基于单片机的机械臂运行轨迹在线控制系统设计

宋东亚

摘 要： 基于PLC的机械臂运行轨迹控制系统通过PLC采集现场信号及输出信号的状态变化实现机械臂运行轨迹的控制，不能实现多自由度机械臂控制。设计基于单片机的机械臂运行轨迹在线控制系统，系统硬件由上位机PC在线控制、主控制板和机械臂舵机控制板构成，通过光电编码器位移传感器实现机械臂位置、位移感觉，利用舵机控制板采用Arduino舵机扩展板和D?H理论，构建机械臂结构模型，实现多自由度机械臂的控制。系统软件主要由上位机在线控制部分、主控制板控制程序和舵机控制板程序组成，由主控板控制程序和上位机在线控制程序两部分实现机械臂控制，通过单片机系统时钟初始化提高系统的运行速度。实验结果表明，所设计的系统能够稳定、快速地实现机械臂轨迹控制，并且准确度高。

关键词： 单片机； 机械臂； 运行轨迹； 舵机控制； 光电编码器； 位移传感器

中图分类号： TN876?34； TP311 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2018）18?0174?04

Design of manipulator movement trajectory online control system based on SCM

SONG Dongya

（Zhengzhou University of Industry Technology， Xinzheng 451150， China）

Abstract： The manipulator movement trajectory control system based on PLC implements trajectory control of manipulator movement by utilizing the PLC to collect status variations of site signals and output signals， and cannot implement control of the multi?degree?of?freedom manipulator. Therefore， a manipulator movement trajectory online control system based on single chip microcomputer （SCM） is designed. The hardware of the system is composed of the upper computer online control of PCs， main control board， and actuator control board of the manipulator. The photoelectric encoder and displacement sensor are adopted to realize sensing of the position and displacement of the manipulator. The structure model of the manipulator is constructed by using the Arduino extension actuator control board and the D?H theory to realize control of the multi?degree?of?freedom manipulator. The software of the system is mainly composed of the online control part of the upper computer， the control program of the main control board， and the program of the actuator control board. The control program of the main control board and the online control program of the upper computer are used to realize control of the manipulator. The running speed of the system is improved by means of clock initialization of the SCM system. The experimental results show that the designed system can implement stable and fast control of manipulator trajectory， and has a high accuracy.

Keywords： SCM； manipulator； movement trajectory； actuator control； photoelectric encoder； displacement sensor

随着当代社会信息技术和生产自动化程度的突飞猛进，机械人也随之步入高度自动化、智能化的阶段，它替代传统的人工作业方式，减轻劳动量的同时，还可以提高生产效率、降低生产成本，并且使因人工疏忽导致的安全事故得到极大的减少[1]，在生产、生活中扮演着越来越重要的角色，已成为现代化生产中至关重要的环节。在机械人技术领域中，机械臂通过自动控制具有操作功能和移动功能[2]，可以通过编程来完成各种作业，广泛的应用在设备装配、自动喷漆、自动化生产线、教育研究等领域。传统的基于PLC的机械臂运行轨迹控制系统不能实现多自由度控制，并且存在稳定性差以及精度低的缺点。针对这种情况，本文设计了基于单片机的机械臂运行轨迹在线控制系统。

1 基于单片机的机械臂运行轨迹在线控制系统

1.1 系统硬件结构设计

系统的硬件主要包括上位机PC在线控制、主控制板和机械臂舵机控制板三部分。系统的核心控制器也就是Arduino主控板使用ATmega1280单片机，连同包括显示模块、无线收发模块在内的五个硬件模块共同组成系统控制器部分。

Arduino主控板经由接口RS 232实现同PC机之间的互通，并于在线控制计算机上进行功能选择，控制信息经由RS 232通信协议传输至主控板。利用主控板对将实施的运行操作和不同参数进行控制，将结果利用RF无线收发模块传输至舵机控制板，生成脉宽调制信号[3]。为达到多个伺服舵机互相协作实现指定操作，需要对传输的信号施加有差异的时间控制。

1.2 ATmega1280单片机选择

机械臂运行轨迹在线控制系统的核心控制器选择ATmega1280单片机，它是8位微控制器，其特点是能耗小、性能高，片上资源充足。ATmega1280单片机内含86个I/O、16个模拟信号输入接口、4个串口、E2PROM储存芯片的同时，还有JTAG模拟等作用，为系统的编程提供便利。

1.3 光电编码器位移传感器设计

机械臂正常运作在核心控制器的基础上还需要有最基本的位置感觉和位移感觉，而感觉则需要利用传感器实现。本文设计的机械臂运行轨迹在线控制系统采用基于增量式光电编码器的位移传感器，此传感器属于非接触型传感器中的绝对型，具有分辨率高、速度快的特点。使用这种传感器，机械臂关节不需要校准，只要对该传感器进行通电设置[4]，控制系统就可以根据编码器提供的线性或者旋转位置知道实际的关节位置，编码器的工作原理如图1所示。

1.4 舵机控制板设计

本文系统选择专为调控多自由度机械臂开发的Arduino扩展板作为舵机控制板，实现多自由度机械臂的控制[5]。此扩展板能够同时控制16路舵机，分辨率达到0.09°，不仅能够使用USB通信接口，还可以使用TTL通信，方便扩展板与主控制板之间的互连。

机械臂运行轨迹在线控制系统硬件构建完成后，依据D?H理论在空间内对机械臂的各连杆塑造对应坐标系统，得到连杆同机械臂底座的相对坐标系，获取各连杆位置以及方向[6]，得到机械臂结构图模型，见图2。

2 系统软件设计

机械臂运行轨迹在线控制系统的软件设计过程中，为了保持思路清晰，提高移植性并方便修改，本文选择区别作用的模块化的设计方式设计的系统软件结构，如图3所示。软件系统由上位机在线控制程序、主控制板程序和舵机控制板程序三部分组成。

2.1 机械臂控制系统软件实现

机械臂运行轨迹在线控制系统软件控制部分为主控板控制程序及上位机在线控制程序。机械臂主程序分为三种模式：单自由度功能模式、多自由度功能模式以及轨迹规划功能模式。不同模式间的调用可以利用键盘模块的按键或上位机在线控制软件来实现[7]。机械臂自由度协作状态可以利用不同的功能模式得到全部体现[8]。

本文使用LabVIEW软件设计机械臂上位机在线控制软件，实现上位机对机械臂的在线控制[9]。合格的在线控制界面是利用LabVIEW软件，基于不同的条件科学对相应的控件实施架构得到。在本文系统的在线控制界面中包括六个舵机的数据在线控制转盘、速度更改工具以及按键工具等。依据RS 232通信协议，本文系统的在线控制软件能够对各自由度转角、方向进行实时控制，其中舵机转盘上的数值为脉宽值，表示舵机进行更改的角度范围。

2.2 单片机系统时钟初始化

一般情况下，单片机为使自身CPU的运行速度和系统的电磁兼容性能得到提升，会利用锁相环提高片内时钟频率，使其大于片外振荡器的频率。通过对片内锁相环电路初始化给系统提供更高的时钟信号，实现系统运行速度及电磁兼容性能的提升[10]。本文系统选择外部振荡源为16 MHz，SYNR值和REFDV值能够预设，则锁相环PLL输出时钟频率（单位：MHz）为：

[PLLCLK=2×OSCCLK×SYNR+1REFDV+1 =2×16×4+11+1=80] （1）

式中：SYNR表示时钟合成寄存器；REFDV表示时钟分频寄存器；OSCCLK表示外部晶振（16 MHz）。则可以得到PLLCLK输出时钟频率是80 MHz，总线时钟选择寄存器用OSCCLK描述，初始化是[0×8B]内的位PLLSEL=0B1，所以总线时钟频率（单位：MHz）可表示为：

[Bus Clcok=PLLCLK/2=802=40] （2）

式中，Bus Clock表示總线时钟频率，即本文系统单片机正常运行的总线时钟频率是40 MHz。具体流程如图4所示。

3 实验分析

实验为验证本文设计的基于单片机的机械臂运行轨迹在线控制系统的有效性，进行轨迹控制功能模式的仿真。在图板上设置A（0，0，0）和B（3，2，0）两点，使用本文设计的系统控制机械臂末端夹持器从A点开始画直线到B点结束，计算关节角并参考笛卡尔直线插补算法获取直线。使用本文系统前、后的直线轨迹的对比如图5所示。

分析图5能够得到，使用本文系统后，机械臂能够根据预设的轨迹从A点出发，经b，c，d，e点到达B点，说明本文设计的系统能够有效地实现轨迹控制功能。

实验为验证本文系统稳定性，设置机械臂期望运行时间是7.27 s，获取本文系统与基于PLC的机械臂运行轨迹控制系统完成机械臂运行轨迹控制工作所用时间，如图6所示。

通过分析图6得到，由于基于PLC的机械臂运行轨迹控制系统在进行各目标点的操作内都存在停顿现象，而且限定时间减少后，其被动加速导致机械臂关节运行出现“加速?停顿?加速”的现象。而本文系统存在缓冲区，可以确保机械臂关节持续运行。实验证明，通过本文系统能够实现机械臂稳定、快速的运行。

实验为验证本文系统的实行性，针对梯形轨迹和3次多项式轨迹进行功能测试，测试结果见图7。

通过图7能够得到：梯形轨迹测试内，除稳定阶段外，提升及下落阶段轨迹控制都存在偏差，偏差小于0.3°，符合条件；3次多项式测试内，轨迹控制效果良好，轨迹控制偏差小于0.4°，符合条件。实验证明，本文设计的系统进行机械臂运行轨迹控制时精度较高。

4 结 论

本文设计基于单片机的机械臂运行轨迹在线控制系统，系统的硬件主要包括上位机PC在线控制、以ATmega1280单片机为核心控制器的主控制板以及实现多自由度机械臂控制的机械臂舵机控制板三部分；通过光电编码器位移传感器能够实现位置、位移感觉，为机械臂有效运行提供基础，舵机控制板通过D?H理论，构建机械臂结构模型，实现多自由度机械臂的控制。系统软件主要由上位机在线控制程序和主控板控制程序以及舵機控制板程序组成。实验结果表明，本文系统能够实现机械臂稳定、快速、准确的运行，在工业、农业、医学等诸多领域具有广阔的应用前景。

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