基于单片机的机械手臂控制系统设计

  摘 要：在机械手臂控制系统设计中，运用单片机能增强机械手臂的使用性能。基于此，文章详细阐述了硬件系统设计、软件系统设计、系统调试这三个单片机机械手臂控制系统设计环节，深入分析了基于单片机控制系统的机械手臂设计，希望为机械自动化领域的发展提供助力。

  关键词：机械手臂；仿真调试；单片机

  单片机是一种具有中央处理器 CPU、随机存储器 RAM等多项功能的集成电路硅芯片，其在能效上相当于一个微型的计算机系统。人们将其应用到机械手臂设计中，能有效提升控制系统的运行水平，工作者需要深入分析基于单片机的控制系统设计，优化机械手臂的使用性能。

1 硬件系统设计

1.1 单片机控制装置设计

  从整体上看，单片机作为核心控制装置，在机械手臂控制系统的运作中起到了重要作用，工作者需要根据实际需求，合理设置单片机装置结构，保证机械手臂核心控制机制的运行效果。一般来说，单片机包含运算器、控制器、寄存器这三个运作部件，其中运算器负责算术、逻辑运算，控制器负责运行决策，而寄存器则负责与外界设备交换信息，设计者应基于此，选择相应的设计方案，来平衡各项运行功能的落实效果。就目前来看，设计者可以直接选用80C51 单片机，并利用其具备的 12MHz 晶振频率，来满足机械手臂运作系统对数据采集、时间精度等方面的要求，同时，设计者还要将石英晶体振荡电路，接入 XTALI、2 端口。待电路复位后，将 RST 端口接入，并连接 LM016L 与P0.0-7 端口，还要为该途径配备电阻，以确保 LCD 显示器能清晰显示出指令代码。

1.2 舵机系统装置设计

  在机械手臂的控制系统硬件机制中，舵机系统是指由无核心马达、电路板、齿轮、位置检测器等部件构成的位置伺服驱动装置，该装置可以基于从单片机、接收机处获取的信号，利用自身产生的 1.5ms 宽、周期 20ms 的基准信号，以及位置检测器来核查机械手臂是否到达定位。由于该装置设计方案的合理性，直接影响机械手臂的运作精度，设计者需要保障该硬件体系结构的合理性，提升控制系统整体设计水平。一般来说，现阶段常用的舵机系统装置结构为机械手臂腕、肘关节处两个舵机，其余肩关节、底座等位置各一个舵机，同时，设计者还要注意根据使用需求，选择合适的舵机型号，以确保舵机可以正常发挥其使用性能。就目前来看，在机械手臂控制系统设计中应用比较广泛的舵机为 LF-20MG 型号，其依靠直流电动机驱动，扭矩 1.62N·m ～ 1.96N·m、额定电压 4.8V ～ 6.6V，可以满足大部分应用场景对控制系统的需求。

1.3 远程控制装置设计

  如今，人们为了寻求更加便捷的机械控制方式，研发出了远程控制系统，使工作者可以通过控制系统，在现场以外的位置，实现机械手臂的操作，有助于安全生产水平的发展。为此，工作者需要结合实际需求，为机械手臂控制系统配备远程控制装置，保证控制系统设计方案的完整性。通常情况下，远程控制系统主要是由传感器和控制器两部分组成。在传感器方面，设计者可以在控制系统中设置视觉传感器和可穿戴体感传感器，帮助控制系统获取更加详尽的机械手臂运作信息，为控制决策提供参考。在控制器方面，当前在工业现场应用的机械手臂一般都会选用嵌入式控制器作为现场控制装置，同时，设计者还可以直接选用 ARM 控制器，并利用其具备的内置操作系统，结合Python 来进行参数设计、程序设计，使远程控制系统运行参数设定更加便捷。

2 软件系统设计

2.1 定时器 0 端口与中断服务程序设计

  为了使控制系统按照既定的模式运行，设计者要为该系统设计软件程序，以保障机械手臂的整体性能。在此过程中，定时器 0 端与中断服务程序作为操纵机械手臂运行的重要控制程序，设计者应准确应用编程代码，来设计定时器 0 端与中断服务程序。在定时器 0 端程序设计中，设计者需要把工作重心放在 Timer0 的过流具体延迟设置上，基于编程公式：Delay=[(256-REG_val)×(Prescal×4)]÷Fosc （1）结合具体情况，设定 REG val、FOSC 等参数的值，然后带入式（1），即可得出计时器的溢出周期，最后设计者再基于此，构建出完整的执行代码，实现定时器 0 端口程序设计。在中断服务程序设计中，设计者需要按照定时器 0端口程序设计中得出的 Timer0 设置，结合 ISR 函数，设计出完整的中断程序服务程序，实现该项软件系统设计环节。

2.2 占空比和导通时间计算

  设计者需要读取所有舵机的 ADC 值，然后计算出每个舵机的占空比和导通时间，保障机械手臂单片机控制系统的运行效果。一般来说，ADC 的值通常为 0 ～ 1 024，设计者采用 0.097 6 乘以所读取的 ADC 值，即可将其转换为0 ～ 100% 的占空比。此后，设计者首先要将之前得到的0 ～ 100% 的占空比，调整为 ON 时间。在此过程中，由于ON 时间为 180 度，即 2ms，应将占空比乘以 0.02，使其转换为 0 ～ 2ms。其次，根据之前的定时器变量计数增加间隔值，计算出程序准确时间。最后基于此，结合相应的计算公式，即可得出占空比和导通时间。

2.3 舵机角度控制编程

  为了保障舵机运行的准确性，设计者还要在控制软件系统设计中，设置舵机角度控制机制，提升机械手臂运行精度。在编程设计中，单片机与舵机角度控制设置值存在直接关联，其运算关系表达式如下：

式中：Ax 为角度控制设置值；Nx 为角度位置值；Am 与 A0分别为 Ax 的上下限；Nm 与 M0 分别为 Nx 的上下限。设计者通过将具体数据带入式（2），即可推算出编程所需的各项数值，实现舵机角度控制编程。此外，在编程过程中，工作者结合相应的编程格式信息，来进行计算取值，保证控制软件编程的准确性。以编程格式 #1P1500T100\r\n 为例，其中 1500 为角度控制设置值、100 为执行时间、1 为舵机通道，工作者需要基于格式中显示的数值信息，结合运算表达式，来进行舵机角度控制编程。在此过程中，设计者还要注意做好串行通信端口初始化、端口字符串发送等控制系统行为的编程，使单片机可以有效控制机械手臂的动作，增强软件运行效果。

3 系统调试

3.1 代码检查

  在基于单片机的机械手臂控制系统设计中，系统调试作为一项重要环节，设计者首先要做好代码检查工作，并严格按照相应的规范，逐一检查所有的软件代码，及时发现和纠正编程错误，同时，还要建立一个代码检查表，针对经常容易错的位置，进行重点检查，确保各条代码都符合编程规范，促进机械手臂控制系统顺利交付使用。在此过程中，设计者还可以利用相应的代码检查工具，进行代码检查，提高调试环节的效率，例如，CodeCheck代码检查工具，该检查工具能基于 CWE、SANS TOP 25、CERT 等多种业界主流安全标准，针对 Java、C、Python、TypeScript 等多种语言的代码，进行静态检查和安全检查，同时，可以为设计者提供详尽的代码质量报告，并分析出代码中存在的缺陷，然后基于此，提出影响说明、改进意见、修改示例，而且可以精准定位代码问题位置，为设计者的控制软件设计效果提供了有力的保障，有助于整体设计方案的优化 [1]。

3.2 仿真调试

  在代码检查结果确认无问题后，设计者还要对控制系统软件仿真调试处理，模拟出其实际运行效果，然后设计者再根据机械手臂的具体使用需求，进行相应的调试，确保控制系统的设计效果能达到预期。一般来说，仿真调试主要有两种模式，即在线模式和实时模式，其中在线模式是一种设定硬件环境为实际用户系统的仿真调试模式，而实时模式则是指能将系统仿真过程中的每一个瞬时状态记录下来的仿真调试操作，设计者应灵活使用两种方式，来保障控制系统的设计效果。在此过程中，设计者需要基于仿真系统软件，将整体控制程序输入软件中，再通过软件的操作界面，设定应用场景，并进行软件的仿真运行，同时，设计者还要做好相关的记录，为后期的调整提供依据 [2]。

3.3 接电运作

  在系统调试中，接电运作主要是为了检测硬件系统的设计效果以及软件、硬件系统之间的协同运作效果。在该环节中，设计者需要检查电机是否正常运作、是否存在反转现象、运行状态是否满足设计要求等，以便于及时发现和处理控制系统设计中存在的问题，保证机械手臂的正常运作 [3-4]。在此过程中，设计者应先进行手臂的回零启动，再查看手臂是否能顺利完成上升动作，同时，还要查看此时机械手臂的行程开关是否能起到限制行程的作用，而且也要观察指示灯是否正常。之后，再检查机械手臂能否正常完成右行、下降等动作，并逐一检查指示灯、行程开关是否正常运作。此外，设计者还要采用控制系统操作上升、伸出、缩回、下降等多项机械手臂动作，确认其无误后，才能认定控制系统设计方案可以正常投入使用 [5-7]。

4 结束语

  充分发挥单片机的效用有助于机械手臂控制系统设计水平的发展。在机械手臂设计中，工作者利用单片机来构建控制系统可以保障机械手臂硬件设施的使用性能、增强控制软件系统运行的准确性、使机械手臂能顺利投入使用，从而深入优化机械手臂的运作效果。

参考文献：

[1] 刘忠强 , 张立 , 张春晓 . 无线智能浇花机械手控制系统设计与实现 [J]. 山西电子技术 ,2020(2):22-24.

[2] 刘明磊 , 李捍东 , 庞爱平 .6 自由度机械臂远程控制系统研究[J]. 现代电子技术 ,2020,43(2):37-40+44.

[3] 王伟 . 基于单片机的机械手臂控制系统设计 [J]. 机械管理开发 ,2018,33(1):86-87+115.

[4] 方龙 , 陈丹 , 肖献保 . 基于单片机的机械手臂控制系统设计[J]. 广西轻工业 ,2008(8):89-90.

[5] 吴南 . 自动机械手臂控制系统设计 [J]. 轻工科技 ,2019,35(8):77-78.

[6] 关智 . 一种多关节智能机械手臂控制系统设计 [J]. 机械设计与制造 ,2011(12):52-54.

[7] 朱学军 , 泉照之 . 机器人机械手臂关节驱动控制系统设计 [J].微计算机信息 ,2007(11):276-277+230.