基于單片機的工業機器人控制器設計

肖嘉池

摘要：本設計是對工業生產中搬運機器人的模擬，以STC11F32XE單片機為核心，結合無線路由器和手機控制端程序對機械臂和小車底盤實現無線控制，設計出一種能夠在無線信號控制下完成抓取、搬運貨物等功能的智能機器人。控制端指令由無線路由器發送給單片機，單片機控制四自由度機械臂抓起物體，再由小車底盤對物體進行運輸，到達指定地點后機械臂放下物體，完成搬運任務。此外，本設計還具有視頻監控功能，它可以將現場畫面實時地傳送給操作人員，使操作人員對工廠的情況進行及時掌握和了解。

關鍵詞：STC11C32XE單片機;機械臂;小車;無線控制

中圖分類號：TP311? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2019）22-0263-02

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

一個國家的工業自動化、智能化程度可以通過工業機器人的發展水平和普及程度來衡量[1]。在一些重復、單調或勞動強度較高的工作，可使用工業機器人代替人工，比如貨物的搬運、金屬柜體焊接、機械加工、金屬制板材和管材沖壓、產品涂裝、塑料制品的成型和簡單的工藝裝配等。同時，在一些工作環境惡劣或者危險的地方，工業機器人可代替人來完成一些工作，例如在核工業部門可以代替人來完成放射性物質的搬運和操作，在礦井礦山代替人進行長時間井下作業，在海洋科考部門的深海探測中也發揮著舉足輕重的作用。

1 系統設計

基于單片機的工業機器人設計，本設計是通過四自由度機械臂抓起物體，再由小車底盤對物體進行運輸，到達指定地點后機械臂再放下物體，實現貨物搬運的功能。小車通過單片機程序控制，在L298電路的驅動作用下實現前進、左轉、右轉和后退的功能，來完成對貨物的運輸。此外，本設計還具有視頻監控功能，它可以將現場畫面實時地傳給操作人員，讓操作人員對工廠的情況進行及時掌握和了解。

2 硬件系統設計

2.1 主控選擇

STC11F32XE單片機是宏晶科技有限公司出品的新一代51單片機，完全兼容查傳統8051的指令，具有價格低、運行速度快（運行速度比傳統8051快八到十二倍）、能耗低（具有空閑/掉電兩種省電方式，單片機在這兩種模式下均可被中斷或外部中斷喚醒）、抗干擾能力強（主要是抗靜電干擾，經測試可承受20KV靜電保持正常工作）的優點，此外還有：工作電壓范圍寬;壽命長，FLASH程序可反復擦寫十萬次，擦寫次數是STC89C51的一百倍;工作溫度范圍廣，工業級工作溫度可低達零下40攝氏度、高達85攝氏度[2]。完全適合工業生產現場和大多數惡劣環境，滿足本工業機器人設計的選用要求。

2.2 機械臂模塊設計

機械臂是本次工業機器人控制器設計的重要組成部分[3]。機器人行業發展至今，機械臂種類和樣式也五花八門，本次設計選用的機械臂家族中的多關節機械臂。通常，六個自由機械臂可以到達空間中任意位置，但對于本設計而言，由于機械臂下連接在能自由運動機器人小車底盤上，所以并不需要擁有完整的六個自由度，而只需四個自由度，配合小車底盤的運動，也能完成任意位置貨物的抓取。它由四個MG995舵機和金屬支架構成，擁有四個自由度，金屬支架在舵機的帶動下可完成一系列動作：一號舵機帶動機械爪完成張合動作，二號舵機帶動機械爪實現機械爪整體旋轉動作，三號和四號舵機相互配合可完成機械臂伸縮和升降的動作。工業機器人可通過機械臂在四路舵機的配合下帶動其完成抓取、夾持、搬運等動作。此機械臂具有結構堅固，重量輕慣性小，動作精準，負載大，動作平穩等優點，適合本次設計。

2.3 其他硬件

小車模塊是工業機器人的運動部分，相當于機器人的“雙腿”，它能載著機器人的主體，移動到平面上的任意一個角落，配合機械臂完成貨物搬運任務。本設計采用四輪驅動小車底盤，由四個直流減速電機帶動，通過程序的控制，可完成前進、后退、左轉和右轉等動作。同時，它的原地轉向功能也為機械臂提供了第五個自由度（繞z軸轉動），進一步提高了工業機器人設計的靈活度。

3 軟件系統整體設計

3.1 機械臂控制程序分析設計

舵機是機器人運動系統的關鍵組成部分，在本設計中四自由度機械臂的動作通過控制舵機來實現，舵機是一種伺服電機，舵機的轉動角度可用PWM（Pulse Width Modulation）信號控制。脈沖寬度調制技術是通過控制高低電平的持續時間來改變脈沖波形的寬度，實現對模擬電路的控制，被廣泛運用于舵機角度控制、燈光亮度調節、直流電動機調速和音量調節等功率控制以及各種通信行業中，是一套比較成熟的控制方法。用PWM技術控制舵機轉動角度時，可以用C語言編程產生PWM波形，單片機I/O口輸出PWM脈沖，PWM脈沖的每個寬度對應舵機轉動的每一個角度，通過指令調節PWM波的脈寬變化改變PWM波形的占空比，來控制機械臂舵機任意角度轉動。進而控制機械臂（機械爪）的四個關節自由動作。舵機有三根引出線，其中控制信號線用于輸入PWM信號來控制舵機的轉動角度。首先利用單片機的生成PWM周期為20ms的信號，周期長度為20ms;再來設置PWM信號的脈沖寬度，PWM信號的每個寬度值對應一個舵機的角度。

3.2 小車程序分析設計

小車模塊由四個直流電機組成，控制電機正反轉即能完成小車的前后左右操作，將同側電動機串聯，分成左右兩組電機，只需控制兩個電動機組即可，單片機串口向L298芯片輸入引腳輸出高低電平，經過L298芯片的放大功能，將輸出功率放大到合適的大小，驅動電機正反轉，利用差速的原理可以實現對小車的控制。前進時，使左右兩組電極同時正轉，實現前進功能;后退時，左右兩組電機同時反轉，實現后退功能。左轉時，左側電動機組反轉、右側電動機組正轉，可以實現原地左轉功能;右轉時，右側電動機組反轉、左側電動機組正轉，可以實現原地右轉功能。若單片機輸出串口向L298芯片的IN1引腳輸入低電平、IN2引腳輸入高電平，則電動機正轉;若單片機輸出串口向L298芯片的IN1引腳輸入高電平、IN2引腳輸入低電平，則電機反轉。

4 結語

此次設計的工業機器人系統主要由STC11F32單片機為控制芯片，和一些外部電路構成。本設計的是一個硬件實物模型，重點研究和分析了以下問題：工業機器人的結構和組成、工業機器人如何完成搬運任務、機器人各部分的控制方法和控制原理、機器人的無線控制技術、機器人控制程序的設計和編寫、機器人系統的硬件電路設計、工業機器人系統的整體聯合測試。

參考文獻：

[1] 蘇霄， 田景文. 模糊控制算法在自主機器人行進過程中的應用研究[J]. 制造業自動化， 2011， 33（15）：4-6.

[2] 申風有. 多通道NANDFlash控制器的設計[D]. 華中科技大學， 2011.

[3] 周艇. 智能機器人視覺伺服控制系統-XJZK的研究與設計[D]. 2004.

【通聯編輯：李雅琪】