机械手的单片机控制课程设计说明 大学论文.docx
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机械手的单片机控制课程设计说明大学论文
燕山大学
课程设计说明书
题目：
机械手的单片机控制
摘要
摘要
机械手技术涉及到电子、机械学、自动控制技术、传感器技术和计算机技术
等科学领域，是一门跨学科综合技术。
随着工业自动化发展的需要，机械手在工业应用中越来越重要。
文章主要叙述了机械手的设计过程，文章中介绍了机械手的设计理论与方法。
本设计以AT89C51单片机为核心，采用L298电机控制芯片达到控制直流电机的启停和方向，完成了筛选机械手基本要求和发挥部分的要求。
【关键词】：
筛选机械手，AT89C51单片机，L298电机控制芯片，电机控制。
摘要.....................................................................I
第一章绪论.............................................................1
1．1机械手概述.....................................................1
1.1.1机械手当代应用...........................................1
1.1.2机械手工作方式...........................................1
1.1.3机械手的分类.............................................1
1.2机械手的一般组成..............................................1
第二章总体方案设计......................................................3
2.1设计要求......................................................3
2.2基本设计思路..................................................3
2．2．1CPU....................................................3
2．2．2传动机构...............................................3
2．2．3机械手.................................................4
2．2．3．1机械手组成.....................................4
2．2．3．1机械手分类.....................................4
2．2．4抓取机构...............................................5
2．2．5机械手的驱动方式.......................................6
2．3设计方案的总结...............................................8
2．3．1CPU的选择.............................................8
2．3．2机械手坐标形式的选择...................................8
2．3．3传动机构的选择.........................................8
2．3．4驱动方式的选择.........................................8
第三章硬件结构设计......................................................9
3．1机械手尺寸的确定.............................................9
3．2传动部分设计.................................................9
3．3硬件部分总结.................................................9
第四章软件电路部分设计.................................................10
4．1单片机的选择................................................10
4．1．1单片机的概念...........................................10
4．1．2单片机特点.............................................10
4．1．3单片机硬件结构.........................................11
4．1．3．189C51基本配置................................11
4．1．3．2引脚及其功能.................................12
4．2驱动芯片选择.................................................13
4．2．1驱动芯片概念...........................................13
4．2．2驱动芯片原理...........................................13
4．3流程图......................................................13
4．4汇编程序......................................................
4．5本章小结......................................................
结论.....................................................................
参考文献.................................................................
第一章绪论
1.1机械手概述
1．1．1机械手的当代应用
机械化、自动化已成在现代工业中突出的主题。
化工等连续性生产过程的自
动化已基本得到解决。
但在机械工业中，加工、装配等生产是不连续的，机器人的出现并得到应用，为这些作业的机械化奠定了良好的基础。
机械手，多数是指程序可变（编）的独立的自动抓取、搬运工件、操作工具
的装置（国内称作工业机械手或通用机械手）。
1．1．2机械手工作方式
机械手是一种具有人体上肢的部分功能，工作程序固定的自动化装置。
机械
手具有结构简单、成本低廉、维修容易的优势，但功能较少，适应性较差。
目前我国常把具有上述特点的机械手称为专用机械手，而把工业机械手称为通用机械手。
1．1．3机械手的分类
简而言之，机械手就是用机器代替人手，把工件由某个地方移向指定的工作
位置，或按照工作要求以操纵工件进行加工。
机械手一般分为三类。
第一类是不需要人工操作的通用机械手，也即本文所
研究的对象。
它是一种独立的、不附属于某一主机的装置，可以根据任务的需要编制程序，以完成各项规定操作。
它是除具备普通机械的物理性能之外，还具备通用机械、记忆智能的三元机械。
第二类是需要人工操作的，称为操作机（Manipulator）。
工业中采用的锻造操作机也属于这一范畴。
第三类是专业机械手，主要附属于自动机床或自动生产线上，用以解决机床上下料和工件传送。
这种机械手在国外通常被称之为“MechanicalHand”，它是为主机服务的，由主机驱动。
除少数外，工作程序一般是固定的，因此是专用的。
机械手按照结构形式的不同又可分为多种类型，其中关节型机械手以其结构
紧凑，所占空间体积小，相对工作空间最大，甚至能绕过基座周围的一些障碍物等这样一些特点，成为机械手中使用最多的一种结构形式。
1．2机械手的一般组成
要机械手像人一样拿取东西，最简单的基本条件是要有一套类似于指、腕、
臂、关节等部分组成的抓取和移动机构——执行机构；像肌肉那样使手臂驱动－传动系统；像大脑那样指挥手动作的控制系统。
这些系统的性能就决定了运动的机械手的性能。
一般而言，机械手通常就是由执行机构、驱动－传动系统和控制系统这三部分组成，如图1-1所示。
图1-1机械手的一般组成
对于现代智能机械手而言，还具有智能系统，主要是感觉装置、视觉装置和
语言识别装置等。
目前研究主要集中在赋予机械手“眼睛”，使它能识别物体和躲避障碍物，以及机械手的触觉装置。
机器人的这些组成部分并不是各自独立的，或者说并不是简单的叠加在一起，从而构成一个机械手的。
要实现机械手所期望实现的功能，机械手的各部分之间必然还存在着相互关联、相互影响和相互制约。
它们之间的相互关系如图1-2所示。
机械手的机械系统主要由执行机构和驱动－传动系统组成。
执行机构是机械
手赖以完成工作任务的实体，通常由连杆和关节组成，由驱动－传动系统提供动力，按控制系统的要求完成工作任务。
驱动－传动系统主要包括驱动机构和传动系统。
驱动机构提供机械手各关节所需要的动力，传动系统则将驱动力转换为满足机械手各关节力矩和运动所要求的驱动力或力矩。
有的文献则把机械手分为机械系统、驱动系统和控制系统三大部分。
其中的机械系统又叫操作机（Manipulator），相当于本文中的执行机构部分。
第2章系统总体设计和关键技术
2.1设计要求
工厂某处有一批不同型号的零件，设计一种机械手，该手能在识别零件类型后按照其类别自动放置在规定的地点。
机械手有上行/下行、左行/
右行运行方式。
机械手能根据信号将零件运送到制定地点后放下，自动归位。
回到原点后自动校正位置。
等待下一次信号的到来。
开机后，不论机械手处于什么位置，它能在上电后自动归到原点。
有指示灯可以指示机械手目前的位置，方便控制人员管理。
2.2基本设计思路
总体设计框图如下：
图2-1总体设计框图
2.2.1CPU
CPU部分有两种选择:
单片机控制和PLC控制。
2.2.2传动机构
传动机构种类繁多，常见的有齿轮传动、齿条传动、丝杆传动、链条传动。
由于一般的电机驱动系统输出的力矩较小，需要通过传动机构来增加力矩，提高带负载能力。
对机械手的传动机构的一般要求有：
（1）结构紧凑，即具有相同的传动功率和传动比时体积最小，重量最轻；
（2）传动刚度大，即由驱动器的输出轴到连杆关节的转轴在相同的扭矩时角度变形要小，这样可以提高整机的固有频率，并大大减轻整机的低频振动；
（3）回差要小，即由正转到反转时空行程要小，这样可以得到较高的位置控制精度；
（4）寿命长、价格低。
2.2.3机械手
2．2．3．1机械手的组成
机械手一般由执行机构、控制系统、驱动系统三个部分组成。
（1）执行机构
1）手腕手腕是联接手臂与末端执行器的部件，用以调整末端执行器的方
位和姿态。
2）手臂手臂是支承手腕和末端执行器的部件。
它由动力关节和连杆组
成，用来改变末端执行器的位置。
3）机座机座是机械手的基础部件，并承受相应的载荷，机座分为固定式
和移动式两类。
（2）控制系统
控制系统用来控制机械手按规定要求动作，可分为开环控制系统和闭环控制
系统。
大多数工业机械手采用计算机控制，这类控制系统分为决策级，策略级和执行级三级：
决策级的功能是识别环境、建立模型、将工作任务分解为基本动作序列；策略级将基本动作变为关节坐标协调变化的规律，分配给各关节的伺服系统；执行级给出各关节伺服系统的具体指令。
（3）驱动系统
驱动系统是按照控制系统发出的指令将信号放大，驱动执行机构运动的传动
装置。
常用的由电气、液压、气动和机械等四种驱动方式。
除此之外，机械手可以配置多种传感器（如位置、力，触觉，视觉等传感器），
用以检测其运动位置和工作状态。
2．2．3．2机械手的分类
机械手按坐标形式、控制方式、驱动方式和信号输入方式四种分类方法。
（1）按坐标形式分
坐标形式是指执行机构的手臂在运动时所取的参考坐标系的形式。
1）直角坐标式直角坐标机械手的末端执行器在空间位置的改变式通过三
个互相垂直的轴线移动来实现的，即沿X轴的纵向移动、沿Y轴的横向
移动及沿Z轴的升降。
这种机械手位置精度最高，控制无耦合，比较简单，
避障性好，但结构较庞大，动作范围小，灵活性差。
2）圆柱坐标式圆柱坐标机械手是通过两个移动和一个转动来实现末端执
行器空间位置的改变，其手臂的运动由在垂直立柱的平面伸缩和沿立柱升
降两个直线运动及手臂绕立柱转动复合而成。
这种机械手位置精度较高，
控制简单，避障性好，但结构也较庞大。
3）极坐标式极坐标机械手的运动式由一个直线运动和两个转动组成，即沿
手臂方向X的伸缩，绕Y轴的俯仰和绕Z轴的回转。
这种机械手占地面
积小，结构紧凑，位置精度尚可，但避障性差，有平衡问题。
4）关节坐标式关节坐标机械手主要是由立柱、大臂和小臂组成，立柱绕Z
轴旋转，形成腰关节，立柱和大臂形成肩关节，大臂和小臂形成肘关节，
大臂和小臂作俯仰运动。
这种机械手工作范围大，动作灵活，避障性好，
但位置精度低，有平衡问题，控制耦合比较复杂，目前应用越来越多。
（2）按控制方式分
1）点位控制采用点位控制的机械手，其运动为空间点到点之间的直线运
动，不涉及两点之间的移动轨迹，只在目标点处控制机械手末端执行器
的位置和姿态。
这种控制方式简单，适用于上下料、点焊等作业。
2）连续轨迹控制采用连续轨迹控制的机械手，其运动轨迹可以是空间的
任意连续曲线。
机器人在空间的整个运动过程都要控制，末端执行器在
空间任何位置都可以控制姿态。
（3）按驱动方式分
1）电力驱动电力驱动式目前采用最多的一种。
早期多采用步进电机驱
动，后来发展了直流伺服电动机，现在交流伺服电动机的应用也得到了
迅速发展。
这类驱动单元可以直接驱动机构运动，也可以通过谐波减速
器装置减速后驱动机构运动，结构简单紧凑。
2）液压驱动液压驱动的机械手具有很大的抓起能力，可抓取质量达上百
公斤的物体，油压可达7MPa，液压传动平稳，动作灵敏，但对密封性
要求较高，不宜在高温或低温现场工作，需配备一套液压系统。
3）气压驱动气压驱动的机械手结构简单，动作迅速，价格低廉，由于空
气可压缩性，导致工作速度稳定性差，气源压力一般为0.7MPa，因此抓
取力小，只能抓取重量为几公斤到十几公斤的物体。
（4）按信号输入方式分
1）人操作机械手是一种由操作人员直接进行操作的具有几个自由度的
机械手。
2）固定程序操作机械手按预先规定的顺序、条件和位置，逐步地重复执
行给定的作业任务的机械手。
3）可变程序操作机械手它与固定程序机械手基本相同，但其工作次序等
信息易于修改。
4）程序控制机械手它的作业指令是由计算机程序向机械手提供的，其控
制方式与数控机床一样。
5）示教再现机械手这类机械手能够按照记忆装置存储的信息来复现由
人示教的动作，其示教动作可自动地重复执行。
6）智能机械手采用传感器来感知工作环境或工作条件的变化，并借助其
自身的决策能力，完成相应的工作任务。
2.2.4抓取机构
抓取机构是机械手执行工作的装置，可安装夹持器、工具、传感器等。
抓取
机构可分为机械夹紧、真空抽吸、液压夹紧、磁力吸附等。
2.2.5机械手的驱动方式
该机械手一共具有三个独立的运动关节，连同末端机械手的运动，一共需要
三个动力源。
机械手常用的驱动方式有液压驱动、气压驱动和电机驱动三种类型。
这三种方法各有所长，各种驱动方式的特点见表：
表2-1三种驱动方式的特点对照
机械手驱动系统各有其优缺点，通常对机械手的驱动系统的要求有：
（1）驱动系统的质量尽可能要轻，单位质量的输出功率要高，效率也要高；
（2）反应速度要快，即要求力矩质量比和力矩转动惯量比要大，能够进行频
繁地起、制动，正、反转切换；
（3）驱动尽可能灵活，位移偏差和速度偏差要小；
（4）安全可靠；
（5）操作和维护方便；
（6）对环境无污染，噪声要小；
（7）经济上合理。
2.3设计方案的总结
2．3．1CPU的选择
由于单片机体积小，价格便宜且具有高稳定性和很强的抗干扰能力，因此本
设计中用单片机取代PLC控制。
2．3．2机械手坐标形式的选择
由于本设计中精度要求较高，首先排除了极坐标式和关节坐标式，而且它们
还存在平衡问题。
考虑到工厂应用要易于扩展其功能，本机械手采用直角坐标形式。
2．3．3传动机构的选择
本设计要求传动方式为电机的转动带动机械手臂的上下、左右移动，适合采用带传动。
2．3．4驱动方式的选择
在选择驱动方式阶段，我首先考虑的是液压、气压传动，但方案存在一定缺
陷。
其中，液压装置体积太过庞大，需要专门配置一套液压系统，且对密封性要求高，不宜在高温、低温下工作。
而气压传动由于空气的可压缩性导致工作速度、稳定性较差，且有一定噪音。
电机选择相对较为简单，由于步进电机有步距角误差，机械手在齿轮传动和摆动时会进一步放大该误差，因此选择伺服电机驱动。
第三章硬件结构设计
3.1机械手尺寸的确定
由于本次设计对工作场地要求并没有明确的限制，因此机械手的尺寸也就没
有明确的规定，为了设计的方便，将机械手横向有效距离长为280mm，纵向有效距离长为170mm。
3.2传动部分设计
（1）机械手是有2台伺服电机驱动：
电机M1控制机械手纵向运动，电
机M2控制机械手在横向运动。
为了设计的方便，控制方式采用限位器限位控制。
由于2台电机不是同时控制，因此不存在相互间的干扰，从而增强了整个系统的稳定性。
（2）具体传动环节：
基座部分装有服电机M1和电机M2，通过齿轮传动控制带条运动。
（3）直流电机：
（i）调速性能好，电动机在一定负载条件下，根据需要，人为改变电动机的转速，直流电动机可以在重负载条件下实现均匀平滑无级调速。
调速范围宽。
（ii）起动力矩大可以均匀而经济的实现转速调节，故凡是在重负载条件下启动的机械都用直流电机拖动。
3．3硬件部分总结：
为了实现电动机能准确的将部件送到制定的位置，我采用了限位器控制机械手的位置。
机械手碰到限位器，限位器返回信号给单片机，单片机发送信号控制电机驱动芯片，从而达到机械手到位停止。
电动机采用的是直流电动机，因为其性能价格比较高，适合工作在对输出力矩比较大的环境下。
通过齿条传送装置，使机械手在电机的控制下能够精准的到达规定的位置。
并且易于将来扩展其工作方式。
第四章软件电路部分设计
4.1单片机的选择
4．1．1单片机的概念
单片机是将计算机的基本部件微型化并集成到一块芯片上的微型计算机。
通常在芯片内含有CPU、ROM、RAM、并行I/O口、串行口、定时/计数器、中断控制系统、系统时钟及系统总线等。
4．1．2单片机特点
1）优异的性能价格比。
2）高、体积小、可靠性高。
单片机把各功能部件集成在一块芯片上，内部采用总线结构，减少了各芯片之间的连线，大大提高了计算机的可靠性与抗
干扰能力。
另外，其体积小，对于强磁场环境易于采取屏蔽措施，适合在
恶劣环境下工作。
3）控制功能强。
为了满足工业控制的要求，一般单片机的指令系统种均有极丰富的转移指令、I/O口的逻辑操作及位处理功能，单片机的逻辑控制功
能及运行速度均高于同一档次的微机。
4）低功耗、低电压，便于生产便携式产品。
5）单片机的系统扩展和系统配置叫典型、规范，容易构成各种规模的应用系统。
4．1．3单片机硬件结构
4．1．3．189C51系列单片机基本配置
1）微处理器
该单片机中有一个8位的微处理器，与通用的微处理器基本相同，同样包括
了运算器和控制器两大部分，只是增加了面向控制的处理功能，不仅可处理数据，还可以进行位变量的处理。
2）数据存储器
片内为128个字节，片外最多可外扩至64k字节，用来存储程序在运行期间的工作变量、运算的中间结果、数据暂存和缓冲、标志位等，所以称为数据存储器。
3）程序存储器
由于受集成度限制，片内只读存储器一般容量较小，如果片内的只读存储器
的容量不够，则需用扩展片外的只读存储器，片外最多可外扩至64k字节。
4）中断系统
具有5个中断源，2级中断优先权。
5）定时器/计数器
片内有2个16位的定时器/计数器，具有四种工作方式。
6）串行口
1个全双工的串行口，具有四种工作方式。
可用来进行串行通讯，扩展并行
I/O口，甚至与多个单片机相连构成多机系统，从而使单片机的功能更强且应用更广。
7）P1口、P2口、P3口、P4口
为4个并行8位I/O口。
8）特殊功能寄存器
共有21个，用于对片内的个功能的部件进行管理、控制、监视。
实际上是一些控制寄存器和状态寄存器，是一个具有特殊功能的RAM区。
4．1．3．2引脚及其功能
1）电源及时钟引脚
VCC：
接+5V电源正端；
VSS：
接+5V电源地端；
X1：
接外部晶体振荡器的一端；
X2：
接外部晶体振荡器的另一端。
2）控制引脚
RESET：
单片机上电复位端。
ALE：
当访问外部存储器时，ALE一每机器周期两次的信号输出，用于
锁存出现在P0口的低8位地址。
PSEN：
为片外程序存储器读选通信号输出端。
EA：
为访问外部程序存储器控制信号，低电平有效。
3）输入/输出引脚
P3口的第二功能：
P3.0：
RXD，串行输入通道；
P3.1：
TXD，串行输出通道；
P3.2：
INT0，外部中断0；
P3.3：
INT1，外部中断1；
P3.4：
T0，计数器0外部输入；
P3.5：
T1，计数器1外部输入；
P3.6：
WR，外部数据存储器写选通；
P3.7：
RD，外部数据存储器读选通。
图4-189c51引脚图
4.2驱动芯片的选择
4．2．1驱动芯片概念
在微机控制系统中，还要处理另一类数字量，即开关信号、脉冲信号。
它们是以二进制的逻辑“1”和“0”，即电平的高和低出现的。
如开关触电
的闭合和断开，指示灯的亮和灭，继电器和接触器的吸合和释放，马达的启
动和停止，晶闸管的通和断，阀门的打开和关闭等，我们称为开关量。
开关
量所控制的执行器所要求的控制电压一般都比较高，电流一般都较大，有的
是直流驱动，有的是交流驱动，必须根据具体对象采用适当的接口。
开关量
的输出接口实质上是利用计算机做“弱电”控制“强电”。
它需要解决两个
重要问题：
隔离和驱动。
用单片机控制各种各样的高压、大电流负载，如电动机、电磁铁、继电
器、灯泡等时，不能用单片机的I/O线来直接驱动。
P0、P1、P2、P3四个口都可以做输出口，但其驱动能力不同。
P0口的驱动能力较大，当其输出高电平时，可提供400
升级会员 