基于单片机的遥控机械臂设计
机械臂设计论文
简易机械臂设计原理及方案孙志峰王存安瑞摘要：探讨基于89C51单片机的简易机械臂设计原理，给出一种简单易行的设计方案，满足在三维空间手动控制抓、放物体的基本功能。
设计包括仿真和具体实现两个方面。
关键词：单片机步进电机机械臂0 前言机械臂也可以称为工业机器人，在现代的工业生产中有着巨大的作用，是衡量一个国家工业自动化的重要指标。
我国目前已安装的国产工业机器人，约占全球已安装数目的0.4%与发达国家相比有着巨大的差距。
本篇为单片机初学者提供一种应用实例—单片机控制机械臂，将从工作原理、硬件电路设计、程序编写三个方面展开论述。
1 工作原理我们利用89C51单片机研制一种三自由度机械臂，它可以在三维空间做曲线运动。
该机械臂的几何结构如图1所示，它由底座、大臂、小臂、关节、二指钳组成。
大臂绕底座在水平面上转动；小臂通过关节1控制可在大臂和小臂组成的平面内转动；二指钳通过关节2的控制抓取或放开物体；关节1和底座各包含一个步进电机，步进电机在单片机和相应的步进电机驱动程序的控制下转动，实现机械臂在三维空间中的自由转动；关节2则包含一个电磁继电器，单片机通过电磁继电器控制电路和相应的物理结构控制二指钳的抓取和放开。
2 硬件电路设计本设计的核心电路是单片机控制系统，其基本设计思路如图2所示。
通过键盘输入控制机械臂转动，抓取或放开物体的信号，单片机接收到信号后对信号进行分析处理，产生对安放在底座和关节1处的步进电机的控制信号以及关节2处电磁继电器的控制信号，控制信号进入相应的驱动电路控制机械臂的转动和对目标物体的抓取和放开。
下面就具体的电路进行设计。
2.1 按键输入电路按键输入电路如图3所示，该电路原理简单，没有信号输入时输出为高，有信号输入时为低电平，即低电平有效。
由于按键的结构为机械弹性开关，在按下和断开操作时，触点在闭合和断开的瞬间会接触不稳定产生抖动。
按键的抖动时间一般为5—1Oms，会引起CPU对一次键操作进行多次处理，所以要用硬件或软件方法进行消抖，为了节省开支，这里采用了软件消抖的方法。
基于STM32的四自由度机械手臂设计
由于OV7670的像素时钟频率很高，故不是用单片机直接抓取的，而是 用FIFO暂存数据，以节省CPU资源。
2. 硬件搭建
关于机械手及舵机
舵机采用较为廉价的MG995，机 械结构由购买的散件组装而成。 最初采用6自由度结构，但在后 期调试过程中改为4自由度，将一个 舵机改用力矩更大、精度更高的数 字舵机。
S3
Value = servo_6[0][0]*s1/sum+servo_6[0][1]*s2/sum +servo_6[1][0]*s3/sum+servo_6[1][1]*s4/sum C(y)(x) = C(1,1) 映射关系如下 [0][0] = [y-1][x-1] [1][0] = [y][x-1] [0][1] = [y-1][x] [1][1] = [y][x]
关于16个标准区域的各舵机参数测量
void Change_Angle(u8 num_Sm,u16 value);
void Add_Angle(u8 num_Sm);
void Dec_Angle(u8 num_Sm); void Read_Angle(u8 num_Sm);
通过上位机想单片机发送以上四个函数， 人工引导机械手抓取各区域正中间的物体， 然后读取各舵机参数并建立数组
当四邻域中心确定时，四邻域在“表中的位置”就 可确定
3. 算法简介
（a,b）
S1
S2
四邻域中心点的确定方法
借鉴十进制中“四舍五入”的思想，根据目标中心坐标P(m,n) C（x,y） 通过“12舍13入”的方法计算C(x,y)
y = (m+12)/25;
a = m-12; l1 = x*25-1-b+1 l3 = y*25-1-a+1 S1
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PWMDesign of Multi DOF Manipulator ControllerBased on MCUAbstractAs 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。
基于单片机控制的工业机械手控制系统课程设计
基于单片机控制的工业机械手控制系统课程设计（摘要与目录在最后）第一章绪论1.1机械手的概述1.1.1机械手的简介机械手是模仿着人手的部分动作，按照给定程序、轨迹和要求能实现自动抓取、搬运的自动机械装置。
在工业生产中应用的机械手叫做“工业机械手”。
在实际生产中，应用机械手可以提高生产的自动化水平和劳动生产率，可以减轻劳动强度、保证产品质量、实现安全生产。
尤其在高温、高压、低温、低压、粉尘、易爆、有毒气体和放射性等恶劣的环境下，它代替人进行正常的工作，意义更为重大。
随着生产的发展，功能和性能的不断改善和提高，在机械加工、冲压、锻、铸、焊接、热处理、电镀、喷漆、装配以及轻工业、交通运输业等领域得到了越来越广泛的应用。
国内外对机器人及机械手所作的定义不尽相同。
国际标准化组织对机器人的定义:机器人是一种能自动定位、可控的可编程的多功能操作机。
这类操作机具有几个轴在可编程序操作下，能处理各种材料、零件、工具和专用装置，以执行各种任务。
美国国家标准(NBS)对机器人的定义:“一种可编程，并在自动化控制下执行某种特定操作和移动作业任务的机械装置。
”日本工业机器人协会对工业机器人的定义:“一种装备有记忆装置和最终执行装置，能够完成各种移动来代替人类劳动的通用机器。
”它又分为以下两种情况来定义:(1)工业机器人:“一种能执行与人的上肢类似动作的多功能机器。
”(2)智能机器人:“一种具有感觉和识别能力，并能够控制自身行为的机器。
”机械手由执行机构、驱动－传动系统和控制系统这三部分组成，如下图所示。
1.1.2机械手的类型机械手一般分为三类。
第一类是不需要人工操作的通用机械手，它是一种独立的不附属于某一主机的装置。
它可以根据任务的需要编制程序，以完成各项规定工作。
它的特点是除具备普通机械的物理性能外，还具备通用机械、记忆智能的三元机械。
第二类是需要人工操作的，称为操作机。
它起源于原子、军事工业，先是通过操作机来完成特定的作业，后来发展到用无线电信号操作机械手来进行探测月球、火星等。
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
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摘要：随着自动化技术的不断发展，机械手臂在工业生产中扮演着越来越重要的角色，越来越得到人们的关注。
现代机械手臂控制器尤其是多自由度机械手臂控制器的设计与实现成为了本领域中的研究热点。
本文基于单片机芯片设计了一种多自由度机械手控制器，采用了串行通信的方式从计算机发送命令控制机械手臂的动作。
在硬件设计方面，使用了AT89S52单片机作为主控制器，引入了五个伺服电机控制模块作为机械手的动力源，以及一组角度传感器作为手臂的姿态测量元件。
在软件设计方面，采用C语言编写程序，实现了机械手臂自动运动、复位、姿态检测等功能。
同时，对机械手臂的自动防撞、误操作检测等进行了设计。
最终实验表明，本文设计的多自由度机械手控制器具有较强的动作准确性和鲁棒性。
关键词：多自由度机械手，单片机，控制器，硬件设计，软件设计Abstract：With the continuous development of automation technology, the role of robotic manipulators in industrial production is becoming more and more important, and it has attracted more and more attention from people. The design and implementation of modern robotic controller, especially multi-degree-of-freedom robotic controller, has become a hot research topic in this field.In this paper, a multi-degree-of-freedom robotic arm controller based on MCU chip is designed, and the motion of the robotic arm is controlled by serial communication from the computer. In terms of hardware design, AT89S52 MCU is used as the main controller. Five servo motor control modules are introduced as the power source of the manipulator, and a set of angle sensors are used as the posture measurement element of the arm.In terms of software design, the program is written in C language, and the functions of automatic movement, reset and posture detection of the robotic arm are realized. At the same time, the automatic anti-collision and misoperation detection of the robotic arm are also designed. Finally, the experiment shows that the multi-degree-of-freedom robotic arm controller designed in this paper has strong motion accuracy and robustness.Keywords: multi-degree-of-freedom robotic arm, MCU, controller, hardware design, software design一、引言机器人技术早产业生产中广泛使用，将传统的出产系统向自动化和智能化方向推进。
单片机控制机械手臂的研究方法
单片机控制机械手臂的研究方法
单片机控制机械手臂的研究方法主要包括以下几个步骤：
1. 系统分析：明确机械手臂的控制要求，如定位精度、运动速度、负载能力等，并分析机械手臂的组成和功能模块，为后续设计提供依据。
2. 方案设计：根据系统分析结果，设计机械手臂的机械结构、控制系统和驱动方式等方案。
其中，机械结构的设计需要考虑运动范围、稳定性、精度等方面；控制系统的设计需要选择合适的单片机型号和舵机数量，并编写控制程序；驱动方式的选择需要根据负载特性和控制要求来决定。
3. 硬件搭建：根据方案设计，搭建机械手臂的硬件平台，包括机械结构、控制系统和驱动系统等部分。
在这个过程中，需要选择合适的材料、元件和传感器，并进行组装和调试。
4. 软件编程：根据控制要求，编写控制程序，实现机械手臂的运动控制、定位控制、速度控制等。
在编程过程中，需要使用单片机的相关指令和函数，并进行不断的调试和优化。
5. 系统测试：在完成硬件搭建和软件编程后，需要进行系统测试，验证机械手臂的控制效果是否符合要求。
测试内容应该包括运动范围、定位精度、重复定位精度等方面。
6. 改进和完善：根据系统测试的结果，对机械手臂的设计和控制程序进行改进和完善，以提高机械手臂的性能和稳定性。
总之，单片机控制机械手臂的研究方法需要综合考虑机械结构、控制系统和驱动方式等多个方面，并不断进行调试和优化，以达到最佳的控制效果。
基于单片机的多自由度机械手臂设计
基于单片机的多自由度机械手臂设计近年来，机器人技术蓬勃发展，越来越多的高新机器人先后亮相。
在各种机器人中，带机械手臂类机器人应用最为广泛。
带机械手臂的机器人能模仿人的肢体动作，代替人的工作，特别是在重物装卸，精细加工中有着非常重要的优势。
机械手臂关节的自由度、灵活性和准确性是机械手臂机器人的工作前提。
文章基于单片机，设计一个小型机器人的一只手臂能在空间四个自由度转动。
加入机械手的机械结构，通过对四个电机的正反转实验论证方案的可靠性和可行性。
标签：单片机；四自由度；机械手臂；电机引言机器手臂作为一种工业技术装备，它能代替人搬运物件或货物分拣操作。
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，代替人处理一些高危险、高危害、高工作负荷的工作，大大加快了生产效率，缩减了生产周期。
然而在这些自动化生产中，机械臂机器人占了最大的比重。
如汽车生产中的无缝焊接，钢厂里的钢材打包分拣，都用到了机器人机械臂。
机器手臂具有三个部分组成：机械臂、控制部分和工作部分。
机械臂的大小，规格决定了机械臂的应用，转角轴等，控制部分工业上一般是工控机，通过编程设计控制机械臂进行相应的操作。
工作部分由具体工作事项决定，如电焊机器人的电焊手，搬运机器人的挂钩。
1 系统功能介绍本设计采用电动式多自由度机器机器手臂模型，应用单片机控制，步进电动机的方式来驱动。
该手臂具有四个关节，每个关节可以前后转动，手臂转动采用4台微型步进电机驱动，可以完成前后左右360度摆臂等简单动作，系统控制图如图1控制部分采用80C51单片机，完成对电机的控制，即完成对手臂转动的控制。
2 软硬件设计机械手臂在动力传动方式上有连杆式、齿轮式和绳索式等。
采用齿轮结构是主流的机械手发展趋势，因为齿轮式机械手臂传动精度高、结构紧、承载高等优点。
随着工业的发展，对机械手臂要求越来越高，机械手臂向多自由度发展。
本设计为了简单起见，选用第三种传动方式——绳索式。
2.1 机械结构4自由度机械臂采用四个步进电机控制，如图2，步进电机1控制底座，实现自由旋转，步进电机2、3、4可自由旋转，完成伸展、收缩等动作。
基于51单片机的三爪机械臂设计
关键词 ：三爪机械臂 ；５ １ 单片机； 控制； 电机
当三爪机 械臂移动到指定位置时 ，反转 电机到初始位置 ，爪子打 开将物体 释放 ， 实现转移物体的功能。固定爪子 的圆盘通过螺柱与连接在小臂上的圆盘相连 ，使二 者间有足够 的空间来安装为爪子闭合提供动力的直流 电机以及缠绕细线 的小滑轮。
加支架 ， 将 支架固定在横板上用支架 固定轴。加支架后运动平 稳可实现。
１整体 方案设计
设计主要围绕三个方面展开 ： 机械 、电路和控制。使用 ５ １ 单 片机来 控制电机 的正反转 ，通过对齿 轮、轴 等结构的控制将 电机的转动转换 为三爪机 械臂的运 动
实现转移物体的动作。控制模块选用 Ｓ Ｔ Ｃ ８ ９ Ｃ ５ ２ Ｒ Ｃ单片机作为主控芯片。该单 片 机在 目前使用最多的是 ５ ｌ芯片。在融合 了传统 ５ １ 的优点的同时 ，作为增强型芯 片 ，其运算速度 、稳 定可靠性 比较好。同时 ，价格便宜 ，是较好 的选 择。总体 系 统框 图如下图 １ 所示 。
３传 动装置 的设计
由于所用 电机为 １ ２ Ｖ 、 １ ０ ０ ｒ ／ ｍ ｉ ｎ 的， 电机转速较快且 三爪 机械臂 自 身质量较大 ， 运动过 程中很难实现到达指定位置抓取物体 ，且转速过快会增加 机械结 构的负担
的开发 ，安装在机械结构上 ，使 其能够 自动实现转移物体 的功能 ，扩展其应用范 围， 增加 实用性 。在三爪机械臂的设计过程中将 主要解决运 动的传 动、轴的固定 、 直流电机传动稳定性 问题 。同时由于加工条件和资金有限 ，在设计过程 中，将尽 量减轻各部件 的质量 ，并简 化机械结构使直流 电机能够带动各部件正 常运转 。 目 前市场 上的 同类 产品 中技 术和性 能 比较好 的都是进 口产品或 外资企业 生产的产
51单片机机械臂设计流程
51单片机机械臂设计流程
设计一个基于51单片机的机械臂需要经过以下几个步骤：
1. 需求分析：明确机械臂需要完成的任务，例如抓取、移动、释放等。
根据任务需求，确定机械臂的关节数量、自由度以及工作范围等。
2. 机械设计：根据需求，设计机械臂的各个关节和结构。
这一步通常需要使用CAD软件（如SolidWorks、AutoCAD等）进行建模和仿真。
3. 控制系统设计：确定使用51单片机作为主控制器，并为其编写控制程序。
根据机械臂的自由度和关节数量，选择合适的电机和驱动器，如步进电机、舵机等。
4. 硬件搭建：根据设计，采购并搭建控制系统所需的硬件，包括51单片机、电机驱动器、传感器等。
同时，也需要设计和制作机械臂的电路板。
5. 软件编程：使用C语言或汇编语言为51单片机编写控制程序，实现对机械臂的精确控制。
这一步需要编写各种算法，如PID控制、模糊控制等，以实现精确的运动控制。
6. 系统调试：在完成硬件搭建和软件编程后，需要进行系统调试，确保机械臂能够按照预期工作。
这一步可能需要反复修改硬件和软件，直到达到满意的效果。
7. 优化和完善：在初步实现机械臂的基本功能后，需要进行优化和完善，以提高机械臂的性能和工作效率。
以上是一个基于51单片机的机械臂设计的基本流程，具体的设计过程可能会因实际需求和条件的不同而有所调整。
浅谈基于单片机的机械手臂控制系统设计
浅谈基于单片机的机械手臂控制系统设计摘要】随着我国近几年来工业化生产水平的不断提高，当前很多大型企业在进行产品生产过程当中，都会将机械手臂应用到产品加工和产品生产中。
而且机械手臂已经成为了当前自动化生产线中的重要组成部分。
随着自动化技术的不断发展，机械手臂的研究与设计工作也在不断的进行但是当前很多企业在进行机械手臂应用过程当中，仅仅只重视机械手臂，如何科学合理的设计却忽略了机械手臂控制系统的设计，因此，本文将会就基于单片机的机械手臂控制系统设计进行分析。
【关键词】单片机机械手臂控制系统设计研究与分析机械手臂是当前我国自动化技术发展过程当中重要的产品。
而且在自动化技术整体发展过程当中，机械手臂的应用，标志着我国当前企业的生产技术生产技术，生产水平迈入了全新的阶段。
而且随着机械手臂的出现，我国当前大部分企业的生产流程，生产技术，生产规划都发生了重大的改变。
很多企业在进行产品生产过程当中，开始运用自动化流水线，对于我国当前的企业而言，属于一种全新的生产方法，它不仅有效地解放了人力，也节约了很多物力与财力，提高了企业的产品生产效率和产品生产质量。
但相对于国外的自动化技术而言，我国当前的自动化技术在发展过程当中仍然存在一些没有解决的问题，其中就包括机械手臂的控制系统设计。
机械手臂控制系统设计工作的开展，是当前很多企业正在深入开展的重要工作，只有针对自动化生产线当中的自动化机械手臂进行控制系统设计，才能够更好的保证生产精度。
一、设计方案在进行机械手臂控制系统设计过程当中，首先要针对机械手臂控制系统内部的硬件结构进行详细的设计，其次针对软件结构进行设计，再进行硬件结构和软件结构设计，完成之后要开展仿真模拟实验。
实际上，机械手臂控制系统是由机械系统和电气系统共同组成的。
而我国当前很多企业在进行机械手臂应用过程当中，针对机械手臂控制系统的设计时，所选择的控制单元是运用单片机进行控制。
有的企业则是运用PLC对机械手臂的应用进行控制。
基于单片机的机械臂控制系统设计与制作
目录课程设计题目及要求第一章绪论1.1 设计题目及要求1.2 设计内容第二章硬件设计2.1 硬件结构图2.2 各模块工作原理及设计2.2.1 控制模块2.2.2 显示模块2.2.3 按键模块2.2.4 舵机模块2.3 软件程序设计第三章硬件制作以及程序的下载调试3.1 电路板的制作3.2 元器件的焊接3.3 程序的下载与调试第四章总结4.1 课程设计体会4.2 奇瑞参观感受课程设计题目及要求题目：基于单片机的机械臂控制系统设计与制作实习内容：1，完成基于单片机的机械臂控制系统原理图和PCB的绘制，在基本要求的基础上自己可以作一定的扩展；2，利用热转印纸、三氯化铁腐蚀液等完成PCB板的制作；3，完成相应电路的焊接和调试；4，完成相应软件程序的编写；5，完成软、硬件的联调；6，交付实习报告。
实习要求：1，两人一组，自由搭配，但要遵循能力强弱搭配、男女搭配、考研和不考研的搭配；2，充分发挥主观能动性，遇到问题尽量自己解决，在基本要求基础上可自由发挥；3，第一次制作电路，电路不可追求复杂；4，注意安全！熨斗、烙铁。
第一章绪论单片机自20世纪70年代问世以来，以其极高的性价比，受到人们的重视和关注，应用广泛，发展迅速。
单片机集体积小、重量轻、抗干扰能力强、环境要求低、价格低廉、可靠性高、灵活性好、开发较为容易等众多优点，以广泛用于工业自动化控制、自动检测、智能仪器仪表、家用电器、电力电子、机电一体化设备等各个方面，无论在民间、商业、及军事领域单片机都发挥着十分重要的作用二十一世纪，随着机械化、自动化水平的不断提高，不仅减轻了劳动强度、提高生产率，而且把人类活动从危险、恶劣环境中替换出来。
而其中机器人技术，显示出极大的优越性；在宇宙探索、海洋开发以及军事应用上具有重要的实用价值。
大力发展机器人技术，一方面能让社会从劳动苦力型转换到福利休闲型，另一方面能极大的提高民众的幸福感。
在新时期的世界各国，随着应用日益广泛，机器人技术将不断发展并走向成熟。
【精品毕设】基于单片机的多自由度机械手臂控制器设计
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*名：*****师：***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PWMDesign of Multi DOF Manipulator ControllerBased on MCUAbstractAs 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)。
基于单片机技术的机器人机械臂运动控制研究
基于单片机技术的机器人机械臂运动控制研究目录1. 内容简述 (2)1.1 研究背景 (3)1.2 研究意义 (4)1.3 研究目标与内容 (5)2. 机器人机械臂运动控制基础 (6)2.1 机器人机械臂概述 (8)2.2 运动控制系统原理 (9)2.3 伺服系统及其控制 (10)3. 单片机技术及其在机器人控制中的应用 (11)3.1 单片机概述 (13)3.2 单片机在机器人控制中的优势 (14)3.3 单片机与机器人机械臂接口 (15)4. 基于单片机的机器人机械臂运动控制策略 (17)4.1 运动控制算法 (18)4.2 位置控制与速度控制 (20)4.3 最优控制策略 (21)5. 机器人机械臂运动控制系统的设计与实现 (22)5.1 系统架构设计 (24)5.2 硬件选择与电路设计 (25)5.3 软件编程与调试 (27)6. 实验与测试 (28)6.1 实验设备与环境 (30)6.2 实验步骤与方法 (30)6.3 实验结果与分析 (32)7. 应用案例 (32)7.1 自动化装配 (34)7.2 物流分拣 (35)7.3 智能制造 (37)8. 结论与展望 (38)8.1 研究总结 (40)8.2 存在问题与不足 (40)8.3 未来研究方向 (41)1. 内容简述本研究聚焦于基于单片机技术的机器人机械臂运动控制系统的研发。
考虑到工业制造与日常生活对高效、精确机械臂需求日增，当前机器人技术的应用日益广泛。
本研究旨在整合单片机技术和机械电子设计，以创建出易于操作、反应迅速且可靠的动作控制系统，进而优化机器人机械臂的运动路径规划和精确执行能力。
嵌入式系统开发：采用符合机械臂工作频率和响应要求的单片机作为控制系统核心，确保系统能够快速而稳定地处理复杂的原型运动指令并实时监控系统状态。
实时操作系统：引入适当的实时操作系统以保证系统任务的及时响应和处理，以及确保在进行运动控制时系统的高性能和强稳定性。
基于51单片机的机械臂控制系统设计
基于51单片机的机械臂控制系统设计下载提示：该文档是本店铺精心编制而成的，希望大家下载后，能够帮助大家解决实际问题。
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基于单片机的机械手设计
基于单片机的机械手设计一、引言机械手是一种能够模拟人类手臂动作的机器人装置，广泛应用于工业自动化、医疗护理、科学研究等领域。
随着科技的不断进步，基于单片机的机械手设计成为了研究热点。
本文将深入探讨基于单片机的机械手设计原理、结构以及控制方法，旨在为相关领域的研究者提供参考。
二、基本原理1. 电路设计在基于单片机的机械手设计中，电路是关键。
首先需要确定所需控制器型号，并根据其技术参数进行电路设计。
常见的单片机有8051系列、AVR系列等，根据具体需求选择合适型号。
其次是选择合适的传感器和执行器，并将其与单片机进行连接。
2. 传感器选择与应用传感器在实现对物体位置和力量等参数检测中起着重要作用。
常见的传感器有光电开关、力敏电阻等。
光电开关能够检测物体是否存在或位置是否正确；力敏电阻可测量物体对触点施加的力量。
根据实际需求，选择合适的传感器，并将其与单片机进行连接。
3. 机械结构设计机械结构设计是基于单片机的机械手设计的重要环节。
根据实际需求，选择合适的材料和结构形式。
常见的材料有金属、塑料等，常见的结构形式有直线运动、旋转运动等。
在设计过程中，需要考虑机械手运动范围、负载能力以及精度要求等因素。
三、基于单片机的机械手控制方法1. 逻辑控制在基于单片机的机械手控制中，逻辑控制是最基本也是最常见的方法。
通过编程实现对传感器和执行器进行控制，并根据不同情况执行相应动作。
例如，当光电开关检测到物体存在时，执行器将进行抓取操作；当力敏电阻检测到施加力量超过阈值时，执行器将停止运动。
2. PID控制PID（比例-积分-微分）控制是一种经典且广泛应用于基于单片机的机械手设计中的方法。
通过对传感器反馈信号进行处理和分析，实现对执行器的精确控制。
比例项用于根据误差大小调整执行器的输出，积分项用于根据误差积分调整执行器的输出，微分项用于根据误差变化率调整执行器的输出。
通过合理选择PID参数，可以实现机械手对物体位置和力量的精确控制。
基于单片机的六自由度机械手臂控制系统设计
《如及乡悅乡報》2021年第2期工程科技基于单片机的六自由度机械手臂控制系统设计陈心怡学张春雨2朱丽华1(1.池州职业技术学院，安徽池州247000; 2•安徽科技学院，安徽滁州239000)摘要:机械手臂在工业生产中的自主识别、精准判断和快速响应能力，体现了加工过程的自动化程度和智能化水平，文章提出了基于TK-A66自由度机械手臂和LD1501-MG 数字舵机,STC89C52单片机为核心 的工业机械臂控制系统的设计。
运用运动学模型和TM 算法，对机械臂手臂的运动速度和轨迹进行控 制设计，在控制程序设计中利用微分插补法生成多路舵机PWM 速度控制信号，通过在Protues 软件中 仿真调试,完成了对机械臂的控制功能遥关键词:单片机;机械臂;6自由度机械臂;舵机中图分类号:TP241 文献标识码:A 文章编号：1672-0547(2021)02-0106-004一、弓I 言机械臂也称工业机器人，是以运动作为控制对象 的智能控制装备，主要由手臂、舵机、抓手等组成叫机 器人手臂的张开、夹紧等系列动作由电动机驱动，并 准确地反馈到可编程逻辑控制器。
在工业生产中控 制机械臂完成我们所需要的夹取和分拣动作，本项 目便是围绕六自由度机械臂控制系统展开的。
通常 一个52系列的单片机包含有FLASH R0M 、RAM 、3 个16位的定时器/计数器和1个UART 等，它具有性 能可靠、性价比高等特点。
在工业生产中，往往需要 机械手臂完成一些相对复杂的控制运动，机械手臂 系统中一个单片机远远不够，仍需要TK-A66自由 度机械手臂、1501 数字舵机等控制机械臂的运动。
本文就是用单片机作为核心控制器,LD1501- MG 数字舵机作为TK-A66自由度机械手臂的运动控 制单元，结合制成的6自由度机械臂的控制系统。
系 统采用单片机芯片STC89C52作为主控制器，A/D 转 换采用以双积分方式运行的ICL7135,利用定时计数 器的计数功能，测量外部电压,省去很多处部电路罠 单片机通过产生PWM 信号控制机械臂的舵机，从而图1机械臂模型控制6自由度的机械手臂。
基于单片机的机械臂电子系统设计与实践
基于单片机的机械臂电子系统设计与实践摘要：本文设计与实现的是一款基于单片机的机械臂控制系统，以4个关节舵机和1个手爪舵机控制机械手臂的运动和夹取功能，以MC9S12单片机作为控制器通过脉冲宽度调制信号控制舵机运动，最终实现将物料待抓区域的物料抓起后，移动至物料堆放区域，最终将物料放置在该区域的运动功能。
关键词：单片机；MC9S12；机械臂；控制系统一、引言机械臂控制系统是指一种以自动化方式运行并且形状类似人手臂的机器人，能够从事物料搬运、码垛等操作，并且具有可编程性和通用性，并且可以在手臂前端装配相应的工具，例如手抓、吸盘等，实现抓取、吸取等功能。
二、系统方案设计2.1机械臂控制系统总体方案设计为实现将大型机械臂小型化，本设计采用小型直流伺服机作为机械臂的各关节驱动器，控制器选用能够实现系统小型化的单片机，并为系统各模块设计相应的电源电路，如图1所示为系统整体框图。
图12.2机械臂功能描述本文设计的机械臂具有4个自由度和1个手爪开合关节，能够实现抓取物料并运送至制定位置的运输和码垛功能。
首先，通过机械臂硬件结构的搭建，组装成一个串联型机械臂；然后完成机械臂控制系统的硬件电路设计，包括机械臂小型直流伺服机电源电路设计和单片机最小系统电源设计，并将小型直流伺服机的控制端与单片机对应的脉冲宽度调制信号输出接口相连；最后完成软件程序的编写，以实现运送和码垛任务的动作设计。
2.3 机械臂关节执行器方案本设计机械臂控制系统的关节执行器选用小型直流伺服机，小型直流伺服机具有位置精准、扭矩大等优点，在大型工业机器人机械臂中常使用交流伺服机作为机械臂关节执行器。
由于追求系统小型化，故选用小型直流伺服机，并选取选用数字量舵机。
数字量舵机内部具有微处理器，能够接收数字信号输入，一般采用脉冲宽度调试信号，即PWM信号。
2.4 控制核心方案单片机具有体积小、成本低、控制效果稳定等优点，适合在小型电子控制系统中作为控制器。
基于单片机的无线遥控自动翻书机械臂设计
自动化控制Automatic Control电子技术与软件工程Electronic Technology & Software Engineering基于单片机的无线遥控自动翻书机械臂设计张昊“张丽］陈芙蓉I（1.山西九同大学物理与电子科学学院山西省大同市0370092.机器人与智能控制大同市重点实验室山西省大同市037009 ）摘要：本设备的重点控制部件为单片机，充分实现了其自动化的目的.相关研究表明，它操作简单便捷，使残疾人在翻书时提供了较大的便利，使用价值性极高，具有很大的发展空间.关键词：机械臂；无线遥控；自动翻书随着社会的不断进步，人们对机器的需求量也随之上升，无线远程移动控制设计属于当前的…个研究重点内容，因为该项研究可以帮助人们做一些力所不能及的事情。
本文所研究的基于单片机下的无线遥控自动翻书机，集各个软硬件于一体，最终通过釆用 Wi-Fi 传输技术来对机器人进行控制和监控，有效的帮助了残疾人实现阅读的目的。
1无线遥控自动翻书机械臂的设计发展最早开始对机械臂进行研究的是欧美国家。
最为流行的MANUS 康复机器人手臂产自荷兰Exact Dynamics 公司，康复性机 械臂是欧美国家研究的重心，其特点很多，具有灵活的运动性能、紧凑的结构以及较大的工作空间，并将基座作为质量的核心部位，将机械臂刚度予以有效提升。
然而却提高了机械臂的造价，并且延 长了生产时间。
而在我国，机械臂的研发时间相对落后，其研究重点是在增强肢体功能方面。
智能轮椅样机是上海电气中央研究院服务机器人研究室和上海交通大学的研究成果，它配备了具有较强操 作能力的机械臂装置，具有主动避障的功能。
它的缺点是运行缓慢、灵活性较低、体积较大、只能小批量生产等。
目前自动翻书装置的翻书原理有两种：利用步进电机带动转杆将书页搓起是其中一种，而另一种翻书原理是运用转杆，将搓起的书页拨到一边。
那么翻书过程中往往会出现以下问题，书页由于表面受压力的作用，会在移动的过程中出现空隙，虽然也可以被翻动，然而问题是，如果使用了较大的摩擦力，会导致几页书同时被搓起，并且造成多页书被一 次性翻动的现象。
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摘要机械臂的控制涉及到电子、机械设计、自动控制技术、传感器技术和计算机技术等学科，是一项跨学科的综合控制技术。
现如今工业自动化发展迅速，机械手成为了不可或缺的一部分，它在工业生产等领域的应用越来越广泛。
本设计主要以自主学习为目的，以Atm1280单片机为核心控制舵机的转动来完成机械手的动作。
机械设计部分主要利用Auto CAD来制图，根据所制图纸来手工打造机械手。
程序设计是基于C语言的基础知识来完成，软件主要是运用Arduino 控制板自带的程序开发平台。
本设计以AT89C51 单片机为核心，采用LMD18200 电机控制芯片达到控制步进电机的启停、速度和方向，完成了筛选机械手臂基本要求和发挥部分的要求。
在筛选机械手臂设计中，采用了PWM 技术对电机进行控制，通过对占空比的计算达到精确调速的目的。
关键词：Arduino；单片机；舵机；机械手臂；串口通讯ABSTRACTThe control of the manipulator involves electronic, mechanical design, automatic control technology, the sensor technology and computer technology, discipline, is an interdisciplinary comprehensive control technology. Nowadays industrial automation development is rapid, manipulator became indispensable part in industrial production, it is widely used in the fields of the. This design is mainly for the purpose, the autonomous learning Atmega 1280 singlechip control the rotation of the steering gear to complete the manipulator of actions. Mechanical design of the main use Auto CAD to drawing, according to system made by hand manipulator blueprint.Based on C language program design is the basic knowledge to complete, the software is mainly used to bring program Arduino panel development platform. This design take at89C51 monolithic integrated circuit as a core, uses the LMD18200 motor control chip to achieve the control direct current machine to open stops, the speed and the direction,completed has screened the manipulator essential requirements and the display part request. In screens the manipulator to design, used the PWM technology to carry on the control to the electrical machinery, through the computation achieved the precise velocity modulation to the duty factor the goal.Key words:Arduino;SCM;Steeringgear; Manipulator; Serial communication .目录摘要 (I)ABSTRACT (II)第1章绪论 (1)1.1机械臂的概述 (1)1.2步进电机概述 (3)1.3遥控机械臂发展现状 (4)1.4课题研究任务及工作内容 (6)1.4.1设计（论文）的任务 (6)1.4.2设计（论文）需要重点解决的问题 (6)第2章电路硬件设计 (7)2.1总体设计方案 (7)2.1.1设计思路 (8)2.1.2方案选择 (8)2.1.3系统组成 (10)2.2硬件设计 (10)2.2.1硬件结构 (10)2.2.2机械手臂的组成 (10)2.2.3 机械手臂的分类 (11)2.2.4 机械手尺寸的确定 (12)2.2.5 驱动部分的设计 (12)2.2.6单片机系统 (14)2.2.7电机驱动芯片原理及应用 (15)2.2.8串口通信电路 (17)2.2.9电机驱动电路 (20)2.2.10转速测量电路 (21)第3章电路软件设计 (23)3.1软件结构 (23)3.2系统模块程序 (24)3.2.1步进电机控制模块 (24)3.2.2电机调速模块 (28)3.2.3主程序模块 (31)第4章系统调试 (34)4.1硬件调试设备 (34)4.2软件调试环境 (34)4.3调试项目 (35)4.4调试过程 (35)4.5硬件连接与跳线的配置 (36)4.6实物图 (37)4.7调试结果 (38)结束语 (39)感谢 (40)参考文献 (41)附录 (42)附录A：程序设计 (42)第1章绪论1.1机械臂的概述机械臂（Manipulator）是一种模拟人的手臂而形成的一种非生物结构。
为了让机械臂能有3个自由度，其主动关节数目一般为3。
一般情况下，全部关节都是转动型关节，而且其3个关节一般都处在手腕部位。
关节型机械臂的特点是结构紧凑，所占空间体积比较小，但其工作空间比较大大，还可以绕过底座以及周围的一些阻碍物，是机械臂中应用最多的一种构造形式，比较经典的有PUMA、SCARA等。
多关节型机械臂的优点是：动作灵活、运动惯性小、通用性强、能抓取到靠近靠近它的一些物件，还可以绕过本体和工作区域之间的障碍物进行工作，目前广泛应用于工业自动化生产线上。
机械臂发展历史如下：（1）第一代机械臂，它是按事先示教的位置和姿态进行重复的动作的机械。
它也被简称为示教再现方式的机械臂或是T/P方式(Teaching/Playback)的机械臂。
当前国际上使用的机械臂大多数都是这样的工作方式。
因为这种工作方式只能按照预先示教的位置以及姿态进行重复的运动而对周围环境无自我感知的功能，其应用范围受到一定的限制，主要作用于材料的运送、图喷、电焊等工作。
1996年樊炳辉等制造出一种可以应用于隧道、煤矿巷道、室内墙壁以及一般机械行业喷涂工艺的四连杆机械臂结构。
这种结构主要由行走组件、平衡拉杆组件、大臂组件、小臂组件四大部分，其中又包括四组按一定比例关系组成的四连杆机构，它可以使喷枪在喷涂工作中，容易实现竖直起落，并且始终保持与受喷面垂直以及等距的关系。
1997年乌克尔.戈道斯等制造出一种适用于缝合手术的机械臂系统，这种系统是用机械臂来连接上一些必要的手术物品。
这些器械具有能够用来操作抓取以及缝合组织的末端操作构件。
该机械臂由一个控制器与一对主操作手柄构成。
手柄可以由外科医生操作来控制末端操作装置的各种运动。
第二代机械臂，是一种具有如视觉、触觉等外部感官功能的机械臂。
这种机械臂因为具有外部的感觉功能，所以可以根据外界的不同情况修改自身的一些动作，完成一些复杂的作业。
比如人脸肖像绘制的机械臂，就是一种可以自动绘画出人脸肖像轮廓图像的智能机械臂系统，它由图像处理模块、图像采集模块、机械控制绘图模块组成，能够使用相机拍摄人脸照片，然后提取肖像的轮廓，然后通过控制机械臂画出人脸线条画。
人脸肖像绘制机器臂是视觉机械的研究重点方向之一，主要应用于科学展览，其中基于机器视觉系统的研究方向在生活以及生产中的各个方面都有着广泛的应用。
其中的研究绘图机械控制系统的硬件选型和控制算法，可以通过程序的编写，从而实现外部对机械臂绘图动作的自我控制，机械臂的绘画过程，从而对人脸图的自动绘制。
第三代机械臂，这种机械臂不但具有外部的感觉功能以外，还具有一些的智能机的功能。
使得它可以更好的适应因为环境的变化而自主进行的工作。
第三代机器臂目前还在研究的阶段，距离实际应用还有一段不小距离。
比如：邹建奇等人以柔性机械臂为例，进行简单的逆运动学分析.并采用小脑模型神经网络方法对机械臂的逆运动学进行了数值仿真分析，小脑模型神经网络可在较短的学习次数中有效地控制机械臂的振动。
在第一代机械臂开发的基础上，第二代的工业机械臂已经被广泛应用与各个工厂，成为目前主流安装的机型，第三代智能机械臂现在也早已成为研究的重点。
机械臂的重点技术有：（1）机械结构：以关节结构为主流，在80年代生产出的应用于装配工程的关节型的机械臂约占总数量的1/2。
主要应用于汽车、桥梁、建筑等行业。
（2）控制技术：其采用的是32位CPU，控制轴数量达到27轴，离线编程技术大量了采用NC技术。
协调控制技术越来越成熟，实现了多变位机、多机器臂的协调控制。
其中采用基于PC开放式结构的控制系统已经成为了一股潮流。
（3）驱动技术：新一代的伺服电机与基于微处理器的智能型伺服控制器结合的技术已由FANUC等一些公司开发并使用于工业的机器人当中，以及远程控制的分布式智能驱动新型技术。
（4）采用智能型的传感器：现在装有视觉型传感器的机械臂数量呈上升的趋势，不少机械臂都装有两种以上传感器，有些机械臂留了多种传感器的接口。
（5）机械臂的编程语言：在ABB公司的20多个型号产品中，采用了通用模块化语言RAPID。
该语言易学易用，可用于各种开发环境，与大多数WINDOWS软件产品兼容。
1.2步进电机概述在电子科学技术高速发展的今天，人类已经被带入了一个奇妙的电的世界。
然而，现代工业发展中，电能是现代社会最主要的能源之一。
在电能的生产、传输和使用等方面，电机都起着非常重要的作用。
纵观电动机的发展历史，它的应用范围在不断扩大，使用的要求也在不断提高；结构类型的增多理论的研究也在不断深入。
尤其是近30年来，随着计算机技术和电力电子技术的进步，特别是超导技术的突破和新结构，新原理，新工艺，新方法，新材料的不断推动，电机的发展更是呈现其勃勃的生机，它的前景更是不可限量。
电动机被广泛应用于冶金、机械、国防等多个产业部门。