精品毕设基于单片机的多自由度机械手臂控制器设计.docx

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精品毕设基于单片机的多自由度机械手臂控制器设计

唐山学院

毕业设计

设计题目：

基于单片机的多自由度机械手臂控制器设计

系别：

信息工程系

班级：

11电气工程及其自动化3班

姓　　名：

**

指导教师：

***********************

2015年6月1日

基于单片机的多自由度机械手臂控制器设计

摘要

机械臂控制器作为机械臂的大脑，对于它的研究有着十分重要的意义。

随着微电子技术和控制方法的不断进步，以单片机作为控制器的控制系统越来越成熟。

本课题正是基于单片机的机械臂控制系统的研究。

本文首先介绍了国内外机械臂发展状况以及控制系统的发展状况。

其次，阐述了四自由度机械手臂控制系统的硬件电路设计及软件实现。

详细阐述了机械臂控制系统中单片机及其外围电路设计、电源电路设计和舵机驱动电路设计。

在程序设计中，着重介绍了利用微分插补法进行PWM调速的程序设计。

并给出了控制器软件设计及流程图。

最后，给出了系统调试中出现的软硬件问题，进行了详细的分析并给出了相应的解决办法。

关键词：

机械臂单片机自由度舵机PWM

DesignofMultiDOFManipulatorControllerBasedonMCU

Abstract

Asthebrainofrobotarm,manipulatorcontrollerisveryimportantforitsresearch.Withthedevelopmentofmicroelectronicstechnologyandcontrolmethod,thecontrolsystemofMCUisbecomingmoreandmoremature.ThisthesisisbasedontheresearchofthemanipulatorcontrolsystemofMCU.

Firstly,itisintroducedthedevelopmentofthemanipulatorandthecontrolsystemathomeandabroad.

Secondly,itisgiventhecircuitandsoftwaredesignforthefourDOFmanipulatorinthisdisertation.itisexpatiatedtheSingleChipMicrocomputer（SCM）,therelativecircuitdesign,Powercircuitdesign,anddrivercircuitdesignofmanipulatorcontrolsystem.Inthedesignoftheprogram,thedesignofPWMspeedregulationbydifferentialinterpolationisintroducedemphatically.Thesoftwaredesignandflowchartofthecontrolleraregiven.Finally,itispresentedtheproblemsofhardwareandsoftwareinpractivegivenresolves.

Keyword:

Manipulator;MCU;DOF;Steeringengine;PWM

1引言

1.1研究的背景和意义

机器人是传统的机械结构学结合现代电子技术、电机学、计算机科学、控制理论、信息科学和传感器技术等多学科综合性高新技术产物,它是一种拟生结构、高速运行、重复操作和高精度机电一体化的自动化设备。

在研究和开发未知及不确定环境下作业的机器人的过程中，人们逐步认识到机器人技术的本质是感知、决策、行动和交互技术的结合[1]。

随着科技的不断进步尤其控制理论、材料学和传动结构学的发展以及制造工艺的进步，推动着机器人技术大跨步的向前发展。

目前，各个领域的都有其专有的机器人为其服务，如移动机器人、微机器人、水下机器人、医疗机器人、军用机器人、空中空间机器人、娱乐机器人等[2]。

当今各领域的制造行业都有其自动化流水线，例如，汽车自动化生产流水线就主要由工业机器人组成。

机器人与其他相应的制造设备的最大的优点是，其对生产环境有着极大的适应性和对各种任务的拓展性。

目前工业机器人已和最初的仿人型机器人有着很大的区别，更加符合各种不同生产制造领域的特殊要求，其中，目前，大多数工业机器人的形状类似人的手臂，能模拟人的手臂的部分动作,按预定的程序轨迹及其它要求,实现抓取、搬运工作或操纵工具的自动化装置[3]。

它们通常用于代替人的繁重劳动以解决人的生存，生产的难题，实现生产的机械化和自动化,能在有害环境下操作以保护人身安全,因而广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工业和原子能等行业[4]。

近年来工业机器人在工厂自动化改革中发挥着巨大的作用，代替人处理一些重复性、精密性、高工作负荷的工作，大大加快了生产效率，缩减了生产周期。

如汽车自动化生产线中的机器人的无缝焊接，钢厂里的钢材分拣机器人的搬运打捆，都用到了工业机器人（机械臂）。

各生产领域专有的机器人能够使生产效率更高,降低损失，节约成本。

随着机器人技术的发展，当前的工业机械手臂的结构更加的简单，大多数为模块化的，因此,能够做到易于维护、容易扩展到更多的自由度,并且其动作能够具有较高的灵活性。

对于机械手臂的控制器设计,希望使用复杂高效的控制算法使机械手臂实现更高的控制性能，更精确的定位精度。

并希望其控制拥有较好的系统稳定性并有较强的可扩展性。

1.2国内外机械臂研究现状

1.2.1国外机械臂研究现状

世界上第一台工业机器人（机械手臂）诞生在美国，1954年美国人乔治·德沃尔研制了世界上第一台可编程机器人样机。

从第一台机械手臂诞生以来的60多年里，人类对机械手臂的热情不但没有丝毫减弱，反而越来越多的人投入到机械臂的研究和制造中。

1969年，世界上第一条自动化汽车生产线由美国通用汽车公司用21台工业机器人组成。

美国凭借其机器人技术全面、先进、适应性强在国际上仍一直处于领先地位。

日本在1967年，由丰田纺织自动化公司从美国引入第一台工业机器人，开始了日本的工业机器人发展时代。

1976年以后，随着微电子的快速发展和市场需求急剧增加，日本当时经济增长迅速，劳动力显著不足，工业机器人的出现使企业犹如获得了救命稻草，使其日本工业机器人得到快速发展。

日本现有的工业机器人保有量位居世界第一，素有“机器人王国”之称[5]。

工业机器人在欧洲的发展也非常快，1973年ABB公司研制的IRB6机器人，是世界上第一台全自动微型处理器控制的机器人。

同年库卡机器人也推出了自己的第一台机器人FAMULUS，它是第一个由6个电机驱动的关节机器人。

大多数欧洲国家政府比较重视工业机器人的发展，比如法国规定，对于一些危险、有毒、有害的工作岗位，必须以机器人来代替普通人的劳动。

德国由于其先进的工业体系，政府通过大力支持一系列研究计划，建立了一个完整的工业机器人科学技术体系，使德国机器人技术一直处于领先的地位。

近些年，意大利、瑞典、英国、俄罗斯、乌克兰等国家由于自身国内机器人市场的巨大需求和国际上机器人市场的激烈竞争，发展速度也非常迅速。

目前，世界上工业机器人生产厂家主要集中在日本和欧美。

日系生产厂家组要有三菱、发那科、松下、川崎、安川等。

欧系中具有代表性的有，瑞典的ABB、德国的KUKA、美国的Adept、意大利的COMAU及奥地利的IGM公司。

下面以KUKA最新研制的小型机器人KR6R700fivve为代表介绍当前工业机器人的最新技术，KRAGILUSfivve是一个五自由度的机械臂，它的特点是极高的作业速度和极高的精确度。

因为它的体积小，占用空间很小，可选择安装地面、天花板等位置，因此KRAGILUSfivve的安装适用能力极高。

KRAGILUSfivve的重量48kg，最大负荷是6kg，最大工作半径是7067mm,重复精确度为

0.03mm,可见其精确度极高，可以应付的工艺流程很多。

其控制系统是KUKA公司最新研究的KRC4COMPACT，只是一种更高效、更稳定、更灵活且更智能化的控制系统。

灵活的结构设计和由此产生的可扩展性令其成为一款全能型控制系统。

按照目前的发展趋势国外机械手今后将大力研制具有某种智能的机械手，例如，触觉交互技术的加入。

1.2.2国内机械臂研究现状

在古代的中国就有类似于现代的某些机器人的设备，例如，诸葛亮研制的木牛流马，鲁班造的木车。

当前在我国，现代机械臂的研究最早开始于上世纪70年代。

1972，上海成功的研制了我国的第一台机械手臂，随之各地都有相应的研制计划研制基地，各重点高校陆续的开展的相关的专业和课程，今天我国的机械手臂应用已达到空前的高度。

我国政府从七五规划开始，大力发展机器人技术，制定了大量的相关鼓励政策并且为此投入大量的科研资金。

随后各地自动化研究所和相关企业开发并且制造了一系列的工业机器人，有由北京机电一体化研究所研制的焊接机器人，哈尔滨机床厂和哈工大联合制造的喷涂机器人，大连自动化研究所设计制造的拥有自主知识产权的氩弧焊机器人，沈阳工业大学设计制造的装卸载机器人等[6]。

机器人的控制器技术通过从外国引进、消化、吸收，大多是由中国工程院和沈阳自动化研究所及北京科技大学机器人研究所开发的，但很多的机器人关键部件还有国外几家少数机构垄断，如机器人专用轴承，减震齿轮，直流伺服电机等[7]。

我国的工业机械手的应用范围主要集中在一些自动化要求较高的制造业和先进的重工业，并且随着能源产业的壮大的相应的工业机器人也在逐渐的被应用。

在目前专业机械手的发展和应用比较广泛时，应相应的发展通用机械手，组合式机械这种机械手具有很强的灵活性和较高的拓展性，由此带来的优点是对生产环境有很强的适应性，可以在多种生产环境工作。

目前国内工业机械臂主要应用在铸造、焊接、搬运及热处理方面，以减轻人类的劳动强度，改善生产作业条件。

在研究设计通用机械手时可以将机械手臂的各运动构件，如伸缩、摆动、升降、横移、俯仰等机构，设计成典型的通用机构，以便适应不同工作环境的作业要求，选用通用型结构机构，使其能够组装成可改变结构的各种用途的机械手，这种机械手往往便于跟换工件，同时也便与设计制造与检修，扩大了应用范围。

当前我国在机械臂的数量、品种、性能方面都达不到工业生产的需要，并且在机械臂的通用性，精确性和稳定性等方面与国外还有很大的差距。

因此，我国机械臂产业在大力发展专用型和通用型机械臂的前提下，此外还应大力研究通用型的机械臂控制器、以及具有触觉、视觉处理能力的学习型机械臂控制器，并考虑将将其接入互联网，逐步建立智能学习型机械臂控制系统网络。

1.3机械臂控制器的发展现状

机械臂控制器主要分为两部分：

机械臂控制系统硬件平台和机械臂软件控制系统。

在早期的工业机械臂控制中，主要采用可编程控制器（PLC）作为主控制器，这种控制系统是将控制步骤和运行轨迹事先编程写入PLC中。

这种控制器体积大、能耗高、不适合实时数据处理且寿命短难以满足越来越复杂的生产环境。

随着半导体芯片制造工艺的进步带动微电子技术和嵌入式系统的发展，单片机、FPGA、ARM等被广泛的应用于的机械臂控制系统中。

在如今的机械臂系统中，机械臂需要进行实时调整、多传感器融合辅助以及实现自动控制等任务,同时采集现场环境并加以识别并做出相应的控制策略[8]。

1.4本设计研究的任务

本设计以单片机为核心控制器完成机械手控制系统设计，主要围绕四自由度机械手臂实现货物的抓取这一任务：

对机械手的结构进行分析，查阅资料，选择合适的单片机