基于單片機控制的六自由度自動尋跡機械人的設計與實現

王 剛，魏運全

（四川信息職業技術學院 四川 廣元 628017）

當代科學技術發展的特點之一就是機械技術，電子技術和信息技術的結合，機器人就是這種結合的產物之一。現代機器人都是由機械發展而來。與傳統的機器的區別在于，機器人有計算機控制系統，因而有一定的智能，人類可以編制動作程序，使它們完成各種不同的動作。六自由度自動尋跡搬運機器人就是其中一種，這種搬運機器人不但能夠代替人的某些功能，有時還能超過人的體力能力，可以24小時甚至更長時間連續重復運轉，還可以承受各種惡劣環境，因此，搬運機器人是人體局部功能的延長和發展。

本設計主要應用單片機MSP430作為控制核心，直流電機、熱釋電型紅外傳感器等相結合的系統。它充分發揮了單片機的性能，其優點硬件電路簡單，軟件功能完善，控制系統可靠，性價比較高等特點，具有一定的使用和參考價值。

1 系統原理

1.1 自動尋跡模塊的系統原理

本設計中自動尋跡模塊主要由單片機及其外圍電路、紅外尋跡電路、直流電機控制電路等組成。正常工作時，單片機循環檢測紅外尋跡電路輸出信號，據此產生直流電機控制信號，當系統檢測到工作方式發生改變時，系統進入相應方式。其原理框圖如圖1、圖2所示。

圖1 自動尋跡模塊原理框圖（1）Fig.1 Automatic tracing module principle diagram（1）

圖2 自動尋跡模塊原理框圖（2）Fig.2 Automatic tracing module principle diagram（2）

1.2 六自由度機械手模塊的系統原理

系統的設計采用模塊化的方法，將機械手劃分為基座、手臂、手腕、手部4部分。控制器以MSP430單片機為主控制器，具體控制部分框圖見圖3。

圖3 六自由度模塊的原理框圖Fig.3 Block diagram of six degree of freedom module

2 系統設計

2.1 自動尋跡模塊硬件設計

1）基本單片機系統

尋跡機器人系統的控制核心，一般情況下以MSP430單片機片內的基本硬件資源為主，有必要時再擴展部分外部器件。在本設計中需要完成的控制比較簡單，以單片機片內的基本硬件資源完全可以實現，因此不需擴展。

2）放大信號電路

采用LM324控制，LM324是四運放集成電路，它采用14腳雙列直插塑料封裝，內部包含四組形式完全相同的運算放大器，除電源共用外，四組運放相互獨立。

3）電動機驅動電路

所選用的電動機為普通的直流電機，在MSP430單片機的控制下，可接一個電機驅動芯片或者通過其他的一些原件可使電機轉動。本系統為了設計簡單，采用其他方式代替了電路驅動芯片。

2.2 六自由度機械手模塊硬件設計

六自由度機械手是由6個伺服電機驅動的機器手臂。除了構成手臂的4個關節、手腕1個關節外，再加上手部的夾持，實現了1個機械手的機械結構。

該控制模塊采用5 V直流電源分別為單片機和機械手臂的電機供電，電路包括手動復位電路、晶振電路、矩陣鍵盤、用以控制單片機轉角的控制的獨立鍵盤、伺服電機接入口，并可通過顯示屏顯示被選電機標識號和該電機轉動的角度。

3 軟件設計

本系統的軟件設計面向硬件，選用C語言編程。最主要部分是單片機控制電機轉動(包括正轉反轉)、時間的延遲和PID算法，具體的設計流程圖見圖4和圖5。

4 系統調試

1）程序編完后，對代碼仔細逐行檢查。檢查代碼的錯誤，建立自己的代碼檢查表，對經常易錯的地方進行檢查。檢查代碼是否符合編程規范。

2）調試程序看是否能仿真，如果運行正常再將在編譯器中調試好的程序燒寫至單片機。

圖4 自動尋跡模塊控制流程圖Fig.4 Automatic tracing module control flow chart

圖5 六自由度模塊控制流程圖Fig.5 Control flow chart of six degree of freedom model

3）在接上電源時，觀察整體電路是否按照預計設計的運作，電機是否正轉，電機是否反轉等。可根據電路的運行情況推測出程序出錯的部分，修改程序后再經過編譯器調試后燒到單片機，反復檢測直到能工作完全正常。

5 結束語

本系統為單片機的尋跡機器人系統，主要應用單片機MSP430作為控制核心，直流電機、舵機、一體紅外接收頭等相結合的系統。這個系統軟硬件設計簡單，易于開發，嚴格控制各種元件的采購成本，所以價格低廉，安全可靠，操作方便。

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