1、XX大學課 程 設 計 說 明 書題目： 機械手的單片機控制 學院（系）： 電院自動化系 年級專業： XXXXXX學 號： 09 學生姓名： 指導教師：王振臣 陳志旺 教師職稱： 教授 講師 XX大學課程設計（論文）任務書院（系）： 基層教學單位： 學 號學生姓名專業（班級）設計題目設計技術參數設計要求工作量工作計劃參考資料指導教師簽字基層教學單位主任簽字說明：此表一式四份，學生、指導教師、基層教學單位、系部各一份。年 月 日摘要摘 要機械手技術涉及到電子、機械學、自動控制技術、傳感器技術和計算機技術等科學領域，是一門跨學科綜合技術。隨著工業自動化發展的需要，機械手在工業應用中越來越重要。文章

2、主要敘述了機械手的設計過程 ，文章中介紹了機械手的設計理論與方法。本設計以AT89C51 單片機為核心，采用L298 電機控制芯片達到控制直流電機的啟停和方向，完成了篩選機械手基本要求和發揮部分的要求?！娟P鍵詞】：篩選機械手，AT89C51 單片機，L298 電機控制芯片，電機控制。目 錄目 錄摘要.I第一章 緒論. 1 11機械手概述.1 1.1.1 機械手當代應用. 1 1.1.2 機械手工作方式.1 1.1.3 機械手的分類.1 1.2 機械手的一般組成.1第二章 總體方案設計.3 2.1 設計要求.3 2.2 基本設計思路.3 221 CPU.3 222 傳動機構.3 223 機械手.

3、4 2231 機械手組成.4 2231 機械手分類.4 224抓取機構.5 225 機械手的驅動方式.6 23 設計方案的總結.8 231 CPU的選擇.8 232 機械手坐標形式的選擇.8 233 傳動機構的選擇.8 234 驅動方式的選擇.8第三章 硬件結構設計.9 31 機械手尺寸的確定.9 32 傳動部分設計.9 33 硬件部分總結.9第四章 軟件電路部分設計.10 41 單片機的選擇.10 411單片機的概念.10 412單片機特點.10 413單片機硬件結構.11 4131 89C51基本配置.11 4132 引腳及其功能. 12 42 驅動芯片選擇.13 421 驅動芯片概念.1

4、3 422 驅動芯片原理.13 43 流程圖.13 44 匯編程序. 45 本章小結.結論.參考文獻.第一章 緒論1.1 機械手概述111 機械手的當代應用機械化、自動化已成在現代工業中突出的主題?；さ冗B續性生產過程的自動化已基本得到解決。但在機械工業中，加工、裝配等生產是不連續的，機器人的出現并得到應用，為這些作業的機械化奠定了良好的基礎。機械手，多數是指程序可變（編）的獨立的自動抓取、搬運工件、操作工具的裝置（國內稱作工業機械手或通用機械手）。112 機械手工作方式機械手是一種具有人體上肢的部分功能，工作程序固定的自動化裝置。機械手具有結構簡單、成本低廉、維修容易的優勢，但功能較少，適應

5、性較差。目前我國常把具有上述特點的機械手稱為專用機械手，而把工業機械手稱為通用機械手。113 機械手的分類簡而言之，機械手就是用機器代替人手，把工件由某個地方移向指定的工作位置，或按照工作要求以操縱工件進行加工。機械手一般分為三類。第一類是不需要人工操作的通用機械手，也即本文所研究的對象。它是一種獨立的、不附屬于某一主機的裝置，可以根據任務的需要編制程序，以完成各項規定操作。它是除具備普通機械的物理性能之外，還具備通用機械、記憶智能的三元機械。第二類是需要人工操作的，稱為操作機（Manipulator）。工業中采用的鍛造操作機也屬于這一范疇。第三類是專業機械手，主要附屬于自動機床或自動生產線上

6、，用以解決機床上下料和工件傳送。這種機械手在國外通常被稱之為“Mechanical Hand”，它是為主機服務的，由主機驅動。除少數外，工作程序一般是固定的，因此是專用的。機械手按照結構形式的不同又可分為多種類型，其中關節型機械手以其結構緊湊，所占空間體積小，相對工作空間最大，甚至能繞過基座周圍的一些障礙物等這樣一些特點，成為機械手中使用最多的一種結構形式。12 機械手的一般組成要機械手像人一樣拿取東西，最簡單的基本條件是要有一套類似于指、腕、臂、關節等部分組成的抓取和移動機構執行機構；像肌肉那樣使手臂驅動傳動系統；像大腦那樣指揮手動作的控制系統。這些系統的性能就決定了運動的機械手的性能。一般

7、而言，機械手通常就是由執行機構、驅動傳動系統和控制系統這三部分組成，如圖 1-1 所示。 圖1-1 機械手的一般組成對于現代智能機械手而言，還具有智能系統，主要是感覺裝置、視覺裝置和語言識別裝置等。目前研究主要集中在賦予機械手“眼睛”，使它能識別物體和躲避障礙物，以及機械手的觸覺裝置。機器人的這些組成部分并不是各自獨立的，或者說并不是簡單的疊加在一起，從而構成一個機械手的。要實現機械手所期望實現的功能，機械手的各部分之間必然還存在著相互關聯、相互影響和相互制約。它們之間的相互關系如圖1-2 所示。機械手的機械系統主要由執行機構和驅動傳動系統組成。執行機構是機械手賴以完成工作任務的實體，通常由連

8、桿和關節組成，由驅動傳動系統提供動力，按控制系統的要求完成工作任務。驅動傳動系統主要包括驅動機構和傳動系統。驅動機構提供機械手各關節所需要的動力，傳動系統則將驅動力轉換為滿足機械手各關節力矩和運動所要求的驅動力或力矩。有的文獻則把機械手分為機械系統、驅動系統和控制系統三大部分。其中的機械系統又叫操作機(Manipulator)，相當于本文中的執行機構部分。第2章 系統總體設計和關鍵技術2.1 設計要求工廠某處有一批不同型號的零件，設計一種機械手，該手能在識別零件類型后按照其類別自動放置在規定的地點。機械手有上行/下行、左行/右行運行方式。機械手能根據信號將零件運送到制定地點后放下，自動歸位?；?/p>

9、到原點后自動校正位置。等待下一次信號的到來。開機后，不論機械手處于什么位置，它能在上電后自動歸到原點。有指示燈可以指示機械手目前的位置，方便控制人員管理。2.2 基本設計思路總體設計框圖如下： 圖2-1 總體設計框圖2.2.1 CPUCPU 部分有兩種選擇:單片機控制和PLC 控制。2.2.2 傳動機構傳動機構種類繁多，常見的有齒輪傳動、齒條傳動、絲桿傳動、鏈條傳動。由于一般的電機驅動系統輸出的力矩較小，需要通過傳動機構來增加力矩，提高帶負載能力。對機械手的傳動機構的一般要求有：（1）結構緊湊，即具有相同的傳動功率和傳動比時體積最小，重量最輕；（2）傳動剛度大，即由驅動器的輸出軸到連桿關節的轉

10、軸在相同的扭矩時角度變形要小，這樣可以提高整機的固有頻率，并大大減輕整機的低頻振動；（3）回差要小，即由正轉到反轉時空行程要小，這樣可以得到較高的位置控制精度；（4）壽命長、價格低。2.2.3 機械手2231 機械手的組成機械手一般由執行機構、控制系統、驅動系統三個部分組成。（1）執行機構1) 手腕 手腕是聯接手臂與末端執行器的部件，用以調整末端執行器的方位和姿態。2) 手臂 手臂是支承手腕和末端執行器的部件。它由動力關節和連桿組成，用來改變末端執行器的位置。3) 機座 機座是機械手的基礎部件，并承受相應的載荷，機座分為固定式和移動式兩類。（2）控制系統控制系統用來控制機械手按規定要求動作，可

11、分為開環控制系統和閉環控制系統。大多數工業機械手采用計算機控制，這類控制系統分為決策級，策略級和執行級三級：決策級的功能是識別環境、建立模型、將工作任務分解為基本動作序列；策略級將基本動作變為關節坐標協調變化的規律，分配給各關節的伺服系統；執行級給出各關節伺服系統的具體指令。（3）驅動系統驅動系統是按照控制系統發出的指令將信號放大，驅動執行機構運動的傳動裝置。常用的由電氣、液壓、氣動和機械等四種驅動方式。除此之外，機械手可以配置多種傳感器（如位置、力，觸覺，視覺等傳感器），用以檢測其運動位置和工作狀態。2232 機械手的分類機械手按坐標形式、控制方式、驅動方式和信號輸入方式四種分類方法。（1）

12、按坐標形式分坐標形式是指執行機構的手臂在運動時所取的參考坐標系的形式。1) 直角坐標式 直角坐標機械手的末端執行器在空間位置的改變式通過三個互相垂直的軸線移動來實現的，即沿X 軸的縱向移動、沿Y 軸的橫向移動及沿Z 軸的升降。這種機械手位置精度最高，控制無耦合，比較簡單，避障性好，但結構較龐大，動作范圍小，靈活性差。2) 圓柱坐標式 圓柱坐標機械手是通過兩個移動和一個轉動來實現末端執行器空間位置的改變，其手臂的運動由在垂直立柱的平面伸縮和沿立柱升降兩個直線運動及手臂繞立柱轉動復合而成。這種機械手位置精度較高，控制簡單，避障性好，但結構也較龐大。3) 極坐標式 極坐標機械手的運動式由一個直線運動

13、和兩個轉動組成，即沿手臂方向X 的伸縮，繞Y 軸的俯仰和繞Z 軸的回轉。這種機械手占地面積小，結構緊湊，位置精度尚可，但避障性差，有平衡問題。4) 關節坐標式 關節坐標機械手主要是由立柱、大臂和小臂組成，立柱繞Z軸旋轉，形成腰關節，立柱和大臂形成肩關節，大臂和小臂形成肘關節，大臂和小臂作俯仰運動。這種機械手工作范圍大，動作靈活，避障性好，但位置精度低，有平衡問題，控制耦合比較復雜，目前應用越來越多。（2）按控制方式分1) 點位控制 采用點位控制的機械手，其運動為空間點到點之間的直線運動，不涉及兩點之間的移動軌跡，只在目標點處控制機械手末端執行器的位置和姿態。這種控制方式簡單，適用于上下料、點焊

14、等作業。2) 連續軌跡控制 采用連續軌跡控制的機械手，其運動軌跡可以是空間的任意連續曲線。機器人在空間的整個運動過程都要控制，末端執行器在空間任何位置都可以控制姿態。（3）按驅動方式分1) 電力驅動 電力驅動式目前采用最多的一種。早期多采用步進電機驅動，后來發展了直流伺服電動機，現在交流伺服電動機的應用也得到了迅速發展。這類驅動單元可以直接驅動機構運動，也可以通過諧波減速器裝置減速后驅動機構運動，結構簡單緊湊。2) 液壓驅動 液壓驅動的機械手具有很大的抓起能力，可抓取質量達上百公斤的物體，油壓可達7MPa，液壓傳動平穩，動作靈敏，但對密封性要求較高，不宜在高溫或低溫現場工作，需配備一套液壓系統

15、。3) 氣壓驅動 氣壓驅動的機械手結構簡單，動作迅速，價格低廉，由于空氣可壓縮性，導致工作速度穩定性差，氣源壓力一般為0.7MPa，因此抓取力小，只能抓取重量為幾公斤到十幾公斤的物體。（4）按信號輸入方式分1) 人操作機械手 是一種由操作人員直接進行操作的具有幾個自由度的機械手。2) 固定程序操作機械手 按預先規定的順序、條件和位置，逐步地重復執行給定的作業任務的機械手。3) 可變程序操作機械手 它與固定程序機械手基本相同，但其工作次序等信息易于修改。4) 程序控制機械手 它的作業指令是由計算機程序向機械手提供的，其控制方式與數控機床一樣。5) 示教再現機械手 這類機械手能夠按照記憶裝置存儲的

16、信息來復現由人示教的動作，其示教動作可自動地重復執行。6) 智能機械手 采用傳感器來感知工作環境或工作條件的變化，并借助其自身的決策能力，完成相應的工作任務。2.2.4 抓取機構抓取機構是機械手執行工作的裝置，可安裝夾持器、工具、傳感器等。抓取機構可分為機械夾緊、真空抽吸、液壓夾緊、磁力吸附等。2.2.5 機械手的驅動方式該機械手一共具有三個獨立的運動關節，連同末端機械手的運動，一共需要三個動力源。機械手常用的驅動方式有液壓驅動、氣壓驅動和電機驅動三種類型。這三種方法各有所長，各種驅動方式的特點見表：表2-1 三種驅動方式的特點對照機械手驅動系統各有其優缺點，通常對機械手的驅動系統的要求有：（

17、1） 驅動系統的質量盡可能要輕，單位質量的輸出功率要高，效率也要高；（2） 反應速度要快，即要求力矩質量比和力矩轉動慣量比要大，能夠進行頻繁地起、制動，正、反轉切換；（3） 驅動盡可能靈活，位移偏差和速度偏差要??；（4） 安全可靠；（5） 操作和維護方便；（6） 對環境無污染，噪聲要小；（7） 經濟上合理。2.3 設計方案的總結231 CPU 的選擇由于單片機體積小，價格便宜且具有高穩定性和很強的抗干擾能力，因此本設計中用單片機取代PLC 控制。232 機械手坐標形式的選擇由于本設計中精度要求較高，首先排除了極坐標式和關節坐標式，而且它們還存在平衡問題?？紤]到工廠應用要易于擴展其功能，本機械手

18、采用直角坐標形式。233傳動機構的選擇本設計要求傳動方式為電機的轉動帶動機械手臂的上下、左右移動，適合采用帶傳動。234 驅動方式的選擇在選擇驅動方式階段，我首先考慮的是液壓、氣壓傳動，但方案存在一定缺陷。其中，液壓裝置體積太過龐大，需要專門配置一套液壓系統，且對密封性要求高，不宜在高溫、低溫下工作。而氣壓傳動由于空氣的可壓縮性導致工作速度、穩定性較差，且有一定噪音。電機選擇相對較為簡單，由于步進電機有步距角誤差，機械手在齒輪傳動和擺動時會進一步放大該誤差，因此選擇伺服電機驅動。第三章 硬件結構設計3.1 機械手尺寸的確定由于本次設計對工作場地要求并沒有明確的限制，因此機械手的尺寸也就沒有明確

19、的規定，為了設計的方便，將機械手橫向有效距離長為280mm，縱向有效距離長為170mm。3.2 傳動部分設計（1） 機械手是有2臺伺服電機驅動：電機M1 控制機械手縱向運動，電機M2 控制機械手在橫向運動。 為了設計的方便，控制方式采用限位器限位控制。由于2臺電機不是同時控制，因此不存在相互間的干擾，從而增強了整個系統的穩定性。（2） 具體傳動環節：基座部分裝有服電機M1和電機M2，通過齒輪傳動控制帶條運動。 （3）直流電機：（i）調速性能好，電動機在一定負載條件下，根據需要，人為改變電動機的轉速，直流電動機可以在重負載條件下實現均勻平滑無級調速。調速范圍寬。（ii）起動力矩大可以均勻而經濟的

20、實現轉速調節，故凡是在重負載條件下啟動的機械都用直流電機拖動。33 硬件部分總結：為了實現電動機能準確的將部件送到制定的位置，我采用了限位器控制機械手的位置。機械手碰到限位器，限位器返回信號給單片機，單片機發送信號控制電機驅動芯片，從而達到機械手到位停止。電動機采用的是直流電動機，因為其性能價格比較高，適合工作在對輸出力矩比較大的環境下。通過齒條傳送裝置，使機械手在電機的控制下能夠精準的到達規定的位置。并且易于將來擴展其工作方式。第四章 軟件電路部分設計4.1 單片機的選擇411 單片機的概念單片機是將計算機的基本部件微型化并集成到一塊芯片上的微型計算機。通常在芯片內含有CPU、ROM、RAM

21、、并行I/O 口、串行口、定時/計數器、中斷控制系統、系統時鐘及系統總線等。412 單片機特點1) 優異的性能價格比。2) 高、體積小、可靠性高。單片機把各功能部件集成在一塊芯片上，內部采用總線結構，減少了各芯片之間的連線，大大提高了計算機的可靠性與抗干擾能力。另外，其體積小，對于強磁場環境易于采取屏蔽措施，適合在惡劣環境下工作。3) 控制功能強。為了滿足工業控制的要求，一般單片機的指令系統種均有極豐富的轉移指令、I/O 口的邏輯操作及位處理功能，單片機的邏輯控制功能及運行速度均高于同一檔次的微機。4) 低功耗、低電壓，便于生產便攜式產品。5) 單片機的系統擴展和系統配置叫典型、規范，容易構成

22、各種規模的應用系統。413 單片機硬件結構4131 89C51 系列單片機基本配置1) 微處理器該單片機中有一個8 位的微處理器，與通用的微處理器基本相同，同樣包括了運算器和控制器兩大部分，只是增加了面向控制的處理功能，不僅可處理數據，還可以進行位變量的處理。2) 數據存儲器片內為128 個字節，片外最多可外擴至64k 字節，用來存儲程序在運行期間的工作變量、運算的中間結果、數據暫存和緩沖、標志位等，所以稱為數據存儲器。3) 程序存儲器由于受集成度限制，片內只讀存儲器一般容量較小，如果片內的只讀存儲器的容量不夠，則需用擴展片外的只讀存儲器，片外最多可外擴至64k 字節。4) 中斷系統具有5 個

23、中斷源，2 級中斷優先權。5) 定時器/計數器片內有2 個16 位的定時器/計數器， 具有四種工作方式。6) 串行口1 個全雙工的串行口，具有四種工作方式?？捎脕磉M行串行通訊，擴展并行I/O 口，甚至與多個單片機相連構成多機系統，從而使單片機的功能更強且應用更廣。7) P1 口、P2 口、P3 口、P4 口為4 個并行8 位I/O 口。8) 特殊功能寄存器共有21 個，用于對片內的個功能的部件進行管理、控制、監視。實際上是一些控制寄存器和狀態寄存器，是一個具有特殊功能的RAM 區。4132 引腳及其功能1) 電源及時鐘引腳VCC：接+5V 電源正端；VSS：接+5V 電源地端；X1：接外部晶體

24、振蕩器的一端；X2：接外部晶體振蕩器的另一端。2) 控制引腳RESET：單片機上電復位端。ALE：當訪問外部存儲器時，ALE 一每機器周期兩次的信號輸出，用于鎖存出現在P0 口的低8 位地址。PSEN：為片外程序存儲器讀選通信號輸出端。EA ：為訪問外部程序存儲器控制信號，低電平有效。3) 輸入/輸出引腳P3 口的第二功能：P3.0：RXD，串行輸入通道；P3.1：TXD，串行輸出通道；P3.2：INT0，外部中斷0；P3.3：INT1，外部中斷1；P3.4：T0，計數器0 外部輸入；P3.5：T1，計數器1 外部輸入；P3.6：WR ，外部數據存儲器寫選通；P3.7： RD，外部數據存儲器讀

25、選通。 圖4-1 89c51 引腳圖4.2 驅動芯片的選擇421 驅動芯片概念在微機控制系統中，還要處理另一類數字量，即開關信號、脈沖信號。它們是以二進制的邏輯“1”和“0”，即電平的高和低出現的。如開關觸電的閉合和斷開，指示燈的亮和滅，繼電器和接觸器的吸合和釋放，馬達的啟動和停止，晶閘管的通和斷，閥門的打開和關閉等，我們稱為開關量。開關量所控制的執行器所要求的控制電壓一般都比較高，電流一般都較大，有的是直流驅動，有的是交流驅動，必須根據具體對象采用適當的接口。開關量的輸出接口實質上是利用計算機做“弱電”控制“強電”。它需要解決兩個重要問題：隔離和驅動。用單片機控制各種各樣的高壓、大電流負載，

26、如電動機、電磁鐵、繼電器、燈泡等時，不能用單片機的I/O 線來直接驅動。P0、P1、P2、P3 四個口都可以做輸出口，但其驅動能力不同。P0 口的驅動能力較大，當其輸出高電平時，可提供400 m A的電流；當其輸出低電平（0.45V）時，則可提供3.2mA的灌電流，如低電平允許提高，灌電流會相應加大。P1、P2、P3 口的每一位只能驅動四個LSTTL，即可提供的電流只有P0 口的一半。所以，用低電平輸出可獲得比高電平輸出更大的驅動能力。目前，一些MCS-51 系列單片機的引腳驅動能力有所提高，如89C2051，一些引腳可提供20mA 的灌入電流。但大多數場合，單片機I/O 口的驅動能力是不夠的

27、，必須通過各種驅動電路的開關電路來提高驅動能力。422 L298芯片原理L298N 為SGS-THOMSON Microelectronics 所出產的雙全橋步進電機專用驅動芯片( Dual Full-Bridge Driver ) ，內部包含4信道邏輯驅動電路，是一種二相和四相步進電機的專用驅動器，可同時驅動2個二相或1個四相步進電機，內含二個H-Bridge 的高電壓、大電流雙全橋式驅動器，接收標準 TTL邏輯準位信號，可驅動46V、2A以下的步進電機，且可以直接透過電源來調節輸出電壓；此芯片可直接由單片機的IO端口來提供模擬時序信號。L298N 之接腳如圖所示，Pin1 和Pin15 可

28、與電流偵測用電阻連 接來控制負載的電路； OUTl、OUT2 和OUT3、OUT4 之間分別接2 個步進電機；input1input4 輸入控制電位來控制電機的正反轉；Enable 則控制電機停轉。43流程圖：44 匯編程序 org 0000h ljmp start org 0100hstart: lcall m2l ；使2電機反轉，達到回歸原點的目的 lcall m1u ；先X軸方向電機反轉，后Y軸方向電動機反轉 mov a,#0ffh mov p0,axjac: jnb p1.6,goa ；循環監測去向信息 jnb p1.7,goc ajmp xjacgoa: lcall m1d ；去A處

29、 lcall delay ；在A處等待2秒，方便添加中斷，執行中斷 lcall m1u ljmp startgoc: lcall m2r ；去C處 lcall m1d lcall delay lcall m1u lcall m2l ljmp start ;*-；M1正轉子程序m1d: mov a,#00010001b mov p0,aloop: jnb p1.0,stopm1 jnb p1.5,stopm1 mov b,#2 ajmp loopstopm1: lcall sdelay djnz b,loop mov a,#0ffh mov p0,a mov a,p1 mov p2,a ret;

30、*-；M1反轉子程序m1u: mov a,#00010010b mov p0,aloop1: jnb p1.1,stopm2 jnb p1.4,stopm2 mov b,#2 ajmp loop1stopm2: lcall sdelay djnz b,loop1 mov a,#0ffh mov p0,a mov a,p1 mov p2,a ret;*-；M2正轉子程序m2r: mov a,#00100100b mov p0,aloop2: jnb p1.3,stopm3 mov b,#2 ajmp loop2stopm3: lcall sdelay djnz b,loop2 mov a,#0ffh mov p0,a mov a,p1