基于单片机的遥控机械臂设计.docx

1、基于单片机的遥控机械臂设计摘 要 机械臂的控制涉及到电子、机械设计、自动控制技术、传感器技术和计算机技术等学科，是一项跨学科的综合控制技术。现如今工业自动化发展迅速，机械手成为了不可或缺的一部分，它在工业生产等领域的应用越来越广泛。本设计主要以自主学习为目的，以Atm1280单片机为核心控制舵机的转动来完成机械手的动作。机械设计部分主要利用Auto CAD来制图，根据所制图纸来手工打造机械手。 程序设计是基于C语言的基础知识来完成，软件主要是运用Arduino控制板自带的程序开发平台。本设计以AT89C51 单片机为核心，采用LMD18200 电机控制芯片达到控制步进电机的启停、速度和方向，完

2、成了筛选机械手臂基本要求和发挥部分的要求。在筛选机械手臂设计中，采用了PWM 技术对电机进行控制，通过对占空比的计算达到精确调速的目的。关键词：Arduino；单片机；舵机；机械手臂；串口通讯ABSTRACTThe control of the manipulator involves electronic, mechanical design, automatic control technology, the sensor technology and computer technology, discipline, is an interdisciplinary comprehensiv

3、e control technology. Nowadays industrial automation development is rapid, manipulator became indispensable part in industrial production, it is widely used in the fields of the. This design is mainly for the purpose, the autonomous learning Atmega 1280 singlechip control the rotation of the steerin

4、g gear to complete the manipulator of actions. Mechanical design of the main use Auto CAD to drawing, according to system made by hand manipulator blueprint. Based on C language program design is the basic knowledge to complete, the software is mainly used to bring program Arduino panel development

5、platform. This design take at89C51 monolithic integrated circuit as a core, uses the LMD18200 motor control chip to achieve the control direct current machine to open stops, the speed and the direction,completed has screened the manipulator essential requirements and the display part request. In scr

6、eens the manipulator to design, used the PWM technology to carry on the control to the electrical machinery, through the computation achieved the precise velocity modulation to the duty factor the goal.Key words:Arduino;SCM;Steeringgear; Manipulator; Serial communication.第1章 绪论1.1机械臂的概述机械臂（Manipulat

7、or）是一种模拟人的手臂而形成的一种非生物结构。为了让机械臂能有3个自由度，其主动关节数目一般为3。一般情况下，全部关节都是转动型关节，而且其3个关节一般都处在手腕部位。关节型机械臂的特点是结构紧凑，所占空间体积比较小，但其工作空间比较大大，还可以绕过底座以及周围的一些阻碍物，是机械臂中应用最多的一种构造形式，比较经典的有PUMA、SCARA等。多关节型机械臂的优点是：动作灵活、运动惯性小、通用性强、能抓取到靠近靠近它的一些物件，还可以绕过本体和工作区域之间的障碍物进行工作，目前广泛应用于工业自动化生产线上。机械臂发展历史如下：（1）第一代机械臂，它是按事先示教的位置和姿态进行重复的动作的机械

8、。它也被简称为示教再现方式的机械臂或是T/P方式(Teaching/Playback)的机械臂。当前国际上使用的机械臂大多数都是这样的工作方式。因为这种工作方式只能按照预先示教的位置以及姿态进行重复的运动而对周围环境无自我感知的功能，其应用范围受到一定的限制，主要作用于材料的运送、图喷、电焊等工作。 1996年樊炳辉等制造出一种可以应用于隧道、煤矿巷道、室内墙壁以及一般机械行业喷涂工艺的四连杆机械臂结构。这种结构主要由行走组件、平衡拉杆组件、大臂组件、小臂组件四大部分，其中又包括四组按一定比例关系组成的四连杆机构，它可以使喷枪在喷涂工作中，容易实现竖直起落，并且始终保持与受喷面垂直以及等距的关

9、系。 1997年乌克尔.戈道斯等制造出一种适用于缝合手术的机械臂系统，这种系统是用机械臂来连接上一些必要的手术物品。这些器械具有能够用来操作抓取以及缝合组织的末端操作构件。该机械臂由一个控制器与一对主操作手柄构成。手柄可以由外科医生操作来控制末端操作装置的各种运动。 第二代机械臂，是一种具有如视觉、触觉等外部感官功能的机械臂。这种机械臂因为具有外部的感觉功能，所以可以根据外界的不同情况修改自身的一些动作，完成一些复杂的作业。 比如人脸肖像绘制的机械臂，就是一种可以自动绘画出人脸肖像轮廓图像的智能机械臂系统，它由图像处理模块、图像采集模块、机械控制绘图模块组成，能够使用相机拍摄人脸照片，然后提取

10、肖像的轮廓，然后通过控制机械臂画出人脸线条画。人脸肖像绘制机器臂是视觉机械的研究重点方向之一，主要应用于科学展览，其中基于机器视觉系统的研究方向在生活以及生产中的各个方面都有着广泛的应用。其中的研究绘图机械控制系统的硬件选型和控制算法，可以通过程序的编写，从而实现外部对机械臂绘图动作的自我控制，机械臂的绘画过程，从而对人脸图的自动绘制。 第三代机械臂，这种机械臂不但具有外部的感觉功能以外，还具有一些的智能机的功能。使得它可以更好的适应因为环境的变化而自主进行的工作。第三代机器臂目前还在研究的阶段，距离实际应用还有一段不小距离。比如：邹建奇等人以柔性机械臂为例，进行简单的逆运动学分析.并采用小脑

11、模型神经网络方法对机械臂的逆运动学进行了数值仿真分析，小脑模型神经网络可在较短的学习次数中有效地控制机械臂的振动。 在第一代机械臂开发的基础上，第二代的工业机械臂已经被广泛应用与各个工厂，成为目前主流安装的机型，第三代智能机械臂现在也早已成为研究的重点。 机械臂的重点技术有：（1）机械结构：以关节结构为主流，在80年代生产出的应用于装配工程的关节型的机械臂约占总数量的1/2。主要应用于汽车、桥梁、建筑等行业。 （2）控制技术：其采用的是32位CPU，控制轴数量达到27轴，离线编程技术大量了采用NC技术。协调控制技术越来越成熟，实现了多变位机、多机器臂的协调控制。其中采用基于PC开放式结构的控制

12、系统已经成为了一股潮流。 （3）驱动技术：新一代的伺服电机与基于微处理器的智能型伺服控制器结合的技术已由FANUC等一些公司开发并使用于工业的机器人当中，以及远程控制的分布式智能驱动新型技术。 （4）采用智能型的传感器：现在装有视觉型传感器的机械臂数量呈上升的趋势，不少机械臂都装有两种以上传感器，有些机械臂留了多种传感器的接口。 （5）机械臂的编程语言：在ABB公司的20多个型号产品中，采用了通用模块化语言RAPID。该语言易学易用，可用于各种开发环境，与大多数WINDOWS软件产品兼容。 1.2步进电机概述在电子科学技术高速发展的今天，人类已经被带入了一个奇妙的电的世界。然而，现代工业发展中

13、，电能是现代社会最主要的能源之一。在电能的生产、传输和使用等方面，电机都起着非常重要的作用。纵观电动机的发展历史，它的应用范围在不断扩大，使用的要求也在不断提高；结构类型的增多理论的研究也在不断深入。尤其是近30年来，随着计算机技术和电力电子技术的进步，特别是超导技术的突破和新结构，新原理，新工艺，新方法，新材料的不断推动，电机的发展更是呈现其勃勃的生机，它的前景更是不可限量。电动机被广泛应用于冶金、机械、国防等多个产业部门。然而，随着对产品质量、产量、以及生产工艺的要求，更多的生产机械部门都要求其实现自动调速。近些年，自动调速的电动机已经逐步取代了以往的老式电动机，它的良好的线性调速特性、控

14、制性能、优异的动态特性更是各个生产部门的最佳选择。在电机中，步进电机属于感应型电机，它的工作原理是使用电子电路，把直流电变成多相时序控制的，分时供电的电流，使用这种电流为步进电机提供电力，步进电机才可以正常工作，驱动器就是为步进电机分时供电的，多相时序控制器。虽然步进电机已经被广泛地使用，但是步进电机并不可以像普通的直流电机，在常规环境下使用。它必须用双环形脉冲信号、功率驱动电路等组成控制系统方可使用。因此用好步进电机却非易事，它涉及到机械、电机、电子及计算机等许多专业知识。步进电机作为执行部位，是机电一体化的关键产品之一，广泛应用在各种自动化控制系统中。随着微电子和计算机技术的发展，步进电机

15、的需求量与日俱增，在各个国民经济领域都有应用。步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构，可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的效果；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。1.3遥控机械臂发展现状机械工业是国民的装备部，是为国民经济提供装备和为人民生活提供耐用消费品的产业。机械工业的规模和技术水平是衡量国家经济实力和科学技术水平的重要标志。因此，世界各国都把发展机械工业作为发展本国经济的战略重点之一。新世纪，生产水平及科学技术的不断进步与发展带动了整个机械工业的快速发展。现代工业中，生产过程的机械化，自动化已成为突出的主题。然而在机械工业中

16、，加工、装配等生产是不连续的。单靠人力将这些不连续的生产工序衔接起来，不仅费时而且效率不高。同时人的劳动强度非常大，有时还会出现失误及伤害。显然，这严重影响制约了整个生产过程的效率和自动化程度。机械手臂的应用很好的解决了这一情况，它不存在重复的偶然失误，也能有效的避免了人身事故。在机械工业中，机械手臂的应用具有以下意义：1.可以提高生产过程的自动化程度。应用机械手臂，有利于提高材料的传送、工件的装卸、刀具的更换以及机器的装配等的自动化程度，从而可以提高劳动生产率，降低生产成本，加快实现工业生产机械化和自动化的步伐。2.可以改善劳动条件、避免人身事故。而应用机械手臂即可部分或全部代替人安全地完成作业，大大地改善了工人的劳动条件。同时，在一些动作简单但又重复作业的操作中，以机械手臂却可以代替人手进行工作，从而可以避免由于操作疲劳所造成的人身事故。3.应用机械手臂代替人手进行工作，这是直接减少人力的一