基于单片机的多自由度机械手臂设计

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摘 要：近年来，机器人技术蓬勃发展，越来越多的高新机器人先后亮相。在各种机器人中，带机械手臂类机器人应用最为广泛。带机械手臂的机器人能模仿人的肢体动作，代替人的工作，特别是在重物装卸，精细加工中有着非常重要的优势。机械手臂关节的自由度、灵活性和准确性是机械手臂机器人的工作前提。文章基于单片机，设计一个小型机器人的一只手臂能在空间四个自由度转动。加入机械手的机械结构，通过对四个电机的正反转实验论证方案的可靠性和可行性。
关键词：单片机；四自由度；机械手臂；电机
引言
机器手臂作为一种工业技术装备，它能代替人搬运物件或货物分拣操作。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，代替人处理一些高危险、高危害、高工作负荷的工作，大大加快了生产效率，缩减了生产周期。然而在这些自动化生产中，机械臂机器人占了最大的比重。如汽车生产中的无缝焊接，钢厂里的钢材打包分拣，都用到了机器人机械臂。机器手臂具有三个部分组成：机械臂、控制部分和工作部分。机械臂的大小，规格决定了机械臂的应用，转角轴等，控制部分工业上一般是工控机，通过编程设计控制机械臂进行相应的操作。工作部分由具体工作事项决定，如电焊机器人的电焊手，搬运机器人的挂钩。
1 系统功能介绍
本设计采用电动式多自由度机器机器手臂模型，应用单片机控制，步进电动机的方式来驱动。该手臂具有四个关节，每个关节可以前后转动，手臂转动采用4台微型步进电机驱动，可以完成前后左右360度摆臂等简单动作，系统控制图如图1
控制部分采用80C51单片机，完成对电机的控制，即完成对手臂转动的控制。
2 软硬件设计
机械手臂在动力传动方式上有连杆式、齿轮式和绳索式等。采用齿轮结构是主流的机械手发展趋势，因为齿轮式机械手臂传动精度高、结构紧、承载高等优点。随着工业的发展，对机械手臂要求越来越高，机械手臂向多自由度发展。本设计为了简单起见，选用第三种传动方式——绳索式。
2.1 机械结构
4自由度机械臂采用四个步进电机控制，如图2，步进电机1控制底座，实现自由旋转，步进电机2、3、4可自由旋转，完成伸展、收缩等动作。
设计中，为了使设计的机器人更加灵活，关节连接件选用图3中的模型，这样在动作控制上更加复杂，以至于动作更加灵活，可以完成各种动作调整。如此关节连接件，仅两个自由度即可完成三维空间的各种动作造型。基于4自由度要求，机械手臂工作臂达到一定的坐标，就有很多种方法。动作优化设计是较深层次的研究，本文不讨论。电机与关节之间的传动示意图如图4，电机的线速度与关节转动线速度相等，所以为了方便计算，设计成半径相同，那么他们的角速度和线速度均相同，方便单片机控制程序的编写。
步进电机如图5，其工作原理是是将脉冲信号转换为角位移，开环控制电机转动。一个脉冲信号对应一个步距角，接收到的脉冲个数控制转角的大小，进行准确地转动。因此可以通过改变控制信号的频率来控制电机转速。步进电机由单片机控制， 控制信号为数字信号， 不用经过A/D数模转换， 具有快速启/停功能， 迅速的实现启动或停止， 且步距角越小、延时越短， 定位越准确，旋转精度越高。步进电机用于机械手臂关节转动，旋转正反180度以下的转角。
2.2 控制结构设计
本文选用经典的80C51单片机[1]作为控制器，80C51 是 51 系列单片机中应用最广泛、控制简单、功耗低、价格低廉、性能比较稳定的单片机之一，8位CPU、256bytes的数据存储器（RAM） 、32条I/O口线、2个可编程定时/计数器、5个中断源、2个优先级。步进电机必须加驱动才可以运转，驱动信号必须为脉冲信号，没有脉冲的时候，步进电机静止，如果加入适当的脉冲信号，就会以一定的角度（称为步角）转动。选用ULN2803[3]驱动芯片，驱动能力可达最大电流500MA、最大电压50V，特别适用于低逻辑电平数字电路和有高耐压，大电流负载之间的接口。74hc373为三态输出的锁存器，通过控制使能端，可以锁存单片机的指令，控制步进电机转动。
3 结束语
机械手臂控制是机器人应用中的一个重要组成部分， 是机器人研究的热点和难点，本文设计了一种基于 80C51单片机的4自由度机械手臂，并根据系统总体设计方案。机器人机械手臂的自由度越高，控制就越复杂，控制策略越多；系统能耗最小化等都是机器人发展的必然趋势，需要更多的科学研究。
参考文献
[1]赵亮.单片机C语言-编程与实例[M].北京：人民邮电出版社，2004
[2]郭天祥.C语言编程基础，提高扩展.北京电子工业出版社，2009.
[3]杨素行.模拟电子技术基础简明教程.高等教育出版社.2006.7.