基于單片機的多自由度機械手臂設計

摘 要：近年來，機器人技術蓬勃發展，越來越多的高新機器人先后亮相。在各種機器人中，帶機械手臂類機器人應用最為廣泛。帶機械手臂的機器人能模仿人的肢體動作，代替人的工作，特別是在重物裝卸，精細加工中有著非常重要的優勢。機械手臂關節的自由度、靈活性和準確性是機械手臂機器人的工作前提。文章基于單片機，設計一個小型機器人的一只手臂能在空間四個自由度轉動。加入機械手的機械結構，通過對四個電機的正反轉實驗論證方案的可靠性和可行性。

關鍵詞：單片機；四自由度；機械手臂；電機

引言

機器手臂作為一種工業技術裝備，它能代替人搬運物件或貨物分揀操作。近年來工業機器人在工廠自動化改革中發揮著巨大的作用，代替人處理一些高危險、高危害、高工作負荷的工作，大大加快了生產效率，縮減了生產周期。然而在這些自動化生產中，機械臂機器人占了最大的比重。如汽車生產中的無縫焊接，鋼廠里的鋼材打包分揀，都用到了機器人機械臂。機器手臂具有三個部分組成：機械臂、控制部分和工作部分。機械臂的大小，規格決定了機械臂的應用，轉角軸等，控制部分工業上一般是工控機，通過編程設計控制機械臂進行相應的操作。工作部分由具體工作事項決定，如電焊機器人的電焊手，搬運機器人的掛鉤。

1 系統功能介紹

本設計采用電動式多自由度機器機器手臂模型，應用單片機控制，步進電動機的方式來驅動。該手臂具有四個關節，每個關節可以前后轉動，手臂轉動采用4臺微型步進電機驅動，可以完成前后左右360度擺臂等簡單動作，系統控制圖如圖1

控制部分采用80C51單片機，完成對電機的控制，即完成對手臂轉動的控制。

2 軟硬件設計

機械手臂在動力傳動方式上有連桿式、齒輪式和繩索式等。采用齒輪結構是主流的機械手發展趨勢，因為齒輪式機械手臂傳動精度高、結構緊、承載高等優點。隨著工業的發展，對機械手臂要求越來越高，機械手臂向多自由度發展。本設計為了簡單起見，選用第三種傳動方式——繩索式。

2.1 機械結構

4自由度機械臂采用四個步進電機控制，如圖2，步進電機1控制底座，實現自由旋轉，步進電機2、3、4可自由旋轉，完成伸展、收縮等動作。

設計中，為了使設計的機器人更加靈活，關節連接件選用圖3中的模型，這樣在動作控制上更加復雜，以至于動作更加靈活，可以完成各種動作調整。如此關節連接件，僅兩個自由度即可完成三維空間的各種動作造型。基于4自由度要求，機械手臂工作臂達到一定的坐標，就有很多種方法。動作優化設計是較深層次的研究，本文不討論。電機與關節之間的傳動示意圖如圖4，電機的線速度與關節轉動線速度相等，所以為了方便計算，設計成半徑相同，那么他們的角速度和線速度均相同，方便單片機控制程序的編寫。

步進電機如圖5，其工作原理是是將脈沖信號轉換為角位移，開環控制電機轉動。一個脈沖信號對應一個步距角，接收到的脈沖個數控制轉角的大小，進行準確地轉動。因此可以通過改變控制信號的頻率來控制電機轉速。步進電機由單片機控制， 控制信號為數字信號， 不用經過A/D數模轉換， 具有快速啟/停功能， 迅速的實現啟動或停止， 且步距角越小、延時越短， 定位越準確，旋轉精度越高。步進電機用于機械手臂關節轉動，旋轉正反180度以下的轉角。

2.2 控制結構設計

本文選用經典的80C51單片機[1]作為控制器，80C51 是 51 系列單片機中應用最廣泛、控制簡單、功耗低、價格低廉、性能比較穩定的單片機之一，8位CPU、256bytes的數據存儲器（RAM） 、32條I/O口線、2個可編程定時/計數器、5個中斷源、2個優先級。步進電機必須加驅動才可以運轉，驅動信號必須為脈沖信號，沒有脈沖的時候，步進電機靜止，如果加入適當的脈沖信號，就會以一定的角度（稱為步角）轉動。選用ULN2803[3]驅動芯片，驅動能力可達最大電流500MA、最大電壓50V，特別適用于低邏輯電平數字電路和有高耐壓，大電流負載之間的接口。74hc373為三態輸出的鎖存器，通過控制使能端，可以鎖存單片機的指令，控制步進電機轉動。

3 結束語

機械手臂控制是機器人應用中的一個重要組成部分， 是機器人研究的熱點和難點，本文設計了一種基于 80C51單片機的4自由度機械手臂，并根據系統總體設計方案。機器人機械手臂的自由度越高，控制就越復雜，控制策略越多；系統能耗最小化等都是機器人發展的必然趨勢，需要更多的科學研究。

參考文獻

[1]趙亮.單片機C語言-編程與實例[M].北京：人民郵電出版社，2004

[2]郭天祥.C語言編程基礎，提高擴展.北京電子工業出版社，2009.

[3]楊素行.模擬電子技術基礎簡明教程.高等教育出版社.2006.7.