本科毕业论文-基于单片机的多自由度机械手臂控制器设计解析

唐山学院

毕业设计

设计题目：基于单片机的多自由度机械手臂控制器设计

系别：信息工程系

班级：11电气工程及其自动化3班

姓名：刘亮

指导教师：田红霞

2015年6月1日

基于单片机的多自由度机械手臂控制器设计

摘要

机械臂控制器作为机械臂的大脑，对于它的研究有着十分重要的意义。随着微电子技术和控制方法的不断进步，以单片机作为控制器的控制系统越来越成熟。本课题正是基于单片机的机械臂控制系统的研究。

本文首先介绍了国内外机械臂发展状况以及控制系统的发展状况。其次，阐述了四自由度机械手臂控制系统的硬件电路设计及软件实现。详细阐述了机械臂控制系统中单片机及其外围电路设计、电源电路设计和舵机驱动电路设计。在程序设计中，着重介绍了利用微分插补法进行PWM调速的程序设计。并给出了控制器软件设计及流程图。最后，给出了系统调试中出现的软硬件问题，进行了详细的分析并给出了相应的解决办法。

关键词：机械臂单片机自由度舵机PWM

Design of Multi DOF Manipulator Controller

Based on MCU

Abstract

As the brain of robot arm, manipulator controller is very important for its research.With the development of microelectronics technology and control method, the control system of MCU is becoming more and more mature.This thesis is based on the research of the manipulator control system of MCU.

Firstly,it is introduced the development of the manipulator and the control system at home and abroad.

Secondly,it is given the circuit and software design for the four DOF manipulator in this disertation.it is expatiated the Single Chip Microcomputer(SCM),the relative circuit design ,Power circuit design,and driver circuit design of manipulator control system.In the design of the program, the design of PWM speed regulation by differential interpolation is introduced emphatically. The software design and flow chart of the controller are given.Finally,it is presented the problems of hardware and software in practive given resolves.

Key word: Manipulator;MCU;DOF;Steering engine;PWM

目录

1引言 (1)

1.1研究的背景和意义 (1)

1.2国内外机械臂研究现状 (2)

1.2.1国外机械臂研究现状 (2)

1.2.2国内机械臂研究现状 (3)

1.3机械臂控制器的发展现状 (3)

1.4本设计研究的任务 (4)

2机械结构与控制系统概述 (5)

2.1机械结构 (5)

2.2控制系统 (6)

2.3系统功能介绍 (8)

2.4舵机工作原理与控制方法 (8)

2.4.1概述 (8)

2.4.2舵机的组成 (8)

2.4.3舵机工作原理 (9)

3系统硬件电路设计 (11)

3.1时钟电路设计 (11)

3.2复位电路设计 (11)

3.3控制器电源电路设计 (12)

3.4舵机驱动电路 (13)

3.5串口通信电路设计 (13)

4系统软件设计 (14)

4.1四自由机械臂轨迹规划 (15)

4.2主程序设计 (16)

4.3舵机调速程序设计 (17)

4.3.1舵机PWM信号 (17)

4.3.2利用微分插补法实现对多路PWM信号的输出 (18)

4.4初末位置置换子程序 (21)

4.5机械爪控制程序 (22)

4.6定时器中断子程序 (23)

4.6.1定时器T1中断程序 (23)

4.6.2定时器T0中断子程序 (24)

5系统软硬件调试 (25)

5.1单片机系统开发调试工具 (25)

5.1.1编程器 (25)

5.1.2集成开发环境Keil和Protues (25)

5.2控制系统的仿真 (26)

5.3软件调试 (27)

5.4硬件调试 (27)

5.5软硬件联合调试 (28)

6结论 (29)

谢辞 (30)

参考文献 (31)

附录 (32)

1引言

1.1研究的背景和意义

机器人是传统的机械结构学结合现代电子技术、电机学、计算机科学、控制理论、信息科学和传感器技术等多学科综合性高新技术产物,它是一种拟生结构、高速运行、重复操作和高精度机电一体化的自动化设备。在研究和开发未知及不确定环境下作业的机器人的过程中，人们逐步认识到机器人技术的本质是感知、决策、行动和交互技术的结合[1]。随着科技的不断进步尤其控制理论、材料学和传动结构学的发展以及制造工艺的进步，推动着机器人技术大跨步的向前发展。目前，各个领域的都有其专有的机器人为其服务，如移动机器人、微机器人、水下机器人、医疗机器人、军用机器人、空中空间机器人、娱乐机器人等[2]。当今各领域的制造行业都有其自动化流水线，例如，汽车自动化生产流水线就主要由工业机器人组成。机器人与其他相应的制造设备的最大的优点是，其对生产环境有着极大的适应性和对各种任务的拓展性。目前工业机器人已和最初的仿人型机器人有着很大的区别，更加符合各种不同生产制造领域的特殊要求，其中，目前，大多数工业机器人的形状类似人的手臂，能模拟人的手臂的部分动作,按预定的程序轨迹及其它要求,实现抓取、搬运工作或操纵工具的自动化装置[3]。它们通常用于代替人的繁重劳动以解决人的生存，生产的难题，实现生产的机械化和自动化,能在有害环境下操作以保护人身安全,因而广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工业和原子能等行业[4]。

近年来工业机器人在工厂自动化改革中发挥着巨大的作用，代替人处理一些重复性、精密性、高工作负荷的工作，大大加快了生产效率，缩减了生产周期。如汽车自动化生产线中的机器人的无缝焊接，钢厂里的钢材分拣机器人的搬运打捆，都用到了工业机器人（机械臂）。

各生产领域专有的机器人能够使生产效率更高,降低损失，节约成本。随着机器人技术的发展，当前的工业机械手臂的结构更加的简单，大多数为模块化的，因此,能够做到易于维护、容易扩展到更多的自由度,并且其动作能够具有较高的灵活性。对于机械手臂的控制器设计,希望使用复杂高效的控制算法使机械手臂实现更高的控制性能，更精确的定位精度。并希望其控制拥有较好的系统稳定性并有较强的可扩展性。