基于单片机的工业机器人控制器设计

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　　摘要：本设计是对工业生产中搬运机器人的模拟，以STC11F32XE单片机为核心，结合无线路由器和手机控制端程序对机械臂和小车底盘实现无线控制，设计出一种能够在无线信号控制下完成抓取、搬运货物等功能的智能机器人。控制端指令由无线路由器发送给单片机，单片机控制四自由度机械臂抓起物体，再由小车底盘对物体进行运输，到达指定地点后机械臂放下物体，完成搬运任务。此外，本设计还具有视频监控功能，它可以将现场画面实时地传送给操作人员，使操作人员对工厂的情况进行及时掌握和了解。
　　关键词：STC11C32XE单片机;机械臂;小车;无线控制
　　中图分类号：TP311      文献标识码：A
　　文章编号：1009-3044（2019）22-0263-02
　　开放科学（资源服务）标识码（OSID）：
　　一个国家的工业自动化、智能化程度可以通过工业机器人的发展水平和普及程度来衡量[1]。在一些重复、单调或劳动强度较高的工作，可使用工业机器人代替人工，比如货物的搬运、金属柜体焊接、机械加工、金属制板材和管材冲压、产品涂装、塑料制品的成型和简单的工艺装配等。同时，在一些工作环境恶劣或者危险的地方，工业机器人可代替人来完成一些工作，例如在核工业部门可以代替人来完成放射性物质的搬运和操作，在矿井矿山代替人进行长时间井下作业，在海洋科考部门的深海探测中也发挥着举足轻重的作用。
　　1 系统设计
　　基于单片机的工业机器人设计，本设计是通过四自由度机械臂抓起物体，再由小车底盘对物体进行运输，到达指定地点后机械臂再放下物体，实现货物搬运的功能。小车通过单片机程序控制，在L298电路的驱动作用下实现前进、左转、右转和后退的功能，来完成对货物的运输。此外，本设计还具有视频监控功能，它可以将现场画面实时地传给操作人员，让操作人员对工厂的情况进行及时掌握和了解。
　　2 硬件系统设计
　　2.1 主控选择
　　STC11F32XE单片机是宏晶科技有限公司出品的新一代51单片机，完全兼容查传统8051的指令，具有价格低、运行速度快（运行速度比传统8051快八到十二倍）、能耗低（具有空闲/掉电两种省电方式，单片机在这两种模式下均可被中断或外部中断唤醒）、抗干扰能力强（主要是抗静电干扰，经测试可承受20KV静电保持正常工作）的优点，此外还有：工作电压范围宽;寿命长，FLASH程序可反复擦写十万次，擦写次数是STC89C51的一百倍;工作温度范围广，工业级工作温度可低达零下40摄氏度、高达85摄氏度[2]。完全适合工业生产现场和大多数恶劣环境，满足本工业机器人设计的选用要求。
　　2.2 机械臂模块设计
　　机械臂是本次工业机器人控制器设计的重要组成部分[3]。机器人行业发展至今，机械臂种类和样式也五花八门，本次设计选用的机械臂家族中的多关节机械臂。通常，六个自由机械臂可以到达空间中任意位置，但对于本设计而言，由于机械臂下连接在能自由运动机器人小车底盘上，所以并不需要拥有完整的六个自由度，而只需四个自由度，配合小车底盘的运动，也能完成任意位置货物的抓取。它由四个MG995舵机和金属支架构成，拥有四个自由度，金属支架在舵机的带动下可完成一系列动作：一号舵机带动机械爪完成张合动作，二号舵机带动机械爪实现机械爪整体旋转动作，三号和四号舵机相互配合可完成机械臂伸缩和升降的动作。工业机器人可通过机械臂在四路舵机的配合下带动其完成抓取、夹持、搬运等动作。此机械臂具有结构坚固，重量轻惯性小，动作精准，负载大，动作平稳等优点，适合本次设计。
　　2.3 其他硬件
　　小车模块是工业机器人的运动部分，相当于机器人的“双腿”，它能载着机器人的主体，移动到平面上的任意一个角落，配合机械臂完成货物搬运任务。本设计采用四轮驱动小车底盘，由四个直流减速电机带动，通过程序的控制，可完成前进、后退、左转和右转等动作。同时，它的原地转向功能也为机械臂提供了第五个自由度（绕z轴转动），进一步提高了工业机器人设计的灵活度。
　　3 软件系统整体设计
　　3.1 机械臂控制程序分析设计
　　舵机是机器人运动系统的关键组成部分，在本设计中四自由度机械臂的动作通过控制舵机来实现，舵机是一种伺服电机，舵机的转动角度可用PWM（Pulse Width Modulation）信号控制。脉冲宽度调制技术是通过控制高低电平的持续时间来改变脉冲波形的宽度，实现对模拟电路的控制，被广泛运用于舵机角度控制、灯光亮度调节、直流电动机调速和音量调节等功率控制以及各种通信行业中，是一套比较成熟的控制方法。用PWM技术控制舵机转动角度时，可以用C语言编程产生PWM波形，单片机I/O口输出PWM脉冲，PWM脉冲的每个宽度对应舵机转动的每一个角度，通过指令调节PWM波的脉宽变化改变PWM波形的占空比，来控制机械臂舵机任意角度转动。进而控制机械臂（机械爪）的四个关节自由动作。舵机有三根引出线，其中控制信号线用于输入PWM信号来控制舵机的转动角度。首先利用单片机的生成PWM周期为20ms的信号，周期长度为20ms;再来设置PWM信号的脉冲宽度，PWM信号的每个宽度值对应一个舵机的角度。
　　3.2 小车程序分析设计
　　小车模块由四个直流电机组成，控制电机正反转即能完成小车的前后左右操作，将同侧电动机串联，分成左右两组电机，只需控制两个电动机组即可，单片机串口向L298芯片输入引脚输出高低电平，经过L298芯片的放大功能，将输出功率放大到合适的大小，驱动电机正反转，利用差速的原理可以实现对小车的控制。前进时，使左右两组电极同时正转，实现前进功能;后退时，左右两组电机同时反转，实现后退功能。左转时，左侧电动机组反转、右侧电动机组正转，可以实现原地左转功能;右转时，右侧电动机组反转、左侧电动机组正转，可以实现原地右转功能。若单片机输出串口向L298芯片的IN1引脚输入低电平、IN2引脚输入高电平，则电动机正转;若单片机输出串口向L298芯片的IN1引脚输入高电平、IN2引脚输入低电平，则电机反转。
　　4 结语
　　此次设计的工业机器人系统主要由STC11F32单片机为控制芯片，和一些外部电路构成。本设计的是一个硬件实物模型，重点研究和分析了以下问题：工业机器人的结构和组成、工业机器人如何完成搬运任务、机器人各部分的控制方法和控制原理、机器人的无线控制技术、机器人控制程序的设计和编写、机器人系统的硬件电路设计、工业机器人系统的整体联合测试。
　　参考文献：
　　[1] 苏霄， 田景文. 模糊控制算法在自主机器人行进过程中的应用研究[J]. 制造業自动化， 2011， 33（15）：4-6.
　　[2] 申风有. 多通道NANDFlash控制器的设计[D]. 华中科技大学， 2011.
　　[3] 周艇. 智能机器人视觉伺服控制系统-XJZK的研究与设计[D]. 2004.
　　【通联编辑：李雅琪】
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