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基于单片机的多自由度机械手臂设计

2014-5-22 22:04| 发布者: dzly| 查看: 682| 评论: 0|原作者: 卢建设 陈兆阳

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。

  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图1 四自由度机械臂控制控制部分采用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.__
  
  

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