基于單片機的工業機器人控制器設計

陳丹妮 陳思德 趙建宇 劉書苑 西北民族大學

在國民經濟和科學技術高速發展的今天，人們的生活質量得到了極大的改善，人們在生活上對物質的需求量逐漸增大，傳統的手工業生產方式早已無法滿足人們對各類產品的需求，所以工業生產技術亟需得到發展。工廠為了提高生產效率，確保生產質量，逐漸開始重視工業生產的自動化，工業機器人作為自動化生產線的主要組成部分，逐漸被越來越多的生產企業所認可，并投入使用。

1.研究意義

提高工業機器人的技術水平和普及程度，不僅可以提升工廠的生產效率、確保其產品的質量，還可以改善工人的工作環境和減輕他們的工作強度、降低生產成本、節省原材料、提高生產力水平、解放勞動力。工業機器人正推動著我們的社會由勞動密集型向技術密集型轉型，對提高社會生產力和增加經濟效應有著非常重要的意義。機器人產業的發展像互聯網一樣改變著我們的生產生活方式，其發展前景十分樂觀。

2.基本原理

此次設計的工業機器人系統能完成以下幾項工作。進行搬運工作時，通過無線局域網遠程控制完成所有操作。控制機器人運動至貨物前方，調整合適的工作角度，張開機械爪對準貨物并夾緊。再發出指令，使機械臂抬起貨物，移動小車到指定位置，操縱機械臂放穩貨物，張開機械臂，此時指令發布完畢，搬運任務結束。此外，還可以通過裝載數字攝像頭，將工作現場及周邊的情況通過視頻的形式實時發送給操作人員，讓操作人員對工作現場的具體環境加以了解，便于工作人員時刻了解工廠狀況。本設計的材料價格低廉，使用壽命長，操作簡單易學，達到節省人力的目的，可運用在各工業領域，實現企業的經濟效應。

3.系統設計

3.1 機械臂模塊設計

機械臂是本次工業機器人控制器設計的重要組成部分。機器人行業發展至今，機械臂種類和樣式也五花八門，本次設計選用的機械臂家族中的多關節機械臂。通常，六自由機械臂可以到達空間中任意位置，但對于本設計而言，由于機械臂下連接在能自由運動機器人小車底盤上，所以并不需要擁有完整的六個自由度，而只需四個自由度，配合小車底盤的運動，也能完成任意位置貨物的抓取。它由四個舵機和金屬支架構成，擁有四個自由度，金屬支架在舵機的帶動下可完成一系列動作：一號舵機帶動機械爪完成張合動作，二號舵機帶動機械爪實現機械爪整體旋轉動作，三號和四號舵機相互配合可完成機械臂伸縮和升降的動作。工業機器人可通過機械臂在四路舵機的配合下帶動其完成抓取、夾持、搬運等動作。此機械臂具有結構堅固，重量輕慣性小，動作精準，負載大，動作平穩等優點。

3.2 小車模塊設計

小車模塊是工業機器人的運動部分，相當于機器人的“雙腿”，它能載著機器人的主體，移動到平面上的任意一個角落，配合機械臂完成貨物搬運任務。本設計采用四輪驅動小車底盤，由四個直流減速電機帶動，通過程序的控制，可完成前進、后退、左轉和右轉等動作。同時，它的原地轉向功能也為機械臂提供了第五個自由度（繞z軸轉動），進一步提高了工業機器人設計的靈活度。

3.3 線通信模塊設計

在本設計中，無線通信模塊是控制端與機器人執行部分的一個媒介，它能將控制端的控制指令以WIFI的形式發給單片機，同時，把攝像頭傳來的視頻畫面傳給控制端，以實現工業機器人的無線控制和遠程視頻監控的功能。現在市面上的路由器普遍采用OpenWrt操作系統，此系統可以為設計者提供一個可以自由編輯的平臺，用戶可以自己的意愿和需要安裝程序和驅動，此時，路由器就像是裝有Linux一臺微型計算機。無線路由器與手機控制端建立連接，手機操作界面的按鈕值對應為控制指令，將控制端發出的控制信號指令通過WIFI通道傳遞給無線路由器，無線路由器的引出線與單片機的串口相連，無線路由器接收指令信號并通過引出線將信號傳送給單片機串口，實現控制端通過無線模塊與單片機進行串口通信了。指令經單片機解析后，通過單片機串口輸出就可根據控制指令實現了對機械臂和小車實現的遠程無線控制。

3.4 視頻采集模塊設計

視頻采集模塊式工業機器人的眼睛，它能將采集到的現場畫面，以視頻的形式實時傳給操作人員，以便工作人員對現場的情況進行實時的掌握和了解，并操縱機器人完成相應的工業生產任務。它的工作原理是將圖像傳感器捕捉到的光信號轉換為電信號，電信號轉化為數字圖像信號，數字圖像信號通過USB線傳給無線路由器，路由器內部的驅動程序將采集的視頻信息通過無線局域網實時傳送給控制段程序。

4.工業機器人系統設計展望

雖然工業機器人系統的各項功能已基本實現，但還存在一些缺陷和不足。如運用到生產實踐中，可以進行如下改進和補充：

（1）可以在工業機器人上增加溫度、濕度、氣體或聲音傳感器，讓操作人員對工業現場的環境有全方位的了解。

（2）可以把機械臂一些常用的動作比如抓取和放下貨物，分別設定成兩個固定的動作組，用兩個按鍵就可控制，而不用分別操作機械臂的四個自由度，以提高工作效率和節省了人力。

（3）目前工業機器人為手動控制，對一些往復、單調的搬運工作，可讓機器人實現自動控制。