摘要：分別介紹了AT89C51單片機、機器手臂以及伺服電機的硬件結構以及工作原理, 進(jìn)一步詳細討論了基于A(yíng)T89C51單片機控制的機器手臂系統的設計。

　　關(guān)鍵詞：機器手臂; AT89C51; 伺服電機;

　　1、引言

　　機器手臂是近幾十年來(lái)涌現的一種工業(yè)技術(shù)裝備, 它能模仿人體上肢某些動(dòng)作, 在生產(chǎn)過(guò)程中代替人搬運物件或操持工具進(jìn)行操作。在工業(yè)生產(chǎn)中應用機器手臂, 可以提高勞動(dòng)生產(chǎn)率, 保證產(chǎn)品質(zhì)量, 減輕工人勞動(dòng)強度, 實(shí)現生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化。因此近年來(lái)工業(yè)機器手的應用越來(lái)越普遍。

　　機器手臂具有兩個(gè)部分:控制部分和直接進(jìn)行工作的部分。控制系統通過(guò)編程, 決定直接工作的機器臂部分。由于采用程序控制, 所以很容易根據需要改變其工作方式和任務(wù)。

　　本設計結合坐標式三自由度機器機器手臂模型, 應用單片機控制。該手臂具有二或三個(gè)關(guān)節, 夾持裝置, 采用3臺微型伺服馬達驅動(dòng), 至少可以完成抬臂、轉臂、抓取物體等簡(jiǎn)單動(dòng)作。電機的驅動(dòng)控制器由單片機AT89C51實(shí)現, 使其按程序和操作要求實(shí)現抓取、搬運物體。

　　2、伺服馬達

　　微型伺服馬達有著(zhù)如下的優(yōu)點(diǎn):大扭力、控制簡(jiǎn)單、裝配靈活。一個(gè)微型伺服馬達內部包括了一個(gè)小型直流馬達、一組變速齒輪組、一個(gè)反饋可調電位器及一塊電子控制板。其中高速轉動(dòng)的直流馬達提供了原始動(dòng)力, 帶動(dòng)變速 (減速) 齒輪組, 使之產(chǎn)生高扭力的輸出, 齒輪組的變速比愈大, 伺服馬達的輸出扭力也愈大, 也就是說(shuō)越能承受更大的重量, 但轉動(dòng)的速度也愈低。減速齒輪組由馬達驅動(dòng), 其終端 (輸出端) 帶動(dòng)一個(gè)線(xiàn)性的比例電位器作位置檢測, 該電位器把轉角坐標轉換為一比例電壓反饋給控制線(xiàn)路板, 控制線(xiàn)路板將其與輸入的控制脈沖信號比較, 產(chǎn)生糾正脈沖, 并驅動(dòng)馬達正向或反向地轉動(dòng), 使齒輪組的輸出位置與期望值相符, 令糾正脈沖趨于為0, 從而達到使伺服馬達精確定位的目的。伺服馬達的瞬時(shí)運動(dòng)速度是由其內部的直流馬達和變速齒輪組的配合決定的, 在恒定的電壓驅動(dòng)下, 其數值唯一。但其平均運動(dòng)速度可通過(guò)PWM方式控制。標準的微型伺服電機有三條控制線(xiàn), 分別為:電源, 地及控制線(xiàn)。電源線(xiàn)與地線(xiàn)用于提供內部的直流電機及控制線(xiàn)路所需的能源, 電壓通常介于4v到6v之間, 該電源應盡可能與處理系統的電源隔離 (因為伺服電機會(huì )產(chǎn)生噪音) 。甚至小伺服電機在重負載時(shí)也會(huì )拉低放大器的電壓, 所以整個(gè)系統的電源供應的比例必須合理。

1-1伺服電機的控制線(xiàn)路

　　輸入一個(gè)周期性的正向脈沖信號, 這個(gè)周期脈沖信號的高電平時(shí)間通常在1ms~2ms之間, 而的電平時(shí)間應在5ms~20ms之間, 并不很?chē)栏? 下表表示出一個(gè)典型的20ms周期性脈沖的正脈沖寬度與微型伺服電機輸出臂位置的關(guān)系:

1-2伺服電機輸入正脈沖寬度與輸出臂位置關(guān)系

　　通過(guò)實(shí)驗可得出, 只要輸入一個(gè)周期的脈沖, 就可以使電機輸出臂的位置確定下來(lái), 所以這種控制比常用的H型驅動(dòng)電路在硬件及軟件上都更為簡(jiǎn)單。

　　3、A T89C 51單片機與軟件設計

　　本設計采用標準型ATMEL89C51單片機作為主控, 這是一個(gè)低功耗、高性能的CMOS8位單片機, 片上帶有4KFlash存儲器, 允許在系統改寫(xiě)或用編程器編程, 且指令系統和80C51完全兼容。

　　軟件設計的重點(diǎn)在于鍵盤(pán)掃描和脈沖信號寬度變化的產(chǎn)生。鍵盤(pán)掃描程序在各類(lèi)參考書(shū)中已有詳細介紹, 這里我們主要討論脈沖寬度產(chǎn)生的原理。

　　基于軟件的脈沖信號產(chǎn)生通常有延時(shí)法和定時(shí)中斷法。中斷法的原理是, 利用單片機內部定時(shí)器中斷來(lái)實(shí)現。這種方法的特點(diǎn)是精度高。而延時(shí)法一般采用查詢(xún)方式, 在延時(shí)子程序后有處理的程序, 所以有一定的誤差, 因此伺服電機的輸出臂位置有一定誤差, 但在可接受的范圍內。本系統即采用后一種方式, 設計的關(guān)鍵是通過(guò)鍵盤(pán)掃描確定對哪臺電機控制, 以及怎樣通過(guò)調節輸出脈沖寬度來(lái)調節該電機的輸出臂位置。

　　由于涉及到三個(gè)電機的控制, 每個(gè)電機有一個(gè)自由度, 每個(gè)自由度用兩個(gè)開(kāi)關(guān)進(jìn)行控制, 共需要六個(gè)開(kāi)關(guān)來(lái)對三個(gè)電機控制, 所以在主程序中, 在對單片機中需要用到的端口初始化后, 這樣使得電機輸出臂處在0度, 也就是機器手部、機器手臂以及立柱都處在適當的位置, 以等待單片機的輸入信號來(lái)對其進(jìn)行控制。接著(zhù)進(jìn)行鍵盤(pán)掃描程序, 以檢測該對哪個(gè)電機執行什么樣的操作。動(dòng)作子模塊設計的重點(diǎn)是根據動(dòng)作要求得出應輸出正脈沖寬度 (見(jiàn)表1-2) , 由于三個(gè)電機輸出動(dòng)作最終都能歸結到對應電機輸出臂的位置變化, 所以只取其中之一來(lái)討論。在程序的初始化中已經(jīng)將各個(gè)電機的輸出臂位置調整到0度, 在主程序中對鍵盤(pán)掃描后, 將對應按鍵按下的信息輸入到單片機中, 并且判斷應對哪個(gè)電機執行什么樣的動(dòng)作, 動(dòng)作子模塊中就是要將對應的脈沖輸出到相應的電機控制電路上。由表1-2可以看到, 在一個(gè)周期為20ms的脈沖中, 正脈沖的寬度是以0.5ms為單位向上增加的, 并且, 每增加1個(gè)0.5ms的寬度, 電機輸出臂位置就逆時(shí)針轉動(dòng)45°, 例如, 當輸入的脈沖正脈沖寬度為0.5ms時(shí), 對應的輸出臂位置是-90° (初始化后的電機輸出臂位置默認為0度) , 當輸入脈沖寬度增加到1ms時(shí), 輸出臂的位置時(shí)-45°。因此, 只要根據鍵盤(pán)輸入確定應輸出的0.5ms正脈沖的個(gè)數, 執行相應次數的0.5ms延時(shí)子程序的調用, 接著(zhù)在20ms減去正脈沖時(shí)間的時(shí)間里, 持續輸出低電平, 就可以輸出一個(gè)周期為20ms的脈沖, 即可以控制電機的輸出臂到相應的角度, 進(jìn)而通過(guò)傳動(dòng)機構引起機器模型的相應動(dòng)作。

　　4、實(shí)物圖

　　5、總結

　　機器手臂的設包括軟件與硬件系統的設計, 硬件系統主要包括機器手臂機械形態(tài)分析與單片機控制系統的設計, 為實(shí)現的機器手臂具有二或三個(gè)關(guān)節, 有夾持裝置, 用伺服電機驅動(dòng), 可以完成抬臂、轉臂、抓放物體等簡(jiǎn)單動(dòng)作, 完成預定的基本要求。并且, 在進(jìn)一步試驗的基礎上, 改進(jìn)了機械手臂的位置只能固定在特定位置的局限, 使得機器手臂各部件的位置基本可以覆蓋在其運動(dòng)范圍的每個(gè)位置, 可以說(shuō), 實(shí)現了完全由人工操作機器手臂運動(dòng)控制, 這是通過(guò)改變伺服電機控制方式來(lái)實(shí)現的。

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