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单片机控制机械手臂的设计与制作

作者:dolphin时间:2016-09-29

整个手臂的完成效果图(未安装舵机)如图1所示。

说明:设计时采用了振华201舵机,安装孔依据其尺寸设计,读者在自己制作时可依据自己身边的舵机尺寸进行适当修改。

1.底座部分


图2是底座部分的设计简图。图2(a)是底座。制作完成后可将其固定在较重的底物上,也可做适当的拓展,比如在其下面装上可以控制方向的轮子做成可移动的机械手臂。图2-b是支撑臂。






2.大臂部分

大臂的左右侧板如图3所示。读者可根据实际需要的大小确定尺寸,但一些相关配合应始终保持一致。

3.小臂部分

小臂的左右侧板如图4所示。说明同2。






4.腕部

腕部设计成能上下旋转式的,前部提供一个可安装夹持器的接面供读者进行扩展。结构与图2(b)相同。

5.其他相关部件

A固定轴

采用类似于螺栓的设计,其螺纹读者可自己选择。无螺纹端的尺寸应大于有螺纹端的尺寸且与各臂中大孔的尺寸相配合,使臂能饶其旋转;而有螺纹端的尺寸与各臂中小孔的尺寸相配合。

B固定联杆支架

结构如图5所示,其作用是将转轴和舵机转盘相联,形成绕轴的扭转力,安装时将其放进有螺纹端,加上弹性垫片,用螺母将其固定。

C连接柱

用于将手臂的两个侧板固定成臂形。内螺纹可依据自己选择的固定螺栓进行制作,但注意,臂面上的用于固定的孔应与螺栓合适的配合。

这一部分简单介绍了整个机械手臂的制作过程,在下一部分将介绍控制电路部分的设计与制作。

该电路以51系列单片机为控制中心,比例伺服舵机为执行元件,结合按键操作来控制舵机的转角和转向,控制的实现由程序来完成。

首先就伺服舵机的工作原理作一简单说明:伺服舵机是一个典型的闭环反馈系统,其原理可由图6表示。

减速齿轮组由电机驱动,其输出端 带动一个线性的比例电位器作为位置检测,该电位器把转角坐标转换为一比例电压反馈给控制线路板,控制线路板将其与输入的控制脉冲信号比较,产生纠正脉冲,并驱动电机正向或反向地转动,使齿轮组的输出位置与期望值相符,令纠正脉冲最终趋于为O,从而达到使伺服电机精确定位的目的。伺服舵机的控制端需输入周期性的正向脉冲信号,这个周期性脉冲信号的高电平时间通常在1ms-2ms之间,而低电平时间应在5ms到20ms之间,并不很严格。下图表示出一个典型的20ms周期性脉冲的正脉冲宽度与微型伺服舵机的输出臂转动时与输入脉冲的对应关系:




接下来就可调脉宽的20ms周期性脉冲的产生作一下说明:这里利用了51单片机内部的两个定时/计数器。一个用来产生时间为20ms的定时中断,另一个用来产生时间为50 μ s的定时中断。

再一个就是按键部分的去抖问题:由于按键的结构为机械弹性开关,在按下和断开操作时,触点在闭合和断开的瞬问会接触不稳定,产生抖动。图8所示,按键的抖动时间一般为5-10ms,会引起CPU对一次键操作进行多次处理。所以要用硬件或软件方法进行消抖,为了节省开支,这里采用了软件消抖的方法。具体的做法就是在判断键有没有闭合时加入延时来避开抖动。为了避免误操作,要使每次按键只进行一次操作,需要对按键有没有释放进行判断,同样引入延时判断环节,保证操作正常。

控制部分的电路图9所示。
其中:晶振为12MHz,使单片机的机器周期为1 μ s;RESET为手动复位按钮,来复位单片机,主要用于将手臂还原回初始状态;J为舵机插槽。

控制程序如下:(由于页面的限制,将程序分成了三段,输入时应将其依次顺序输入,保证程序完整。)





通过按键来调整手臂的位置,每按一次按键,相应的舵机正转或反转约5°。



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