基于單片機(jī)控制的六自由度自動(dòng)尋跡機(jī)械人的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

王 剛，魏運(yùn)全

（四川信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院 四川 廣元 628017）

當(dāng)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展的特點(diǎn)之一就是機(jī)械技術(shù)，電子技術(shù)和信息技術(shù)的結(jié)合，機(jī)器人就是這種結(jié)合的產(chǎn)物之一?，F(xiàn)代機(jī)器人都是由機(jī)械發(fā)展而來(lái)。與傳統(tǒng)的機(jī)器的區(qū)別在于，機(jī)器人有計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，因而有一定的智能，人類可以編制動(dòng)作程序，使它們完成各種不同的動(dòng)作。六自由度自動(dòng)尋跡搬運(yùn)機(jī)器人就是其中一種，這種搬運(yùn)機(jī)器人不但能夠代替人的某些功能，有時(shí)還能超過(guò)人的體力能力，可以24小時(shí)甚至更長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)重復(fù)運(yùn)轉(zhuǎn)，還可以承受各種惡劣環(huán)境，因此，搬運(yùn)機(jī)器人是人體局部功能的延長(zhǎng)和發(fā)展。

本設(shè)計(jì)主要應(yīng)用單片機(jī)MSP430作為控制核心，直流電機(jī)、熱釋電型紅外傳感器等相結(jié)合的系統(tǒng)。它充分發(fā)揮了單片機(jī)的性能，其優(yōu)點(diǎn)硬件電路簡(jiǎn)單，軟件功能完善，控制系統(tǒng)可靠，性價(jià)比較高等特點(diǎn)，具有一定的使用和參考價(jià)值。

1 系統(tǒng)原理

1.1 自動(dòng)尋跡模塊的系統(tǒng)原理

本設(shè)計(jì)中自動(dòng)尋跡模塊主要由單片機(jī)及其外圍電路、紅外尋跡電路、直流電機(jī)控制電路等組成。正常工作時(shí)，單片機(jī)循環(huán)檢測(cè)紅外尋跡電路輸出信號(hào)，據(jù)此產(chǎn)生直流電機(jī)控制信號(hào)，當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到工作方式發(fā)生改變時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)入相應(yīng)方式。其原理框圖如圖1、圖2所示。

圖1 自動(dòng)尋跡模塊原理框圖（1）Fig.1 Automatic tracing module principle diagram（1）

圖2 自動(dòng)尋跡模塊原理框圖（2）Fig.2 Automatic tracing module principle diagram（2）

1.2 六自由度機(jī)械手模塊的系統(tǒng)原理

系統(tǒng)的設(shè)計(jì)采用模塊化的方法，將機(jī)械手劃分為基座、手臂、手腕、手部4部分。控制器以MSP430單片機(jī)為主控制器，具體控制部分框圖見圖3。

圖3 六自由度模塊的原理框圖Fig.3 Block diagram of six degree of freedom module

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 自動(dòng)尋跡模塊硬件設(shè)計(jì)

1）基本單片機(jī)系統(tǒng)

尋跡機(jī)器人系統(tǒng)的控制核心，一般情況下以MSP430單片機(jī)片內(nèi)的基本硬件資源為主，有必要時(shí)再擴(kuò)展部分外部器件。在本設(shè)計(jì)中需要完成的控制比較簡(jiǎn)單，以單片機(jī)片內(nèi)的基本硬件資源完全可以實(shí)現(xiàn)，因此不需擴(kuò)展。

2）放大信號(hào)電路

采用LM324控制，LM324是四運(yùn)放集成電路，它采用14腳雙列直插塑料封裝，內(nèi)部包含四組形式完全相同的運(yùn)算放大器，除電源共用外，四組運(yùn)放相互獨(dú)立。

3）電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

所選用的電動(dòng)機(jī)為普通的直流電機(jī)，在MSP430單片機(jī)的控制下，可接一個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片或者通過(guò)其他的一些原件可使電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。本系統(tǒng)為了設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，采用其他方式代替了電路驅(qū)動(dòng)芯片。

2.2 六自由度機(jī)械手模塊硬件設(shè)計(jì)

六自由度機(jī)械手是由6個(gè)伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)的機(jī)器手臂。除了構(gòu)成手臂的4個(gè)關(guān)節(jié)、手腕1個(gè)關(guān)節(jié)外，再加上手部的夾持，實(shí)現(xiàn)了1個(gè)機(jī)械手的機(jī)械結(jié)構(gòu)。

該控制模塊采用5 V直流電源分別為單片機(jī)和機(jī)械手臂的電機(jī)供電，電路包括手動(dòng)復(fù)位電路、晶振電路、矩陣鍵盤、用以控制單片機(jī)轉(zhuǎn)角的控制的獨(dú)立鍵盤、伺服電機(jī)接入口，并可通過(guò)顯示屏顯示被選電機(jī)標(biāo)識(shí)號(hào)和該電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的角度。

3 軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)面向硬件，選用C語(yǔ)言編程。最主要部分是單片機(jī)控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)(包括正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn))、時(shí)間的延遲和PID算法，具體的設(shè)計(jì)流程圖見圖4和圖5。

4 系統(tǒng)調(diào)試

1）程序編完后，對(duì)代碼仔細(xì)逐行檢查。檢查代碼的錯(cuò)誤，建立自己的代碼檢查表，對(duì)經(jīng)常易錯(cuò)的地方進(jìn)行檢查。檢查代碼是否符合編程規(guī)范。

2）調(diào)試程序看是否能仿真，如果運(yùn)行正常再將在編譯器中調(diào)試好的程序燒寫至單片機(jī)。

圖4 自動(dòng)尋跡模塊控制流程圖Fig.4 Automatic tracing module control flow chart

圖5 六自由度模塊控制流程圖Fig.5 Control flow chart of six degree of freedom model

3）在接上電源時(shí)，觀察整體電路是否按照預(yù)計(jì)設(shè)計(jì)的運(yùn)作，電機(jī)是否正轉(zhuǎn)，電機(jī)是否反轉(zhuǎn)等。可根據(jù)電路的運(yùn)行情況推測(cè)出程序出錯(cuò)的部分，修改程序后再經(jīng)過(guò)編譯器調(diào)試后燒到單片機(jī)，反復(fù)檢測(cè)直到能工作完全正常。

5 結(jié)束語(yǔ)

本系統(tǒng)為單片機(jī)的尋跡機(jī)器人系統(tǒng)，主要應(yīng)用單片機(jī)MSP430作為控制核心，直流電機(jī)、舵機(jī)、一體紅外接收頭等相結(jié)合的系統(tǒng)。這個(gè)系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，易于開發(fā)，嚴(yán)格控制各種元件的采購(gòu)成本，所以價(jià)格低廉，安全可靠，操作方便。

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