基于AT89C51单片机的机械手臂对流水线产品的分拣

河南科技大学

课程名称 __ 现代控制理论

题目名称基于单片机的机械手臂对流水线产品的分拣

学生学院 ___ 信息工程学院_____ 专业班级 __ 自动化133班

学号 131404010339 学生姓名 __ 张如江

指导教师 __ 王晓红 _ _

基于单片机的机械手臂对流水线产品的分拣

张如江1

【摘要】本文主要针对目前国内机械式手臂在流水线生产领域应用比较广泛

的现状，设计出一种拥有六个自由度的机械手臂，与具体的流水线产品相结合，阐述AT89C51单片机控制系统和伺服电机的工作原理来实现对流水线产品的分拣工作。

【关键词】机械手臂；六个自由度；单片机；伺服电机；流水线分拣；【中图分类号】TP100 【文献标识码】 D

The sorting of the mechanical arm to the assembly line based on single

chip microcomputer

ZHANG Ru-jiang

[Abstract]T his paper mainly aimed at the domestic mechanical arm of the present situation of the production line are widely used in design combining a has six degrees of freedom mechanical arm, and the specific product line on SCM control system and servo motor working principle to realize the product line sorting.

[Key words]mechanical arm；Six degrees of freedom；singlechip；servo motor；line sorting；

机器手臂是近几十年来涌现的一种工业技术装备，它能模仿人体上肢某些动作，在生产过程中代替人搬运物件或操持工具进行操作。在工业生产中应用机器手臂，可以提高劳动生产率，保证产品质量，减轻工人劳动强度，实现生产过程自动化，因此在现在的生活中越来越普遍。

随着工业技术的发展，流水线分拣中的工业机械臂已被越来越多的应用到了生产实际当中，其同时也促进了工业的发展，生产效率的提高。因此，对于工业机械臂的研究也变得越来越广泛而深入。工业机械臂的用途相当广泛，同时被用于焊接、装配、搬运等多种用途，其结构形式也多种多样。

参观了前几天的洛阳机器人会展时看到很多不同作用的机械手臂，产生的浓厚的兴趣；然后联想到假期在工厂里面的做过的手机产品的分拣工作，所以想基于此想法来实现一个基于单片机的机械手臂来代替人工分拣产品的自动控制系统。

机器手臂具有两个部分：控制部分和直接进行工作的部分。控制系统通过编程，决定直接工作的机器臂部分。由于采用程序控制，所以很容易根据需要改变其工作方式和任务。

1张如江.（1993- ），男，汉族，河南科技大学，自动化学士，E-mail: 1131267597@

1 系统简介及其各个部分的工作原理

1.1 系统简介

本设计的流水线对产品类别的分拣系统主要有机械手臂本体、控制系统、伺服驱动系统、检测系统以及外围电路组成；其中机器人手臂由上臂、前臂、手和肘、肩、腕组成的六个自由度，其中包括X移动、Y移动、Z移动、Z转动、X转动、Y转动，这样可以实现手臂在空间的任意一个位置来取放目标产品。控制系统的核心是AT89C51单片机，外围检测电路由增量式编码器和限位开关组成。 1.2 伺服马达

微型伺服马达有着如下的优点：

大扭力、控制简单、装配灵活。伺服

电机的最大特点是可控。在有控制信

号时，伺服电机就转动，且转速大小

正比于控制电压的大小。去掉控制电

压后，伺服电机就立即停止转动。伺

服电机的应用甚广，几乎所有的自动

控制系统都需要用到。在家电产品中，

例如录相机、激光唱机等都是不可缺

少的重要组成部分。—个微型伺服马

达内部包括了—个小型直流马达、一

组变速齿轮组、—个反馈可调电位器

及一块电子控制板。其中高速转动的

直流马达提供了原始动力，带动变速

(减速)齿轮组，使之产生高扭力的输

出，齿轮组的变速比愈大，伺服马达

的输出扭力也愈大，也就是说越能承

受更大的重量，但转动的速度也愈低。

减速齿轮组由马达驱动，其终端(输出

端)带动一个线性的比例电位器作位

置检测，该电位器把转角坐标转换为

一比例电压反馈给控制线路板，控制线路板将其与输入的控制脉冲信号比较，产生纠正脉冲，并驱动马达正向或反向地转动，使齿轮组的输出位置与期望值相符，令纠正脉冲趋于为0，从而达到使伺服马达精确定位的目的。伺服马达的瞬时运动速度是由其内部的直流马达和变速齿轮组的配合决定的，在恒定的电压驱动下，其数值唯一。但其平均运动速度可通过PWM方式控制。标准的微型伺服电机有三条控制线，分别为：电源，地及控制线。电源线与地线用于提供内部的直流电机及控制线路所需的能源，电压通常介于4v到6v之间，该电源应尽可能与处理系统的电源隔离(因为伺服电机会产生噪音)。甚至小伺服电机在重负载时也会拉低放大器的电压，所以整个系统的电源供应的比例必须合理。

依据伺服电机的特点，采用PWM波来控制其的转动角度，这样可以利用AT89C51给定的信号来达到精准控制的效果，这样在流水线现场采集好相应的位

置数据后改编相应的程序来基于驱动每个伺服电机的合作来完成相应的动作配合达到想要的效果。PWM输入一个正向的脉冲信号，这个周期脉冲信号的高电平时间通常在1-2ms之间，这样的话并不是很严格；下面表示出一个典型的20ms 周期性脉冲的正脉冲宽度与微伺服电机输出臂位置的关系：

1-2伺服电机输入正脉冲宽度与输出臂位置的关系

这样可以得出只要根据相应的脉宽度与电机角度的关系（实际的手臂的位置坐标）加上扫产品条码的信息来设置单片机的输出脉冲宽度就可以实现不同的时间每个手臂的相互动作来完成对产品的分拣。

1.3 AT89C51

本个设计的控制部件是我们之前学习的c51单片机，这是一个低功耗、高性能的COMS 8位单片机；片上带有4KFlash存储器，允许对其进行多次的程序编写实现流水线不同产品特性和取放位置不同的参数设置，做到经济实惠和方便的优点。

1-3AT89C51结构图

软件设计的重点在于键盘扫

描和脉冲宽度的变化诸多，这里

脉冲宽度是占据主要的控制位

置，51的实现脉冲的方法有中断

法和延时法，我们知道延时法有

一定的误差，应该会导致伺服电