單片機(jī)在機(jī)器人運(yùn)動控制中的應(yīng)用研究
相關(guān)鏈接： 中國安全網(wǎng) 中國質(zhì)量網(wǎng) 中國論文網(wǎng) 中國資訊網(wǎng)
論文導(dǎo)讀：本文以AT89C51單片機(jī)為控制核心來實(shí)現(xiàn)對機(jī)械臂的控制。通過對機(jī)械臂的親自組裝、調(diào)試和應(yīng)用開發(fā)等創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)。從而掌握機(jī)電控制系統(tǒng)的組成、功能及控制原理。機(jī)械臂運(yùn)動控制技術(shù)也可以應(yīng)用在工業(yè)領(lǐng)域。
關(guān)鍵詞：單片機(jī)，運(yùn)動，控制，機(jī)械臂
一、前言
智能工業(yè)機(jī)器人是目前在機(jī)械人技術(shù)領(lǐng)域中得到最廣泛實(shí)際應(yīng)用的自動化機(jī)械裝置，在工業(yè)制造、醫(yī)學(xué)治療、娛樂服務(wù)、軍事以及太空探索等領(lǐng)域都能見到它的身影。盡管它們的形態(tài)各有不同，但它們都有一個共同的特點(diǎn)，就是能夠接受指令，精確地定位到三維（或二維）空間上的某一點(diǎn)進(jìn)行作業(yè)。論文參考，機(jī)械臂。
本文以AT89C51單片機(jī)為控制核心來實(shí)現(xiàn)對機(jī)械臂的控制，從而實(shí)現(xiàn)為高等學(xué)校教學(xué)提供一系列機(jī)器人教學(xué)系統(tǒng)，為學(xué)生提供一個開放性、創(chuàng)新性的實(shí)驗(yàn)教學(xué)展示平臺，通過對機(jī)械臂的親自組裝、調(diào)試和應(yīng)用開發(fā)等創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生全面掌握機(jī)電一體化技術(shù)的應(yīng)用開發(fā)和集成技術(shù)，從而掌握機(jī)電控制系統(tǒng)的組成、功能及控制原理；掌握機(jī)械傳動部件的選擇,結(jié)構(gòu)件的設(shè)計(jì),傳感器的選擇和使用，電機(jī)的選擇和使用，計(jì)算機(jī)編程和調(diào)試等，使學(xué)生的機(jī)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，裝配，調(diào)試能力均能得到綜合訓(xùn)練。
機(jī)械臂運(yùn)動控制技術(shù)也可以應(yīng)用在工業(yè)領(lǐng)域，通過對教學(xué)機(jī)械臂研究的不斷完善，它可以應(yīng)用于惡劣的工作環(huán)境和危險(xiǎn)的工作場合，也可以代替枯燥單調(diào)的重復(fù)性勞作，像農(nóng)業(yè)機(jī)器人、服務(wù)機(jī)器人、水下機(jī)器人、軍用機(jī)器人、娛樂機(jī)器人等，具有一定的實(shí)際意義與社會價值。
二、六自由度機(jī)械臂設(shè)計(jì)思想
1.系統(tǒng)設(shè)計(jì)總體思想
本系統(tǒng)采用AT89C51單片機(jī)作為主控制器，采用LCD液晶作為系統(tǒng)顯示單元，通過鍵盤作為系統(tǒng)輸入設(shè)備，通過傳感器實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂運(yùn)動過程中各點(diǎn)信息及數(shù)據(jù)的采集，將采集到的信息傳輸給單片機(jī)控制核心，單片機(jī)根據(jù)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，通過驅(qū)動電路將機(jī)械臂按程序指定軌跡進(jìn)行運(yùn)動，并將運(yùn)行的各點(diǎn)數(shù)據(jù)在液晶屏上進(jìn)行顯示。
2.運(yùn)動控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
六自由度機(jī)臂運(yùn)動控制系統(tǒng)采用伺服電機(jī)作為執(zhí)行的動力機(jī)構(gòu)。論文參考，機(jī)械臂。我們采用DM-EC-M645直流伺服舵機(jī)，它具有如下特點(diǎn)：當(dāng)控制電壓為6.0V時的輸出力矩：9.6 kg·cm，控制速度：0.19秒/60°，并且重量輕等優(yōu)點(diǎn)。
我們所采用的DM-EC-M645直流伺服舵機(jī)，它的結(jié)構(gòu)相對比較簡單，就是一組減速電機(jī)，在電機(jī)的動力輸出軸上并聯(lián)上一個電位器，當(dāng)輸出軸轉(zhuǎn)動時能同步地帶動電位器旋轉(zhuǎn)，其內(nèi)部有驅(qū)動電路來檢測電位器的變化并同時和外面控制信號進(jìn)行比較，從而得出要“鎖定”的位置，該電機(jī)的輸入端只有3條線，分別是電源正、電源負(fù)和控制脈沖端（一般就是白色或橙色那條）。我們通過周期為20ms，高電平為0.5ms～2.5ms的脈沖對伺服電機(jī)進(jìn)行控制，0.5ms～2.5ms的脈沖對應(yīng)伺服電機(jī)的0°～180°。如果我們控制采用8位無符號整型變量，它的范圍在0～255，這樣在伺服電機(jī)的控制精度上我們可以達(dá)到0.72°。論文參考，機(jī)械臂。這樣就能實(shí)現(xiàn)比較高精度的點(diǎn)對點(diǎn)運(yùn)動控制。論文參考，機(jī)械臂。論文參考，機(jī)械臂。
3.顯示系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
顯示系統(tǒng)采用的是MG128*64液晶對六自由度機(jī)臂運(yùn)動控制過程進(jìn)行顯示，該中文字庫的MG128*64是一種具有4位/8位并行、2線或3線串行多種接口方式，內(nèi)部含有國標(biāo)一級、二級簡體中文字庫的點(diǎn)陣圖形液晶顯示模塊；其顯示分辨率為128×64, 內(nèi)置8192個16*16點(diǎn)漢字，和128個16*8點(diǎn)ASCII字符集.利用該模塊靈活的接口方式和簡單、方便的操作指令，可構(gòu)成全中文人機(jī)交互圖形界面。可以顯示8×4行16×16點(diǎn)陣的漢字. 也可完成圖形顯示.低電壓低功耗是其又一顯著特點(diǎn)。由該模塊構(gòu)成的液晶顯示方案與同類型的圖形點(diǎn)陣液晶顯示模塊相比，不論硬件電路結(jié)構(gòu)或顯示程序都要簡潔得多，且該模塊的價格也略低于相同點(diǎn)陣的圖形液晶模塊。
4. 軟件設(shè)計(jì)總體思想
程序的控制思想：系統(tǒng)運(yùn)行后初始化系統(tǒng)變量、按鍵顯示用到的I/O以及中斷等；初始化完成之后，將進(jìn)行電機(jī)位置數(shù)據(jù)的采集，并執(zhí)行位置比較程序，如果電機(jī)按預(yù)定程序運(yùn)行，則將電機(jī)運(yùn)行的數(shù)據(jù)在LCD液晶上進(jìn)行顯示。如果電機(jī)沒有按預(yù)定程序運(yùn)行，則將進(jìn)行電機(jī)初始位置調(diào)整。主程序循環(huán)過程中不斷的掃描按鍵，如果有按鍵觸發(fā)將會調(diào)用鍵值處理函數(shù)。從而可以實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂的人機(jī)對話控制。
三、電機(jī)驅(qū)動電路的設(shè)計(jì)
直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制采用PWM控制。由于單片機(jī)輸出的脈寬在本系統(tǒng)中無法驅(qū)動直流電機(jī)帶動負(fù)載運(yùn)動，因此需要通過驅(qū)動電路才能驅(qū)動電機(jī)，設(shè)計(jì)中采用L293D芯片作為電機(jī)驅(qū)動芯片，驅(qū)動方式采用半閉環(huán)或閉環(huán)控制，直流電機(jī)驅(qū)動電路占用單片機(jī)12個口，分別為P1.0-P1.7，P2.0-P2.3。分別采用相同的三組驅(qū)動模塊。
在使用過程中，L293D工作時間稍長，發(fā)熱會較嚴(yán)重。嚴(yán)重時，L293D甚至?xí)霈F(xiàn)過溫保護(hù)，無PWM信號輸出。嘗試將兩路輸入并聯(lián)使用，輸出端也并聯(lián)到一起并接到電機(jī)一端，電機(jī)另一端接地。論文參考，機(jī)械臂。使用該接法后，L293D工作時間再長，也只有輕微發(fā)熱。這種輸入端和輸出端并聯(lián)的方法在實(shí)際中不僅可以更好地驅(qū)動電機(jī)，相同的電壓和占空比時，速度更快，同時它還可以降低H橋上的壓降，從而減小L293D發(fā)熱，防止器件由于溫度過高而被燒壞。當(dāng)單片機(jī)輸出一定的占空比的PWM信號，電機(jī)就會向一個方向旋轉(zhuǎn)，調(diào)整好電機(jī)的兩個輸入端，就可以驅(qū)動機(jī)械部運(yùn)動，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂六個自由度的控制和運(yùn)動。
四.結(jié)束語
基于AT89C51的8位特性、通過L293D直流電機(jī)驅(qū)動芯片，使得該系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集和運(yùn)算處理十分的方便簡單，同時，設(shè)計(jì)過程中我們LCD液晶顯示機(jī)械臂運(yùn)行數(shù)據(jù)，還可以通過按鍵進(jìn)行預(yù)定設(shè)置，實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂按指定軌跡運(yùn)行。另外AT8C51的開發(fā)環(huán)境支持標(biāo)準(zhǔn)的C語言函數(shù)庫，使得復(fù)雜的數(shù)學(xué)運(yùn)算變得輕而易舉，大大減小了編程的難度。 本項(xiàng)目應(yīng)用于高校的實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)，可以培養(yǎng)學(xué)生的動手實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力。
