定行和系统整体运行的稳定性。

4 系统软件电路设计

4.1 机械臂控制系统的任务

本设计机械臂完成的是对物料的抓取和运送任务。机械臂抓取任务是将机械手臂移动至物料存放的指定位置，然后控制手爪的开合抓取物料。机械臂运送任务是将物料抓取至指定放置位置，随后手爪松开物料，最后手臂复位并等待下一物料的抓取和运送任务。如图3 所示为机械臂控制系统抓取和运送物料的任务示意图。

图3

4.2 控制主程序流程

主程序是单片机控制系统中完成相应任务的程序，一般为主函数中包含的控制流程。机械臂控制系统上电后，首先进行单片机内部模块的初始化，包括PLL 模块、PWM模块和PIT 模块，然后控制机械手复位，随后移动机械臂至物料待抓区域，手爪抓取物料后移动至物料堆放区域，松开物料，最后复位机械手，循环完成物料抓取和移动任务。

5 结论

未来，基于单片机的机械臂控制系统可以发挥更加强大的作用，在本设计的基础上可以设计和制作对应的工作站，以完成系统之间的配合运转。此外，可以将大型工业机器人小型化，通过合理的传感器设置和程序设计，实现小型自动化生产线的设计与应用目的。