微型机械手

李观华 吴梓扬 吴巨聪 岑伟铿 李俊星

摘 要：机械手是一种能仿照人手和臂的某些行动功效，用以按牢固法式抓取、搬运物件或操纵东西的主动操纵装配。本装置用IAP15W4K61S4单片机作为主芯片采用PID算法控制6路PWM数字舵机快速实现角度定位，通过串口发送指令使其完成相应动作组。

关键词：机械手；自动操作；PID；PWM

一、系统方案

1.1、系统基本方案

1.1.1、控制方案设计

本装置通过模拟现实生活中在手机上一键点餐或者是在PC面板上点取需要的东西的功能，使用串口通信，通过设定的键的功能发送相应的指令到控制器，控制器根据我们已经存储的动作组做出相应的反应完成一系列的动作，实现无人售卖奶茶的目的。其中已设定的一系列动作组的原理为，舵机角度控制原理，用到PID算法快速准确到位，要存储动作组需要用到Flash快速存储功能，对应的动作组根据用户的需要通过串口通信技术找到相应的动作组完成动作。

1.1.2、机械结构方案设计

根据实际机械手的结构，为了便于机械手完成对杯子的拿，取，放，倒等一系列动作，设计杯子为长方体状，并横带一片支架，机械手的底座则为稳重型保证机械手在运行过程中稳不摇摆。在底座上采用x-y轴定位，确保机械手拿的位置准确到一个点，位置误差小于舵机控制角度的最小分辨率。采用6自由度机械手臂，带6个舵机，灵活机巧，操作空间范围大，精确到空间上每一个点。

1.2、各部分方案选择

1.2.1、控制芯片的选择

采取IAP15w4k61s4单片机，数据存储器的容量为4KB（4096），程序存储器的容量为61KB，速率比一般8051快8-12倍，56K字节Flash程序存储器，擦写次数10万次以上，可寄存大量行动组，共 8 通道10位高速ADC，速率可达30万次/秒，8路PWM还可当8路D/A应用， 6通道15位专门的高精度PWM（带死区节制） + 2通道CCP（应用它的高速脉冲输出功效可实现11～16位PWM），可用来再实现8路D/A，或2个16位定时器，或2个外部间断（可用上升沿/下落沿间断）。 6路增强型PWM，可用做6路舵机控制，工作频率范围：5MHz ～ 30MHz，相当于普通8051的60MHz～360MHz，工作频率广，内部高精度R/C时钟（±0.3%），合适装配对精度的请求，一组高速同步串行通讯端口SPI。

1.2.2、舵机的选择

采取数字舵机，由于它内部配有一个基准电路，可以发出周期为20ms，宽幅为1.5ms的基准信号，而当其控制信号通过接收机的通路进入信号调控芯片时会获得直流偏转电压，则可用获得的直流偏转电压与电位器的电压比较从而得到电压差输出。最终，电压差的正负输送到电机驱动芯片确定电机的正反转。即当舵机转速给定时，经过级联减速齿轮带领电位器转动，直至电压差是0，舵机终止转动。数字舵机能够在把动力脉冲输送到舵机马达的前刻，对输入的信号按照给定的数据进行调制。动力脉冲的宽幅能够通过利用微处理器的程序运算而调制，来满足各种不一样的功能需求，进一步改善舵机的功能。舵机马达能够在更高的频率，接收并应合发射机的信号，并且“无应合区”缩小；造成的应合更快；增速和降速时也更敏捷、更轻柔；数字舵机能供应更优的精度和更高的固定力量。为了可以拿到更重的东西，采用扭力为15kg.cm的数字舵机，扭力强，虚位窄，死区窄，响应快，满足实际动作需要。

二、功能与指标

该装置的功能是在消费者用户按下标有相应饮品的按键后，机械手控制器通过串口接收相应的指令，并完成相应的动作组，制作出相应的饮品。每一种不同的饮品的制做过程，都有相应的一套动作组，并且能在待取杯子和待放成品的碗固定位置的情况下，做到高精度的制做过程。每一个动作的角度控制精度都能够满足实际的需要。控制精度的指标为舵机的角度精度，可由不断重复的实物制做过程看出。

三、实现原理

3.1、舵机控制原理

利用单个定时器中断法，将舵机20ms的周期分解成若干份（由于舵机控制信号的最大高电平时间为2.5ms，故一般分成8份以上），每一份时间完成一个舵机的调控。已将20ms平均分解为8份为例进行说明：单片机上电初始化时，先将所有的I/O端口电平拉低；当定时器产生第一次溢出中断时，在中断服务程序中对定时器计数寄存器重新赋值，所赋值为第一个受控舵机控制信号的高电平时间值，并将I/O口拉高；当定时器产生第二次中断时，继续给寄存器重新赋值，此次所赋值为2.5ms减去高电平所得时间值；剩下的17.5ms时间内重复7次上述操作，这样就完成8个舵机的控制。舵机的调控通常要有一个大概20ms的时基脉冲，其脉冲的高电平时段通常为0.5～2.5ms范围内的角度调控脉冲时段，总间隔为2ms。即举例180度角度伺服，则相应的调控关系如下陈述：0.5ms对应0度；1.0ms对应45度；1.5ms對应90度；2.0ms对应135度；2.5ms对应180度；

3.2、串口通信原理

主要实现从串口接收指令实现对舵机的控制，同时支持PWM舵机和总线舵机，指令协议#1P500T500＼r＼n 其中#后面ID可为1-24之间'P'后面500为脉冲数值范围500-2500 'T'后面数字500为舵机调速时间，范围为100-3000，控制板总线舵机接在串口2上。通过发送对应指令实现总线舵机控制，进入定时器中断，进行分时复用产生1-6路 周期=20ms的pwm波形。一个定时器可以最多控制8个舵机。1：串口1和2分别建立初始化函数。2：串口1和2分别建立发送字符函数。3：串口1接收字符并保存在redata数组中，字符串以＼r＼n作为结束符建立函数，4：串口1接收字符并保存在uart2_buf数组中，接收字符串以'#'字符开头 "＼r＼n"作为结束符建立函数。

四、软件流程

1，按下饮品键2，控制器收到串口发送的指令3，舵机受控转动，完成相应动作组4，结束。

五、实现功能，特色

实现的功能：消费者用户可根据自己喜欢的饮品自行选购，当在上位机软件上或者PC端按下相应的饮品键时，通过串口通信发送相应的指到控制器，舵机做出相应的饮品的一系列动作组完成饮品的制做过程。实现无人制做及售卖奶茶饮品等，大大减少相应的人力，并且可以24小时不间歇营业。高效，快速，提高利润。

参考文献：

[1]陈海宴.51单片机原理及应用[M].北京航空航天大学出版社，2010.

[2]马江.六自由度机械臂控制系统设计与运动学仿真[D].

[3]北京工业大学，2009.

[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].

[5]广西轻工业，2008，08：89-90.

[6]李磊. 六自由度机械臂控制系统设计[D].哈尔滨工程大学，2007.

作者简介：

李观华，出生年月：1996年5月，性别：男，民族：汉，籍贯（精确到市）：广东茂名，当前职务：学术基金负责人，当前职称：学生，学历：本科，研究方向：自动售卖奶茶.