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1、唐 山 学 院毕 业 设 计设计题目：基于单片机的多自由度机械手臂控制器设计 系 别： 信息工程系 班 级： 11电气工程及其自动化3班 姓 名： 刘亮 指 导 教 师： 田红霞 2015年6月1日基于单片机的多自由度机械手臂控制器设计摘 要机械臂控制器作为机械臂的大脑，对于它的研究有着十分重要的意义。随着微电子技术和控制方法的不断进步，以单片机作为控制器的控制系统越来越成熟。本课题正是基于单片机的机械臂控制系统的研究。本文首先介绍了国内外机械臂发展状况以及控制系统的发展状况。其次，阐述了四自由度机械手臂控制系统的硬件电路设计及软件实现。详细阐述了机械臂控制系统中单片机及其外围电路设计、电源电
2、路设计和舵机驱动电路设计。在程序设计中，着重介绍了利用微分插补法进行PWM调速的程序设计。并给出了控制器软件设计及流程图。最后，给出了系统调试中出现的软硬件问题，进行了详细的分析并给出了相应的解决办法。关键词：机械臂 单片机 自由度 舵机 PWMDesign of Multi DOF Manipulator Controller Based on MCUAbstractAs the brain of robot arm, manipulator controller is very important for its research.With the development of micro
3、electronics technology and control method, the control system of MCU is becoming more and more mature.This thesis is based on the research of the manipulator control system of MCU.Firstly,it is introduced the development of the manipulator and the control system at home and abroad.Secondly,it is giv
4、en the circuit and software design for the four DOF manipulator in this disertation.it is expatiated the Single Chip Microcomputer(SCM),the relative circuit design ,Power circuit design,and driver circuit design of manipulator control system.In the design of the program, the design of PWM speed regu
5、lation by differential interpolation is introduced emphatically. The software design and flow chart of the controller are given.Finally,it is presented the problems of hardware and software in practive given resolves.Key word: Manipulator;MCU;DOF;Steering engine;PWM目 录1引言11.1研究的背景和意义11.2国内外机械臂研究现状21
6、.2.1国外机械臂研究现状21.2.2国内机械臂研究现状31.3机械臂控制器的发展现状31.4本设计研究的任务42机械结构与控制系统概述52.1机械结构52.2控制系统62.3系统功能介绍82.4舵机工作原理与控制方法82.4.1概述82.4.2舵机的组成82.4.3舵机工作原理93系统硬件电路设计113.1时钟电路设计113.2复位电路设计113.3控制器电源电路设计123.4舵机驱动电路133.5串口通信电路设计134系统软件设计144.1四自由机械臂轨迹规划154.2主程序设计164.3舵机调速程序设计174.3.1舵机PWM信号174.3.2利用微分插补法实现对多路PWM信号的输出18
7、4.4初末位置置换子程序214.5机械爪控制程序224.6定时器中断子程序234.6.1定时器T1中断程序234.6.2定时器T0中断子程序245系统软硬件调试255.1单片机系统开发调试工具255.1.1编程器255.1.2集成开发环境Keil和Protues255.2控制系统的仿真265.3软件调试275.4硬件调试275.5软硬件联合调试286结论29谢辞30参考文献31附录32唐 山 学 院 毕 业 设 计1引言1.1研究的背景和意义机器人是传统的机械结构学结合现代电子技术、电机学、计算机科学、控制理论、信息科学和传感器技术等多学科综合性高新技术产物,它是一种拟生结构、高速运行、重复操
8、作和高精度机电一体化的自动化设备。在研究和开发未知及不确定环境下作业的机器人的过程中，人们逐步认识到机器人技术的本质是感知、决策、行动和交互技术的结合1。随着科技的不断进步尤其控制理论、材料学和传动结构学的发展以及制造工艺的进步，推动着机器人技术大跨步的向前发展。目前，各个领域的都有其专有的机器人为其服务，如移动机器人、微机器人、水下机器人、医疗机器人、军用机器人、空中空间机器人、娱乐机器人等2。当今各领域的制造行业都有其自动化流水线，例如，汽车自动化生产流水线就主要由工业机器人组成。机器人与其他相应的制造设备的最大的优点是，其对生产环境有着极大的适应性和对各种任务的拓展性。目前工业机器人已和
9、最初的仿人型机器人有着很大的区别，更加符合各种不同生产制造领域的特殊要求，其中，目前，大多数工业机器人的形状类似人的手臂，能模拟人的手臂的部分动作,按预定的程序轨迹及其它要求,实现抓取、搬运工作或操纵工具的自动化装置3。它们通常用于代替人的繁重劳动以解决人的生存，生产的难题，实现生产的机械化和自动化,能在有害环境下操作以保护人身安全,因而广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工业和原子能等行业4。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，代替人处理一些重复性、精密性、高工作负荷的工作，大大加快了生产效率，缩减了生产周期。如汽车自动化生产线中的机器人的无缝焊接，钢厂里的钢材分拣机器人的搬运
10、打捆，都用到了工业机器人（机械臂）。各生产领域专有的机器人能够使生产效率更高,降低损失，节约成本。随着机器人技术的发展，当前的工业机械手臂的结构更加的简单，大多数为模块化的，因此,能够做到易于维护、容易扩展到更多的自由度,并且其动作能够具有较高的灵活性。对于机械手臂的控制器设计,希望使用复杂高效的控制算法使机械手臂实现更高的控制性能，更精确的定位精度。并希望其控制拥有较好的系统稳定性并有较强的可扩展性。1.2国内外机械臂研究现状1.2.1国外机械臂研究现状世界上第一台工业机器人（机械手臂）诞生在美国，1954年美国人乔治德沃尔研制了世界上第一台可编程机器人样机。从第一台机械手臂诞生以来的60多
11、年里，人类对机械手臂的热情不但没有丝毫减弱，反而越来越多的人投入到机械臂的研究和制造中。1969年，世界上第一条自动化汽车生产线由美国通用汽车公司用21台工业机器人组成。美国凭借其机器人技术全面、先进、适应性强在国际上仍一直处于领先地位。日本在1967年，由丰田纺织自动化公司从美国引入第一台工业机器人，开始了日本的工业机器人发展时代。1976年以后，随着微电子的快速发展和市场需求急剧增加，日本当时经济增长迅速，劳动力显著不足，工业机器人的出现使企业犹如获得了救命稻草，使其日本工业机器人得到快速发展。日本现有的工业机器人保有量位居世界第一，素有“机器人王国”之称5。工业机器人在欧洲的发展也非常快
12、，1973年ABB公司研制的IRB6机器人，是世界上第一台全自动微型处理器控制的机器人。同年库卡机器人也推出了自己的第一台机器人FAMULUS，它是第一个由6个电机驱动的关节机器人。大多数欧洲国家政府比较重视工业机器人的发展，比如法国规定，对于一些危险、有毒、有害的工作岗位，必须以机器人来代替普通人的劳动。德国由于其先进的工业体系，政府通过大力支持一系列研究计划，建立了一个完整的工业机器人科学技术体系，使德国机器人技术一直处于领先的地位。近些年，意大利、瑞典、英国、俄罗斯、乌克兰等国家由于自身国内机器人市场的巨大需求和国际上机器人市场的激烈竞争，发展速度也非常迅速。目前，世界上工业机器人生产厂
13、家主要集中在日本和欧美。日系生产厂家组要有三菱、发那科、松下、川崎、安川等。欧系中具有代表性的有，瑞典的ABB、德国的KUKA、美国的Adept、意大利的COMAU及奥地利的IGM公司。下面以KUKA最新研制的小型机器人KR 6 R700 fivve为代表介绍当前工业机器人的最新技术， KR AGILUS fivve 是一个五自由度的机械臂，它的特点是极高的作业速度和极高的精确度。因为它的体积小，占用空间很小，可选择安装地面、天花板等位置，因此 KR AGILUS fivve 的安装适用能力极高。KR AGILUS fivve的重量48kg，最大负荷是6kg，最大工作半径是7067mm,重复精
14、确度为0.03mm,可见其精确度极高，可以应付的工艺流程很多。其控制系统是KUKA公司最新研究的KR C4 COMPACT，只是一种更高效、更稳定、更灵活且更智能化的控制系统。灵活的结构设计和由此产生的可扩展性令其成为一款全能型控制系统。按照目前的发展趋势国外机械手今后将大力研制具有某种智能的机械手，例如，触觉交互技术的加入。1.2.2国内机械臂研究现状在古代的中国就有类似于现代的某些机器人的设备，例如，诸葛亮研制的木牛流马，鲁班造的木车。当前在我国，现代机械臂的研究最早开始于上世纪70年代。1972，上海成功的研制了我国的第一台机械手臂，随之各地都有相应的研制计划研制基地，各重点高校陆续的开
15、展的相关的专业和课程，今天我国的机械手臂应用已达到空前的高度。我国政府从七五规划开始，大力发展机器人技术，制定了大量的相关鼓励政策并且为此投入大量的科研资金。随后各地自动化研究所和相关企业开发并且制造了一系列的工业机器人，有由北京机电一体化研究所研制的焊接机器人，哈尔滨机床厂和哈工大联合制造的喷涂机器人，大连自动化研究所设计制造的拥有自主知识产权的氩弧焊机器人，沈阳工业大学设计制造的装卸载机器人等6。机器人的控制器技术通过从外国引进、消化、吸收，大多是由中国工程院和沈阳自动化研究所及北京科技大学机器人研究所开发的，但很多的机器人关键部件还有国外几家少数机构垄断，如机器人专用轴承，减震齿轮，直流伺服电机等7。我国的工业机械手的应用范围主要集中在一些自动化要求较高的制造业和先进的重工业，并且随着能源产业的壮大的相应的工业机器人也在逐渐的被应用。在目前专业机械手的发展和应用比较广泛时，应
