基于單片機(jī)的工業(yè)機(jī)器人控制器設(shè)計(jì)

肖嘉池

摘要：本設(shè)計(jì)是對工業(yè)生產(chǎn)中搬運(yùn)機(jī)器人的模擬，以STC11F32XE單片機(jī)為核心，結(jié)合無線路由器和手機(jī)控制端程序?qū)C(jī)械臂和小車底盤實(shí)現(xiàn)無線控制，設(shè)計(jì)出一種能夠在無線信號控制下完成抓取、搬運(yùn)貨物等功能的智能機(jī)器人。控制端指令由無線路由器發(fā)送給單片機(jī)，單片機(jī)控制四自由度機(jī)械臂抓起物體，再由小車底盤對物體進(jìn)行運(yùn)輸，到達(dá)指定地點(diǎn)后機(jī)械臂放下物體，完成搬運(yùn)任務(wù)。此外，本設(shè)計(jì)還具有視頻監(jiān)控功能，它可以將現(xiàn)場畫面實(shí)時地傳送給操作人員，使操作人員對工廠的情況進(jìn)行及時掌握和了解。

關(guān)鍵詞：STC11C32XE單片機(jī);機(jī)械臂;小車;無線控制

中圖分類號：TP311? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2019）22-0263-02

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID）：

一個國家的工業(yè)自動化、智能化程度可以通過工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展水平和普及程度來衡量[1]。在一些重復(fù)、單調(diào)或勞動強(qiáng)度較高的工作，可使用工業(yè)機(jī)器人代替人工，比如貨物的搬運(yùn)、金屬柜體焊接、機(jī)械加工、金屬制板材和管材沖壓、產(chǎn)品涂裝、塑料制品的成型和簡單的工藝裝配等。同時，在一些工作環(huán)境惡劣或者危險的地方，工業(yè)機(jī)器人可代替人來完成一些工作，例如在核工業(yè)部門可以代替人來完成放射性物質(zhì)的搬運(yùn)和操作，在礦井礦山代替人進(jìn)行長時間井下作業(yè)，在海洋科考部門的深海探測中也發(fā)揮著舉足輕重的作用。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于單片機(jī)的工業(yè)機(jī)器人設(shè)計(jì)，本設(shè)計(jì)是通過四自由度機(jī)械臂抓起物體，再由小車底盤對物體進(jìn)行運(yùn)輸，到達(dá)指定地點(diǎn)后機(jī)械臂再放下物體，實(shí)現(xiàn)貨物搬運(yùn)的功能。小車通過單片機(jī)程序控制，在L298電路的驅(qū)動作用下實(shí)現(xiàn)前進(jìn)、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)和后退的功能，來完成對貨物的運(yùn)輸。此外，本設(shè)計(jì)還具有視頻監(jiān)控功能，它可以將現(xiàn)場畫面實(shí)時地傳給操作人員，讓操作人員對工廠的情況進(jìn)行及時掌握和了解。

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 主控選擇

STC11F32XE單片機(jī)是宏晶科技有限公司出品的新一代51單片機(jī)，完全兼容查傳統(tǒng)8051的指令，具有價格低、運(yùn)行速度快（運(yùn)行速度比傳統(tǒng)8051快八到十二倍）、能耗低（具有空閑/掉電兩種省電方式，單片機(jī)在這兩種模式下均可被中斷或外部中斷喚醒）、抗干擾能力強(qiáng)（主要是抗靜電干擾，經(jīng)測試可承受20KV靜電保持正常工作）的優(yōu)點(diǎn)，此外還有：工作電壓范圍寬;壽命長，F(xiàn)LASH程序可反復(fù)擦寫十萬次，擦寫次數(shù)是STC89C51的一百倍;工作溫度范圍廣，工業(yè)級工作溫度可低達(dá)零下40攝氏度、高達(dá)85攝氏度[2]。完全適合工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場和大多數(shù)惡劣環(huán)境，滿足本工業(yè)機(jī)器人設(shè)計(jì)的選用要求。

2.2 機(jī)械臂模塊設(shè)計(jì)

機(jī)械臂是本次工業(yè)機(jī)器人控制器設(shè)計(jì)的重要組成部分[3]。機(jī)器人行業(yè)發(fā)展至今，機(jī)械臂種類和樣式也五花八門，本次設(shè)計(jì)選用的機(jī)械臂家族中的多關(guān)節(jié)機(jī)械臂。通常，六個自由機(jī)械臂可以到達(dá)空間中任意位置，但對于本設(shè)計(jì)而言，由于機(jī)械臂下連接在能自由運(yùn)動機(jī)器人小車底盤上，所以并不需要擁有完整的六個自由度，而只需四個自由度，配合小車底盤的運(yùn)動，也能完成任意位置貨物的抓取。它由四個MG995舵機(jī)和金屬支架構(gòu)成，擁有四個自由度，金屬支架在舵機(jī)的帶動下可完成一系列動作：一號舵機(jī)帶動機(jī)械爪完成張合動作，二號舵機(jī)帶動機(jī)械爪實(shí)現(xiàn)機(jī)械爪整體旋轉(zhuǎn)動作，三號和四號舵機(jī)相互配合可完成機(jī)械臂伸縮和升降的動作。工業(yè)機(jī)器人可通過機(jī)械臂在四路舵機(jī)的配合下帶動其完成抓取、夾持、搬運(yùn)等動作。此機(jī)械臂具有結(jié)構(gòu)堅(jiān)固，重量輕慣性小，動作精準(zhǔn)，負(fù)載大，動作平穩(wěn)等優(yōu)點(diǎn)，適合本次設(shè)計(jì)。

2.3 其他硬件

小車模塊是工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)動部分，相當(dāng)于機(jī)器人的“雙腿”，它能載著機(jī)器人的主體，移動到平面上的任意一個角落，配合機(jī)械臂完成貨物搬運(yùn)任務(wù)。本設(shè)計(jì)采用四輪驅(qū)動小車底盤，由四個直流減速電機(jī)帶動，通過程序的控制，可完成前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)和右轉(zhuǎn)等動作。同時，它的原地轉(zhuǎn)向功能也為機(jī)械臂提供了第五個自由度（繞z軸轉(zhuǎn)動），進(jìn)一步提高了工業(yè)機(jī)器人設(shè)計(jì)的靈活度。

3 軟件系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

3.1 機(jī)械臂控制程序分析設(shè)計(jì)

舵機(jī)是機(jī)器人運(yùn)動系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分，在本設(shè)計(jì)中四自由度機(jī)械臂的動作通過控制舵機(jī)來實(shí)現(xiàn)，舵機(jī)是一種伺服電機(jī)，舵機(jī)的轉(zhuǎn)動角度可用PWM（Pulse Width Modulation）信號控制。脈沖寬度調(diào)制技術(shù)是通過控制高低電平的持續(xù)時間來改變脈沖波形的寬度，實(shí)現(xiàn)對模擬電路的控制，被廣泛運(yùn)用于舵機(jī)角度控制、燈光亮度調(diào)節(jié)、直流電動機(jī)調(diào)速和音量調(diào)節(jié)等功率控制以及各種通信行業(yè)中，是一套比較成熟的控制方法。用PWM技術(shù)控制舵機(jī)轉(zhuǎn)動角度時，可以用C語言編程產(chǎn)生PWM波形，單片機(jī)I/O口輸出PWM脈沖，PWM脈沖的每個寬度對應(yīng)舵機(jī)轉(zhuǎn)動的每一個角度，通過指令調(diào)節(jié)PWM波的脈寬變化改變PWM波形的占空比，來控制機(jī)械臂舵機(jī)任意角度轉(zhuǎn)動。進(jìn)而控制機(jī)械臂（機(jī)械爪）的四個關(guān)節(jié)自由動作。舵機(jī)有三根引出線，其中控制信號線用于輸入PWM信號來控制舵機(jī)的轉(zhuǎn)動角度。首先利用單片機(jī)的生成PWM周期為20ms的信號，周期長度為20ms;再來設(shè)置PWM信號的脈沖寬度，PWM信號的每個寬度值對應(yīng)一個舵機(jī)的角度。

3.2 小車程序分析設(shè)計(jì)

小車模塊由四個直流電機(jī)組成，控制電機(jī)正反轉(zhuǎn)即能完成小車的前后左右操作，將同側(cè)電動機(jī)串聯(lián)，分成左右兩組電機(jī)，只需控制兩個電動機(jī)組即可，單片機(jī)串口向L298芯片輸入引腳輸出高低電平，經(jīng)過L298芯片的放大功能，將輸出功率放大到合適的大小，驅(qū)動電機(jī)正反轉(zhuǎn)，利用差速的原理可以實(shí)現(xiàn)對小車的控制。前進(jìn)時，使左右兩組電極同時正轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)前進(jìn)功能;后退時，左右兩組電機(jī)同時反轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)后退功能。左轉(zhuǎn)時，左側(cè)電動機(jī)組反轉(zhuǎn)、右側(cè)電動機(jī)組正轉(zhuǎn)，可以實(shí)現(xiàn)原地左轉(zhuǎn)功能;右轉(zhuǎn)時，右側(cè)電動機(jī)組反轉(zhuǎn)、左側(cè)電動機(jī)組正轉(zhuǎn)，可以實(shí)現(xiàn)原地右轉(zhuǎn)功能。若單片機(jī)輸出串口向L298芯片的IN1引腳輸入低電平、IN2引腳輸入高電平，則電動機(jī)正轉(zhuǎn);若單片機(jī)輸出串口向L298芯片的IN1引腳輸入高電平、IN2引腳輸入低電平，則電機(jī)反轉(zhuǎn)。

4 結(jié)語

此次設(shè)計(jì)的工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)主要由STC11F32單片機(jī)為控制芯片，和一些外部電路構(gòu)成。本設(shè)計(jì)的是一個硬件實(shí)物模型，重點(diǎn)研究和分析了以下問題：工業(yè)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)和組成、工業(yè)機(jī)器人如何完成搬運(yùn)任務(wù)、機(jī)器人各部分的控制方法和控制原理、機(jī)器人的無線控制技術(shù)、機(jī)器人控制程序的設(shè)計(jì)和編寫、機(jī)器人系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)、工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)的整體聯(lián)合測試。

參考文獻(xiàn)：

[1] 蘇霄， 田景文. 模糊控制算法在自主機(jī)器人行進(jìn)過程中的應(yīng)用研究[J]. 制造業(yè)自動化， 2011， 33（15）：4-6.

[2] 申風(fēng)有. 多通道NANDFlash控制器的設(shè)計(jì)[D]. 華中科技大學(xué)， 2011.

[3] 周艇. 智能機(jī)器人視覺伺服控制系統(tǒng)-XJZK的研究與設(shè)計(jì)[D]. 2004.

【通聯(lián)編輯：李雅琪】