基于单片机的机械手臂控制系统设计

赵永涛

基于单片机的机械手臂控制系统设计

赵永涛

(甘肃有色冶金职业技术学院，甘肃 金昌 737100)

机械手臂能够模仿人体上肢来操持相应工具完成一系列的生产操作，是机器人技术领域中应用最为广泛的自动化装置，在机械制造和机械加工行业中发挥着重要作用。通过运用单片机技术对机械手臂进行智能化改进，使机械手臂的功能更全面、自动化程度更高，可以显著提高机械加工的生产效率以及作业人员的安全性，对我国机械制造行业的发展具有重要的意义。

单片机技术；机械手臂；控制系统；系统设计

机械手臂由于在自动化、智能化以及安全性上的具有独特的优势，被广泛应用于我国机械制造和机械加工行业中。通过运用单片机技术对机械手臂进行智能化改进，使机械手臂的功能更全面、自动化程度更高，可以显著提高机械制造和加工的生产效率和安全性。

1　机械手臂控制系统的整体设计方案

基于单片机技术设计的机械手臂主要由机械系统和电气系统构成。机械系统为开链结构，依靠旋转开关和机械连杆等构件进行串联，使关联连杆发生相对位移，完成相应的操作指令。电气系统包含单片机、舵机及其控制板，在设备运行时，操作人员的操作指令通过单片机下发到舵机控制板，舵机控制板接收到指令后可将信号放大，并操控舵机在6个自由度内进行有效位移来完成作业[1]。机械手臂控制系统由主控制器和舵机控制板构成，其中主控制器包含复位电路、晶振电路、按键电路、电源模块等，舵机控制板负责操控髋关节、肩关节、2个肘关节、2个腕关节等装置。

2　机械手臂控制系统的硬件和软件设计

2.1　硬件设计

控制系统的硬件设计是指运用单片机技术构建机械手臂的主控器系统和舵机控制板，使机械手臂具备识别、处理指令的能力，并能依据指令完成相应的实际操作。控制系统硬件设计主要分为以下3步。

(1)单片机的选型与设计。单片机是组成控制系统的核心设备，是保证系统能够正常完成作业的硬件基础。近年来，机械手臂控制系统的功能越来越多样，能够实现这些功能的单片机类型也层出不穷，研发人员应根据作业类型、特点以及单片机端口的功能有针对性地选择与功能相匹配的单片机类型。在确定单片机类型后，研发人员需要进行程序的设计和测试，待测试完成并确定程序能正常运行后，方能将单片机接入时钟电路和复位电路。

(2)舵机系统的选择。机械手臂的作业主要依靠舵机完成，稳定可靠的舵机系统是机械手臂正常作业的保证。目前广泛应用的机械手臂的手腕、肘关节、肩关节和底座4个位置上均需要设置单独的舵机，不同位置的舵机在功能上的需求也不一致，因此，研发人员要依据实际的作业需求来选择合适的舵机型号[2]。

(3)舵机控制板的设计。研发人员在设计舵机控制板时，要确保其能准确接到收控制指令，并能依照指令控制相应的舵机完成操作。研发人员借助Python软件，结合ARM控制器可以完成远程控制装置参数与控制程序的设计，可以为操作者配置远程操作装置，实现对机械手臂的远程控制，保证生产安全。

2.2　软件设计

控制系统软件的优劣直接决定了机械手臂的运行效果和硬件功能的发挥，因此，研发人员在进行软件设计时，要确保软件功能与硬件相匹配，并能满足实际的作业要求。需要特别注意的是在设计定时器的0端口与终端服务程序时，要提前计算好占空比和导通时间。在软件编程环节，要确保通信端口与舵机控制系统的软件功能可以满足单片机指令传输、舵机系统控制、机械手臂控制3个方面的操作需要。以舵机角度控制系统为例，设计人员在编程过程中要基于单片机与舵机角度控制的关系来进行程序设置，并根据运算关系表达式推算出编程所需要的各项数值。完成软件编程后，要对硬件结构和软件结构进行调试，观察控制系统的功能是否健全，整个系统是否能够正常运行。

3　机械手臂控制系统的调试

要测试机械手臂系统作业的准确性和效率，研发人员需要从代码检查、仿真调试、接电运作3个方面入手进行调试工作，总结系统在调试过程中暴露出的问题，并及时进行调整与改进，使机械手臂的作业性能达到设计要求。

3.1　代码检查

在完成机械手臂控制系统软件设计后，研发人员要遵照规范化的要求借助专业的代码检查工具对所有软件中的代码进行检查，发现编程问题应及时进行修正，以确保机械手臂控制系统能顺利地完成交付和使用，提高整个系统调试的效率。CodeCheck是一种实用性比较强的软件检查工具，能依据行业主流安全标准对常见的代码语言开展针对性检查，检查的效率较高[3]。CodeCheck软件在完成检查后，还可以自动生成详细的质量报告，明确指出软件中所存在的问题以及可能造成的影响，并给出改进建议。应用CodeCheck软件可以精准定位问题代码的位置，针对专业性或者复杂程度较高的代码，还可以直接给出修改示例，这极大地提高了系统调试的效率，缩短了研发人员修复代码的时间。

3.2　仿真模拟

研发人员在完成代码检查后，要对机械手臂控制系统的软件进行仿真模拟，以此来测试系统的实际运行效果，并根据出现的具体问题和存在的不足进行完善和优化。

目前，主流仿真调试的模式有在线模式和实时模式，在线模式是基于硬件环境来进行调试，实时模式是将系统仿真模拟过程中的瞬间记录下来并进行相应的调试。研发人员在实际调试过程中要灵活地运用这两种模式，为系统整体的设计效果提供保障。研发人员可基于仿真系统软件完成整体控制程序的输入，通过操作界面来设定相应的场景，让系统在该场景当中完成仿真运行，并在仿真过程中做好实时记录，以便于在后期进行相应的调试和调整。

3.3　接电运作

在完成仿真调试之后就可以进行系统的接电运作，以此观察系统的设计效果，了解软硬件系统的协调运作情况。研发人员在此过程中要重点观察电机的运作情况，检查是否存在反转的现象，确保系统的运行状态能满足实际的生产需要，为机械手臂控制系统的正常运行提供保障。研发人员在具体操作过程中首先要让机械手臂完成回零启动，观察其是否能够顺利地完成上升动作，随后还需查看机械手臂的行程开关是否能够在限制行程方面发挥作用，观察指示灯是否正常。其次要检查机械手臂执行右行、下降等动作指令时是否顺畅，同时观察在运行过程当中指示灯和行程开关的状态[4]。最后要通过控制系统发出上升、伸出、缩回以及下降等动作指令，在确保这些动作都能顺利完成的情况下才能将系统设计方案投入实际生产应用。

4　结语

机械手臂在自动化、智能化以及安全性上的具有独特的优势，被广泛应用于我国机械制造和机械加工行业中。基于单片机技术进行机械手臂的设计，可从硬件设计和软件设计着手，优化单片机的选型、舵机系统的设计、控制软件的设计、代码的检查、设备的仿真调试、接电运作等一系列设计流程，可进一步拓展机械手臂的功能，提升其自动化和智能化程度，显著提高机械制造和加工的生产效率和安全性，同时还有利于提高系统的设计效率，缩短研发人员的设计周期。

[1] 张自强,李占国,王秋红,等.汽车塑料燃油箱耐火性能试验装置中机械手臂逆解分析[J].机械设计,2021,38(1): 72-77.

[2] 郭彤颖,刘雍,王海忱,等.粒子群算法在机械手臂B样条曲线轨迹规划中的应用[J].组合机床与自动化加工技术,2019(6):71-73,77.

[3] 史玲玲,史婧,黄晓宇,等.运用两种方法清洗达芬奇机器人机械手臂效果比较[J].中国消毒学杂志,2018,35(11): 870-871.

[4] 胡磊,胡宁,王立权,等.3SPS-1S并联机构的仿人机械臂系统设计[J].哈尔滨工程大学学报,2015,36(11):1515- 1521,1531.

Research on the design of manipulator control system based on single chip microcomputer technology

ZHAO Yongtao

(Gansu nonferrous metallurgy vocational and technical college, Jinchang, Gansu 737100, China)

Manipulators can imitate human upper limbs to handle corresponding tools to complete a series of production operations. They are the most widely used automation devices in the field of robot technology and play an important role in mechanical manufacturing, machinery and processing industries. Through the intelligent improvement of the mechanical arm by using the single-chip technology, the function of the mechanical arm is more comprehensive and the degree of automation is higher, which can significantly improve the production efficiency of mechanical processing and manufacturing as well as the safety of operators, which is of great significance to the progress and development of China's mechanical manufacturing industry.

SCM technology; Mechanical arm; Control system; system design

TP241

A

2096–8736(2022)05–0024–03

赵永涛(1988—)，男，甘肃金昌人，大学本科，讲师，主要研究方向为电气自动化。

责任编辑：张亦弛

英文编辑：唐琦军