基于单片机的遥控机械臂设计

I摘要机械臂的控制涉及到电子、机械设计、自动控制技术、传感器技术和计算机技术等学科，是一项跨学科的综合控制技术。现如今工业自动化发展迅速，机械手成为了不可或缺的一部分，它在工业生产等领域的应用越来越广泛。本设计主要以自主学习为目的，以Atm1280单片机为核心控制舵机的转动来完成机械手的动作。机械设计部分主要利用AutoCAD来制图，根据所制图纸来手工打造机械手。程序设计是基于C语言的基础知识来完成，软件主要是运用Arduino控制板自带的程序开发平台。本设计以AT89C51单片机为核心，采用LMD18200电机控制芯片达到控制步进电机的启停、速度和方向，完成了筛选机械手臂基本要求和发挥部分的要求。在筛选机械手臂设计中，采用了PWM技术对电机进行控制，通过对占空比的计算达到精确调速的目的。关键词：Arduino；单片机；舵机；机械手臂；串口通讯IIABSTRACTThecontrolofthemanipulatorinvolveselectronic,mechanicaldesign,automaticcontroltechnology,thesensortechnologyandcomputertechnology,discipline,isaninterdisciplinarycomprehensivecontroltechnology.Nowadaysindustrialautomationdevelopmentisrapid,manipulatorbecameindispensablepartinindustrialproduction,itiswidelyusedinthefieldsofthe.Thisdesignismainlyforthepurpose,theautonomouslearningAtmega1280singlechipcontroltherotationofthesteeringgeartocompletethemanipulatorofactions.MechanicaldesignofthemainuseAutoCADtodrawing,accordingtosystemmadebyhandmanipulatorblueprint.BasedonClanguageprogramdesignisthebasicknowledgetocomplete,thesoftwareismainlyusedtobringprogramArduinopaneldevelopmentplatform.Thisdesigntakeat89C51monolithicintegratedcircuitasacore,usestheLMD18200motorcontrolchiptoachievethecontroldirectcurrentmachinetoopenstops,thespeedandthedirection,completedhasscreenedthemanipulatoressentialrequirementsandthedisplaypartrequest.Inscreensthemanipulatortodesign,usedthePWMtechnologytocarryonthecontroltotheelectricalmachinery,throughthecomputationachievedtheprecisevelocitymodulationtothedutyfactorthegoal.Keywords:Arduino;SCM;Steeringgear;Manipulator;Serialcommunication.IV目录摘要...............................................................................................IABSTRACT..................................................................................II第1章绪论...................................................................................11.1机械臂的概述..........................................11.2步进电机概述..........................................31.3遥控机械臂发展现状....................................41.4课题研究任务及工作内容................................61.4.1设计（论文）的任务..............................61.4.2设计（论文）需要重点解决的问题..................6第2章电路硬件设计...................................................................72.1总体设计方案..........................................72.1.1设计思路........................................82.1.2方案选择........................................82.1.3系统组成.......................................102.2硬件设计.............................................102.2.1硬件结构.......................................102.2.2机械手臂的组成.................................102.2.3机械手臂的分类.................................112.2.4机械手尺寸的确定...............................122.2.5驱动部分的设计.................................122.2.6单片机系统.....................................142.2.7电机驱动芯片原理及应用.........................152.2.8串口通信电路...................................172.2.9电机驱动电路...................................202.2.10转速测量电路..................................21第3章电路软件设计.................................................................233.1软件结构.............................................233.2系统模块程序.........................................243.2.1步进电机控制模块...............................24V3.2.2电机调速模块...................................283.2.3主程序模块.....................................31第4章系统调试.........................................................................344.1硬件调试设备.........................................344.2软件调试环境.........................................344.3调试项目.............................................354.4调试过程.............................................354.5硬件连接与跳线的配置.................................364.6实物图...............................................374.7调试结果.............................................38结束语...........................................................................................39感谢...............................................................................................40参考文献.......................................................................................41附录...........................................................................................42附录A：程序设计.........................................421第1章绪论1.1机械臂的概述机械臂（Manipulator）是一种模拟人的手臂而形成的一种非生物结构。为了让机械臂能有3个自由度，其主动关节数目一般为3。一般情况下，全部关节都是转动型关节，而且其3个关节一般都处在手腕部位。关节型机械臂的特点是结构紧凑，所占空间体积比较小，但其工作空间比较大大，还可以绕过底座以及周围的一些阻碍物，是机械臂中应用最多的一种构造形式，比较经典的有PUMA、SCARA等。多关节型机械臂的优点是：动作灵活、运动惯性小、通用性强、能抓取到靠近靠近它的一些物件，还可以绕过本体和工作区域之间的障碍物进行工作，目前广泛应用于工业自动化生产线上。机械臂发展历史如下：（1）第一代机械臂，它是按事先示教的位置和姿态进行重复的动作的机械。它也被简称为示教再现方式的机械臂或是T/P方式(Teaching/Playback)的机械臂。当前国际上使用的机械臂大多数都是这样的工作方式。因为这种工作方式只能按照预先示教的位置以及姿态进行重复的运动而对周围环境无自我感知的功能，其应用范围受到一定的限制，主要作用于材料的运送、图喷、电焊等工作。1996年樊炳辉等制造出一种可以应用于隧道、煤矿巷道、室内墙壁以及一般机械行业喷涂工艺的四连杆机械臂结构。这种结构主要由行走组件、平衡拉杆组件、大臂组件、小臂组件四大部分，其中又包括四组按一定比例关系组成的四连杆机构，它可以使喷枪在喷涂工作中，容易实现竖直起落，并且始终保持与受喷面垂直以及等距的关系。1997年乌克尔.戈道斯等制造出一种适用于缝合手术的机械臂系统，这种系统是用机械臂来连接上一些必要的手术物品。这些器械具有能够用来操作抓取以及缝合组织的末端操作构件。该机械臂由一个控制器与一对主操作手柄构成。手柄可以由外科医生操作来控制末端操作装置的各种运动。2第二代机械臂，是一种具有如视觉、触觉等外部感官功能的机械臂。这种机械臂因为具有外部的感觉功能，所以可以根据外界的不同情况修改自身的一些动作，完成一些复杂的作业。比如人脸肖像绘制的机械臂，就