机械臂设计论文

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。具体的做法就是在判断键有没有闭合时加入延时来避开抖动。为了避免误操作，要使每次按键只进行一次操作，需要对按键有没有释放进行判断，同样引入延时判断环节，保证操作正常。 2.2 单片机控制分析电路

单片机控制分析电路如图4所示，此电路由单片机最小系统和一个按键输入系统构成。

2.3 步进电机驱动控制电路

步进电机用的是12V的两相四线直线步进电机，步进电机的正反转控制输入直接用两个按键，通过单片机读入开关状态从而选择电机的正反转程序运行，驱动电路芯片选用L298。

L298可驱动电感性负载，1 脚和15脚下管的发射极分别单独引出以便接入电流采样电阻，形成电流传感信号。L298可驱动 2个电动机，OUT1、OUT2和OUT3、OUT4之间可分别接电动机，我们选用驱动一台步进电动机。则根据L298驱动芯片的应用原理和本次选用步进电机的情况，本设计的驱动电路如图5。图中L298N的 5 ~ 7 、10-12管脚接89C51的P 2口，其中5、7、l0、12脚用于接收单片机输出的脉冲，根据控制输入按键的键值以控制步进电机进行正反转，对于步进电机的速度控制则直接采用软件方法，改变脉冲间隔来实现。6、11管脚是使能端，在应用时通过软件使其为高电平就可以了。

2.4 电磁驱动控制电路

电磁驱动控制电路如图6，因为51单片机的电流很小，所以加了一个10K的上拉电阻，同时因为51单片机复位时是高电平，而我们一般不希望继电器复位时就打开，所以用了9012PNP三极管，当

P1.0高电平时断，低电平时通。二极管4148是线圈断开时的续流二极管，防止涌浪，1N400X也可以。LED为指示作用，方便观测继电器的通断。

3 程序设计

本篇只介绍程序的设计思路不涉及具体的程序，程序流程图如图7所示。编写程序是移动程序和抓取程序是重点，尤其是要用定时器选择好定时基准时间。

4 结语

本篇从软硬件两方面介绍了基于单片机控制的简易机械臂设计方案，经过实际的制作此方案是可行的。简易机械臂的设计帮助初学者更好的理解单片机的功能，同时也锻炼了实际操作能力。

参考文献

[1] 周立功单片机有限公司.内藏HD61202及其兼容控制驱动器图形液晶显示模块使用手册[K/CD].北京：北京航空航天出版社，2001： 8-16

[2] 王晓明.电动机的单片机控制[M].北京：北京航空航天大学出版社， 2002

[3] 迂三郎，江尻正员．机器人工程学及其应用．国防工业出版牡， 1989.12

[4] 洗红卫．基于单片机的智能系统设计与实现[M]．电子工业出版社．

[5] 沈红卫．单片机应用系统设计实例和分析[M]．北京航空航天大学出版社．