同步仿生機械臂設計

（燕京理工學院，河北廊坊,065201）

同步仿生機械臂設計

云彩霞,李 珊,宋曉華,李 昆

（燕京理工學院，河北廊坊,065201）

本設計利用安裝在人手臂部的加速度傳感器采集運動信號，單片機智能運算后發出控制指令，實現機械臂與人臂的同步運動。系統將在采集傳感器的輸出模擬量經過單片機的處理產生PWM波，使用PWM波驅動舵機實現準確定位, 使機械臂實現三自由度的運動。而且還可通過編程和仿生來完成各種預期的作業任務，在構造和性能上兼有人和機器各自的優點，體現了人的智能和適應性。

自由度;單片機;MM7260;舵機

0 引言

仿生機械臂是近幾十年發展起來的一種高科技自動化生產設備。仿生機械臂是工業機器人的一個重要分支。它的特點是可通過編程來完成各種預期的作業任務，在構造和性能上兼有人和機器各自的特點，尤其體現了人的智能和適應性。機械臂作業的準確性和各種環境中完成作業的能力，在國民經濟各領域有著廣闊的發展前景。

1 研究目的

同步仿生機械臂設計主要任務是完成機械臂的硬件和軟件兩個方面的設計，需要對機械臂的坐標形式、自由度、驅動機構等進行確定并完成單片機內部的相關程序的編寫。圓柱坐標型機械臂結構簡單緊湊，定位精度較高，占地面積小，因此本設計采用圓柱坐標型。機械臂主要由3個伺服舵機和2個手臂和1個底座組成：（1）小臂部：采用一個鋁合金片和一個簡制的手抓拼接組成。（2）大臂部：采用一個鋁合金片和兩個伺服舵機拼接組成，上部舵機控制小臂的旋轉，下面的舵機控制大臂的旋轉。（3）底座：采用一個鋁合金塊和一個伺服舵機拼接組成，舵機控制手臂部分第三自由度的旋轉。

2 具體設計方案

2.1機械臂的制造

整個手臂的完成效果圖(未安裝舵機)如圖2.1所示。說明：設計時采用了MG995舵機，安裝孔依據其尺寸設計，制作時可依據舵機尺寸進行適當修改。

圖2.1 完成效果圖

底座制作完成后可將其固定在較重的底物上。也可做適當的拓展，比如在其下面裝上可以控制方向的輪子做成可移動的機械手。

腕部設計成能上下旋轉式，前部提供一個可安裝夾持器的接面可以進行擴展。

（1）固定軸采用螺栓式的設計。（2）固定支架結構將轉軸和舵機轉盤相連，形成繞軸的扭轉力。（3）將手臂的兩個側板固定成臂形。

2.2控制電路部分的設計與制作

控制電路部分以STC12C5A60S2單片機為核心，STC12C5A60S2單片機中集成了高精度的A/D轉換器，可將加速度傳感器采集的模擬量轉換為數字量，數字量經過單片機的處理后產生PWM波，驅動機械臂上的伺服舵機。如圖2.2所示：

圖2.2 整體框圖

MMA7260傳感器：根據人手臂的運動角度，傳感器將輸出不同的電壓，從而確定人手臂的狀態。

A/D轉換：將采集到的傳感器輸出的模擬量轉換成數字量。

CPU：處理A/D轉換輸出的數字量，輸出PWM波。

MG995舵機：用做機械臂的關節力量來源，接收PWM波信號，分析其占空比，轉動不同的角度。

2.3舵機控制的實現方法

單片機系統實現對舵機輸出轉角的控制，必須完成兩個任務：首先是產生基本的PWM周期信號，本設計是產生20ms的周期信號；其次是脈寬的調整，即單片機模擬PWM信號的輸出，并且調整占空比。

具體的設計過程：例如讓舵機轉向左極限的角度，它的正脈沖為2ms，則負脈沖為20ms-2ms=18ms，所以開始時在控制口發送高電平，然后設置定時器在2ms后發生中斷，中斷發生后，在中斷程序里將控制口改為低電平，并將中斷時間改為18ms，再過18ms進入下一次定時中斷，再將控制口改為高電平，并將定時器初值改為2ms，等待下次中斷到來，如此往復實現PWM信號輸出到舵機。用修改定時器中斷初值的方法巧妙形成了脈沖信號，調整時間段的寬度便可使伺服機靈活運動。

為保證軟件在定時中斷里采集其它信號，并且使發生PWM信號的程序不影響中斷程序的運行(如果這些程序所占用時間過長，有可能會發生中斷程序還未結束，下次中斷又到來的后果)，所以需要將采集信號的函數放在長定時中斷過程中執行，也就是說每經過兩次中斷執行一次這些程序，執行的周期還是20ms。

如果系統中需要控制幾個舵機的準確轉動，可以用單片機和計數器進行脈沖計數產生PWM信號。脈沖計數可以利用51單片機的內部計數器來實現，但是從軟件系統的穩定性和程序結構的合理性看，宜使用外部的計數器，可以提高CPU的工作效率。實驗后從精度上考慮，對于FUTABA系列的接收機，當采用1MHz的外部晶振時，其控制電壓幅值的變化為0.6mV，而且不會出現誤差積累，可以滿足控制舵機的要求。最后考慮數字系統的離散誤差，經估算誤差的范圍在±0.3%內，所以采用單片機和8253、8254這樣的計數器芯片的PWM信號產生電路是可靠的。當系統的主要工作任務就是控制多舵機的工作，并且使用的舵機工作周期均為20ms時，要求硬件產生的多路PWM波的周期也相同。使用51單片機的內部定時器產生脈沖計數，一般工作正脈沖寬度小于周期的1/8，這樣可以在1個周期內分時啟動各路PWM波的上升沿，再利用定時器中斷T0確定各路PWM波的輸出寬度，定時器中斷T1控制20ms的基準時間。

第1次定時器中斷T0按20ms的 1/8設置初值，并設置輸出I/O口，第1次T0定時中斷響應后，將當前輸出I/O口對應的引腳輸出置高電平，設置該路輸出正脈沖寬度，并啟動第2次定時器中斷，輸出I/O口指向下一個輸出口。第2次定時器定時時間結束后，將當前輸出引腳置低電平，設置此中斷周期為20ms的1/8減去正脈沖的時間，此路PWM信號在該周期中輸出完畢，往復輸出。在每次循環的第16次(2×8=16)中斷實行關定時中斷T0的操作，最后就可以實現8路舵機控制信號的輸出。

也可以采用外部計數器進行多路舵機的控制，但是因為常見的8253、8254芯片都只有3個計數器，所以當系統需要產生多路PWM信號時，使用上述方法可以減少電路，降低成本，也可以達到較高的精度。調試時注意到由于程序中脈沖寬度的調整是靠調整定時器的初值，中斷程序也被分成了8個狀態周期，并且需要嚴格的周期循環，而且運行其他中斷程序代碼的時間需要嚴格把握。

3 機械臂系統組裝及調試

關節電機參數確定后，對機械臂系統進行組裝調試，在機械臂的調試中，需要對每個關節進行分別調試，確保每個關節都能夠穩定的運行。

在實驗中，當給定速度指令時，可通過安裝在關節處的光電編碼器輸出的關節位移曲線來間接地測量關節的速度。速度指令由驅動器內部程序設定，本實驗中是以梯形指令作為關節的速度指令，分為勻加速、勻速及勻減速三個階段。速度指令及關節位移曲線由D/A卡轉化為模擬信號，然后通過示波器輸出。

從示波器輸出的速度指令曲線及關節實際位移曲線可以看出，當給定速度指令為梯形曲線時，其關節位移是一條理想的S型曲線，與理論上的位移曲線完全吻合。同時，當速度由最大值減到零時，位移曲線能夠在不到100ms的時間內迅速穩定，即機械臂能夠迅速定位，具有較快的響應速度。

經過對各個關節進行調試，機械臂能夠按給定的速度指令及位移指令穩定地運行，達到了設計目的。

4 結論

在實際應用中，采用51單片機簡單方便地實現了舵機控制需要的PWM信號。對機器臂舵機控制的測試表明，舵機控制系統工作穩定，PWM占空比 (0.5～2.5ms 的正脈沖寬度)和舵機的轉角(-90°～90°)線性度較好。

[1] 陳懇等.機器人技術與應用[M].北京清華大學出版社,2006,5-6.

[2] David Cook著.畢樹生等譯.機器人制作提高篇[M].北京航空航天大學出版社,2005,10-13.

[3] 侯憲倫等.履帶式機器人的設計[J].機械制造,2009,7-9.

[4] Warken M.Perturbation-theory for electronic excited-states - the low-lying Rydberg states of water[J].Chem.Phys.1995,103:5554-5564[16]葛兆斌等.履帶式機器人行走系統結構分析.機械制造[J],2009,7-8.

[5] 揚升，吳懷宇，閆賀等.四自由度模塊化移動機械臂建模與運動分析[J].現代電子技術.2011,15:212-215.

[6] 李亮等著.機械手對目標物體抓取研究[J].工業計算機,2009,19-23.

[7] 劉繼展等著.番茄采摘機器人末端執行器的硬件設計[J].農業機械學報,2008,39-43.

[8] 孝文.機器人發展的三大趨勢[J].科技潮,2008,6-9.

[9] 蔡自興.機器人學[M].北京：清華大學出版社，2000.154-155.

[10] 王偉等.未來20年(2002-2022)歐洲機器人發展路線圖選摘之一[J].機器人技術與應用,2006,3-4.

云彩霞、1981.11、女、吉林九臺、碩士、講師，無線通信與計算機應用。

The Design of Synchronization Bionic Robot Arm

Yun Caixia,Li Shan,Song Xiaohua,Li Kun
(Yanching Institude of Technology,Hebei Langfang，065201)

This design uses the collected motion signal of the acceleration sensor installed in the arm department,issued in the single-chip smart computing control commands,synchronous movement of the manipulator arm.Acquisition sensor output analog processing After the microcontroller PWM wave using PWM wave-driven steering gear to achieve accurate positioning,so that the robotic arm to achieve three degrees of freedom of movement.But also through programming and bionic complete a variety of expected operating tasks,both in structure and performance of the respective advantages of both humans and machines,human intelligence and adaptability.

Degree-of-freedom；Microcontroller；MM7260；Steering Ge