基于51單片機(jī)的三爪機(jī)械臂設(shè)計(jì)

龍王濤 吳昊陽(yáng) 張鈞鼎

（沈陽(yáng)理工大學(xué) 遼寧沈陽(yáng) 110159）

基于51單片機(jī)的三爪機(jī)械臂設(shè)計(jì)

龍王濤 吳昊陽(yáng) 張鈞鼎

（沈陽(yáng)理工大學(xué) 遼寧沈陽(yáng) 110159）

在制造行業(yè)中，使用最多的就是三爪機(jī)械臂，具有很大的市場(chǎng)應(yīng)用價(jià)值,本文對(duì)機(jī)械臂和爪子進(jìn)行了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和計(jì)算,并采用51單片機(jī)對(duì)三爪機(jī)械臂進(jìn)行控制，使其能夠移動(dòng)爪取物體。將三爪機(jī)械臂安裝在小型多用途移動(dòng)作業(yè)機(jī)器人的智能平臺(tái)上，可執(zhí)行生產(chǎn)、加工以及爆炸物處理等特殊的任務(wù)。

三爪機(jī)械臂；51單片機(jī);控制;電機(jī)

0 前言

所謂的三爪機(jī)械臂是指將改良后的機(jī)器爪安裝在一個(gè)自由度很高的機(jī)械上。機(jī)械臂是在設(shè)備自動(dòng)化過(guò)程中發(fā)展起來(lái)的新型裝置，有著不斷重復(fù)工作和勞動(dòng)、不怕危險(xiǎn)等特點(diǎn)。廣泛應(yīng)用于軍事領(lǐng)域和工業(yè)生產(chǎn)中。具有安全可靠、隱蔽性好、可行性高、成本低、效率高、性能穩(wěn)定、意外傷害少、管理成本低、避免人員傷害和損失等特點(diǎn)。其應(yīng)用程度是軍事和工業(yè)先進(jìn)程度的重要體現(xiàn)。對(duì)三指機(jī)器爪的開發(fā)，安裝在機(jī)械結(jié)構(gòu)上，使其能夠自動(dòng)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)移物體的功能，擴(kuò)展其應(yīng)用范圍，增加實(shí)用性。在三爪機(jī)械臂的設(shè)計(jì)過(guò)程中將主要解決運(yùn)動(dòng)的傳動(dòng)、軸的固定、直流電機(jī)傳動(dòng)穩(wěn)定性問(wèn)題。同時(shí)由于加工條件和資金有限，在設(shè)計(jì)過(guò)程中，將盡量減輕各部件的質(zhì)量，并簡(jiǎn)化機(jī)械結(jié)構(gòu)使直流電機(jī)能夠帶動(dòng)各部件正常運(yùn)轉(zhuǎn)。目前市場(chǎng)上的同類產(chǎn)品中技術(shù)和性能比較好的都是進(jìn)口產(chǎn)品或外資企業(yè)生產(chǎn)的產(chǎn)品，而我國(guó)的本土企業(yè)由于技術(shù)和性能等方面的限制只能降低價(jià)格，這直接影響企業(yè)利益。所以本文三爪機(jī)械臂進(jìn)行了相應(yīng)的研究設(shè)計(jì)。

1 整體方案設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)主要圍繞三個(gè)方面展開：機(jī)械、電路和控制。使用51單片機(jī)來(lái)控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，通過(guò)對(duì)齒輪、軸等結(jié)構(gòu)的控制將電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為三爪機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)移物體的動(dòng)作。控制模塊選用STC89C52RC單片機(jī)作為主控芯片。該單片機(jī)在目前使用最多的是51芯片。在融合了傳統(tǒng)51的優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，作為增強(qiáng)型芯片，其運(yùn)算速度、穩(wěn)定可靠性比較好。同時(shí)，價(jià)格便宜，是較好的選擇。總體系統(tǒng)框圖如下圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體框圖

2 機(jī)械臂的設(shè)計(jì)

三爪機(jī)械臂是由五部分組成，支架、底座、大臂、小臂、爪子。為提高裝置的工作效率，一方面我們?cè)谶x擇材料上選擇了密度較小了鋁合金，另一方面為了盡量減輕負(fù)載，我們盡量調(diào)節(jié)臂的長(zhǎng)度，這樣就可以提高裝置的工作效率。

各部分的功能及作用如下

支架：起支撐作用為機(jī)械臂提供一個(gè)穩(wěn)定的活動(dòng)平臺(tái)，并在其上安裝為底座提供動(dòng)力的直流電機(jī)以及單片機(jī)等控制部件。

底座：通過(guò)支架上的直流電機(jī)經(jīng)齒輪傳動(dòng)可實(shí)現(xiàn) 360度的旋轉(zhuǎn)為三爪機(jī)械臂提供一個(gè)自由度，底座上有一個(gè)固定支撐架（85mm）用以增加機(jī)械臂的活動(dòng)范圍，同時(shí)兩固定支撐架之間裝有一小衡量、軸、齒輪為大臂提供支撐并實(shí)現(xiàn)大臂的運(yùn)動(dòng)。底座下安裝三個(gè)萬(wàn)象球可使其運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定，傳動(dòng)平穩(wěn)。

大臂：大臂（80mm）通過(guò)底座上的電機(jī)實(shí)現(xiàn)與底座方向垂直的運(yùn)動(dòng)，與底座相同的固定支撐架結(jié)構(gòu)為小臂提供支撐并實(shí)現(xiàn)其運(yùn)動(dòng)。

小臂：和大臂在同一平面內(nèi)運(yùn)動(dòng)，在其上固定爪子和為爪子提供動(dòng)力的直流電機(jī)

爪子：實(shí)現(xiàn)抓取和釋放物體的動(dòng)作

三個(gè)爪通過(guò)兩個(gè)小直角支撐件固定在底部圓盤上，三爪間互成 120度閉合時(shí)能夠完全封閉，當(dāng)爪取物體時(shí)物體不會(huì)掉落。每個(gè)爪通過(guò)外側(cè)的小彈簧使爪子能夠自動(dòng)的張開。由于爪子部分質(zhì)量重，負(fù)載大所以出于穩(wěn)定性考慮爪子的動(dòng)力源選擇直流電機(jī)。當(dāng)要爪取物體是旋轉(zhuǎn)爪子下的直流電機(jī)帶動(dòng)小滑輪轉(zhuǎn)動(dòng)，使固定在爪和滑輪間的硬質(zhì)細(xì)線在滑輪上纏繞同時(shí)將爪子拉緊，使爪子能夠抓住物體，當(dāng)三爪機(jī)械臂移動(dòng)到指定位置時(shí)，反轉(zhuǎn)電機(jī)到初始位置，爪子打開將物體釋放，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)移物體的功能。固定爪子的圓盤通過(guò)螺柱與連接在小臂上的圓盤相連，使二者間有足夠的空間來(lái)安裝為爪子閉合提供動(dòng)力的直流電機(jī)以及纏繞細(xì)線的小滑輪。

3 傳動(dòng)裝置的設(shè)計(jì)

由于所用電機(jī)為12V、100r/min的，電機(jī)轉(zhuǎn)速較快且三爪機(jī)械臂自身質(zhì)量較大，運(yùn)動(dòng)過(guò)程中很難實(shí)現(xiàn)到達(dá)指定位置抓取物體，且轉(zhuǎn)速過(guò)快會(huì)增加機(jī)械結(jié)構(gòu)的負(fù)擔(dān)破壞結(jié)構(gòu)。所以三爪機(jī)械臂底座的旋轉(zhuǎn)、大臂小臂的運(yùn)動(dòng)均選用齒輪傳動(dòng)，齒輪模數(shù)M=2，大齒齒數(shù)Z1=44，小齒齒數(shù)Z2=13，傳動(dòng)比i=Z1/Z2=3。經(jīng)齒輪減速后轉(zhuǎn)速大幅度下降，易于控制定位并保護(hù)了機(jī)械結(jié)構(gòu)，而且齒輪傳動(dòng)傳動(dòng)比穩(wěn)定，可靠性好，裝配簡(jiǎn)單方便是本課題的最佳選擇。由于底座實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，由齒輪軸直接固定在底座上即可。大臂、小臂部分需將齒輪軸固定在支撐架上并在軸上固定橫板，再將機(jī)械臂固定在橫板上才可實(shí)現(xiàn)臂垂直于底板的運(yùn)動(dòng)，但由于所用橫板材料為鋁合金而軸的材料是鋼所以不能直接焊接在一起，于是決定在橫板上加支架，將支架固定在橫板上用支架固定軸。加支架后運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)可實(shí)現(xiàn)。

電機(jī)驅(qū)動(dòng)方面選擇的是L298電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片，L298是雙H橋直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片，能夠?yàn)殡姍C(jī)提供5～48v，2.5A的電流。其內(nèi)部有A，B兩相，能夠提供4個(gè)輸出。并且通過(guò)輸入端輸入10信號(hào)，在輸出端能夠得到相應(yīng)的高低電平。同時(shí)，其最大40khz的頻響特性，能夠在的系統(tǒng)中較好的滿足電機(jī)調(diào)速需求。

本文使用的L298模塊，經(jīng)過(guò)多次實(shí)驗(yàn)，該模塊可靠穩(wěn)定，能夠滿足常用兩相四線步進(jìn)電機(jī)以及直流電機(jī)的控制功能。電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊的電路連接圖如下圖2所示。

4 電源模塊的設(shè)計(jì)

在該系統(tǒng)中，我們使用直流穩(wěn)壓電源作為電源的提供端。直流穩(wěn)壓電源輸出12v電壓，供整個(gè)系統(tǒng)使用。其中，12v提供給L298模塊，作為電機(jī)的動(dòng)力源。然后通過(guò)7805，將12v轉(zhuǎn)換為5v，為單片機(jī)提供5v電源。

在設(shè)計(jì)過(guò)程中，我們分別測(cè)量了在接通電機(jī)時(shí)，7805輸入端以及輸出端的電壓情況，并發(fā)現(xiàn)，當(dāng)電機(jī)接通的瞬間，輸入會(huì)有一定的波動(dòng)。同時(shí)導(dǎo)致輸出端的小幅度波動(dòng)，但在可接受范圍內(nèi)。為了消除這個(gè)現(xiàn)象，我們采用并聯(lián)大電容的措施。在輸入端，我們并聯(lián)了兩個(gè) 220uF的電解電容，作為平波電容。同時(shí)為了消除高頻噪聲，我們?cè)谳斎攵穗娊怆娙菖约恿?104的電容。在輸出端，加了 100uF的電解電容做平波用。同時(shí)加 104電容以獲得更好的電源波形。經(jīng)過(guò)測(cè)試，其電壓波動(dòng)降低，控制在可接受范圍內(nèi)。

4 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)51單片機(jī)編寫代碼程序，來(lái)控制電機(jī)的驅(qū)動(dòng)和轉(zhuǎn)向，從而達(dá)到控制三爪機(jī)械臂抓取物體的功能；但是實(shí)際的工廠生產(chǎn)中，需要的機(jī)械臂整個(gè)質(zhì)量非常的大，要求位置的精度更高，需要更大功率的電機(jī)來(lái)驅(qū)動(dòng)，本文主要解決的問(wèn)題是運(yùn)動(dòng)的傳動(dòng)轉(zhuǎn)換控制，并且能夠平穩(wěn)的拿取輕小型的物體，完成三爪機(jī)械臂的抓取整體動(dòng)作。具有一定的經(jīng)濟(jì)實(shí)用價(jià)值和研究前景。

[1]史先鵬,劉士榮.機(jī)械臂軌跡跟蹤控制研究進(jìn)展[J].控制工程,2011,01: 116-122+132.

[2]劉宏,蔣再男,劉業(yè)超.空間機(jī)械臂技術(shù)發(fā)展綜述[J].載人航天,2015,05: 435-443.

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G322

B

1007-6344（2016）10-0192-01

龍玉濤（1995.07--）男，貴州省興義市人，本科學(xué)歷，專業(yè)：測(cè)控技術(shù)與儀器。

吳昊陽(yáng)（1996.09--）男，河北省保定人，本科學(xué)歷，專業(yè)：機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化。

張鈞鼎（1993.07--）男，遼寧省盤錦市人，本科學(xué)歷，專業(yè)：機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化。