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。

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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。第三类是专用机械手，主要附属于自动机床或自动线上，用于解决机床上下料和工件传送。这种机械手在国外称为“Mechanical Hand”，它是为主机服务的，由主机驱动，除少数外，工作程序一般是固定的，因此是专用的。

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第二章 机械手总体方案的设计

2.1机械手的基本结构

机械手是一个水平、垂直运动的机械设备，用来将工件由左工作台搬到右工作台。有上升、下降运动，左移、右移运动和夹紧、放松动作和位置控制。简易机械手在各类全自动和半自动生产线上应用得十分广泛，主要用于零部件或成品在固定位置之间的移动，替代人工作业，实现生产自动化。本设计中的机械手采用上下升降加平面转动式结构，机械手的动作由气动缸驱动，气动缸由相应的电磁阀来控制，电磁阀由单片机控制驱动执行元件完成，能十分方便的嵌入到各类工业生产线中。图2-1为机械手简图,其中SQ1-上限开关，SQ2-左限，SQ3-下限开关，SQ4-光电开关，SQ5-夹紧，SQ6-右限。

图2-1 机械手简图

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这个机械手具有二个直线运动和一个旋转运动自由度用于将源工作台上的物品搬到其左侧或右侧目的工作台上。机械手的直线动作由气缸驱动，气缸由电磁阀控制，整个机械手在工作中能实现上升/下降、左传/右转、夹紧/放松功能，是目前较为简单的、应用比较广泛的一种机械手。其升降运动通过升降气缸、垂直导柱、滑动导柱、垂直导轨及升降位置微动开关相互配合完成，升降工作行程为0～100mm、转动是通过旋转气缸实现、转动工作行程为0～90°；手爪是通过气缸、弹簧的作用来夹持物品，夹持力是靠调节弹簧的预压缩调整。

机械手的基本结构由感知部分、控制部分、主机部分和执行部分四个方面组成。采集感知信号及控制信号均由气动缸驱动。主机部分采用了标准型材辅以模块化的装配形式，使得气动机械手能拓展成系列化、标准化的产品。

图2-1中工件所处位置为原点位置，根据要求：机械手初始位置在原点位置，每次循环动作都从原点位置开始，完成上升、下降运动，左移、右移运动和夹紧、放松动作和位置控制，并能实现手动操作和自动操作方式。当机械手在原点位置下启动按钮，系统启动，左传送带运转。当光电开关检测到物品后，左传送带停止运行。根据分析可得出机械手的工作流程图，如图2-2所示。

原位 启动 停止 下降 夹紧 延时 上升 图2-2 机械手工作流程图

松开 上升 下限 下降

右移 右限 左限 左移 上限 根据以上分析，机械构造方案基本固定。整个机械手一共用到三个气缸，单片机需要控制每个气缸的动作：横梁长气缸的内外调，执行气爪的夹持与放松、竖导杆气缸的升降、各气缸的定位控制和旋转轴的定位控制，另外两个是工件计数和故障报警。

2.2机械手的控制要求

机械手的操作方式分为手动操作和自动操作，自动操作又分为单周期操作和连续操作方式。手动操作是指用按钮对机械手的每一步运动单独进行控制；单周期操作指机械手从原点开始，按启动按钮，机械手自动完成1个周期的动作后停止；连续操作指机械手从原点开始，按启动按钮，机械手的动作将自动地、连续不断地周

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期性循环。在工作中若按停止按钮，机械手将继续完成1个周期的动作后，回到原点自动停止。

（1）机械手的自动运行：

① 下降：当机械手检测到传送带A上有工件时，有原点位置开始下降，下降到位时，碰到下极限开关，机械手停止下降，同时接通加紧电磁阀线圈。

② 加紧工件：当机械手加紧到位时，压力继电器动合触电闭合，接通上升电磁阀线圈。

③ 上升：当机械手夹紧到位时，机械手开始上升，上升到位时，碰到上极限开关，机械手停止上升，同时接通右移电磁阀线圈。

④ 右移：当机械手上升到位时，机械手开始右移，右移到位时，碰到有极限开关，机械手停止右移，同时接通下降电磁阀线圈。

⑤ 下降：当机械手右移到位时，机械手重新开始下降，下降到位时，碰到下极限开关，机械手停止下降，同时释放加紧电磁阀线圈。

⑥ 放松工件：放松动作为时间控制，设为2秒。

⑦ 上升：工件放松后，机械手开始上升，上升到位时，碰到上极限开关，机械手停止上升，同时接通左移电磁阀线圈。

⑧ 左移：机械手上升到位后，开始左移，左移到位时，碰到左极限开关，机械手停止左移。

⑨ 回到原位：机械手左移到位后，回到原点位置，再次自动启动传送带A，当光电开关检测到工件后，又开始新的工作循环周期。

机械手的手动运行

（2）手动运行是指机械手的上升、下降、左移、右移及夹紧操作通过对应的手动操作按钮控制，与操作顺序无关。

单片机模块选择：电源模块，CPU模块，输入模块，输出模块。其中输入和输出模块都选用数字量的类型，输入量较多，选择32路模块，输出量较少选择16路的模块。

2.3 机械手的控制方案设计

考虑到机械手的通用性，同时使用点位控制，因此我们采用可单片机对机械手进行控制。当机械手的动作流程改变时，只需改变单片机程序即可实现，非常方便

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快捷。

2.4 机械手的手部结构

为了使机械手的通用性更强，把机械手的手部结构设计成可更换结构，当工件是棒料时，使用夹持式手部;当工件是板料时，使用气流负压式吸盘。本文设计的是抓握直径为?5~ ?20的零件。按照抓取工件的要求，本机械手的手臂有三个自由度，即手臂的伸缩、左右回转和升降运动。手臂的回转和升降运动是通过立柱来实现的，立柱的横向移动即为手臂的横移。手臂的各种运动由气缸来实现。手臂的伸缩、升降运动由伸缩气缸来实现，回转由回转气缸实现。

第三章 机械手硬件电路设计

根据任务要求，机械手系统电路设计可主要分为三个模块：单片机主控模块、矩阵按键模块、串口通讯模块。图3-1为硬件电路设计方框图。图3-2 单片机整体模块设计原理图。

图3-1硬件电路设计方框图

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图3-2 单片机整体模块设计原理图

3.1 单片机模块

3.1.1 单片机方案选择

单片机体积小巧，内部包括中央处理器，数据存储器，程序存储器及输入输出设备。对于需要灵活机动，精度要求不高，有可扩展性及程序可擦写和简单成熟的编程平台等要求，单片机不失为最合适的选择。现有两种单片机AT89S51和AVR可供选择。

方案一：

采用常见的 89S51作为米粉机点餐系统的控制核心。传统的51 单片机具有价格低廉，输入输出接口多，使用简单等特点，容易开发。

方案二：

采用AVR单片机，AVR单片机在一个芯片内将增强性能的RISC 8位CPU与可下载的FLASH相结合使其成为适合于许多要求。具有高度灵活性的嵌入式高效微控制器。

从机械手的功能实现来说，单片机主要能够多路模拟输出精确的PWM功能上，实现上位机串口通讯，S51单片机与AVR单片机相比，AVR单片机拥有内置多路的PWM输出而且AVR单片机具有更好的稳定性和程序处理效率，实现起来也比较方便，

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因此采用方案二的AVR单片机。

3.1.2单片机主控电路设计

ATmega64是基于增强的AVR RISC机构的低功耗8位CMOS微控制器。由于其先进的指令执行时间，ATmega64的数据吞吐率高达1MIPS/MHz,从而可以缓减系统在功耗和处理速度之间的矛盾。

主控电路的设计是以ATmega64单片机和RS232通信模块为核心，外接矩阵按键模块和电源等硬件电路。ATmega64单片机工作在8MHZ的频率下，采用+5V的直流电源供电。图3-3为单片机最小系统设计图。

AVCCGNDGNDAREFPF0PF1PF2PF3PF4PF5PF6PF7GND+5VPA0PA1PA2PF0PF1PF2PF3PF4PF5PF6PF7GNDVCCPA0PA1PA2VCCXGTNADL2XTAL1PB7PG3PRGE4STPB7PG3PG4RST+5VXA2GTNLDXTLA1PD0PD1PD2PD3PD4PD5PD6PD717181920212223242526272829303132PD0PD1PD2PD3PD4PD5PD6PD7PE0PE1PE2PE3PE4PE5PE6PE7PB0PB1PB2PB3PB4PB5PB612345678910111213141516AVCC64636261605958575655545352515049PG5PE0PE1PE2PE3PE4PE5PE6PE7PB0PB1PB2PB3PB4PB5PB6J9ATMEGA64PA3PA4PA5PA6PA7PG2PC7PC6PC5PC4PC3PC2PC1PC0PG1PG048474645444342414039383736353433PG2PC7PC6PC5PC4PC3PC2PC1PC0PG1PG0

图3-3 ATmega64处理器

在单片机系统模块中，还包括有外部晶振电路、复位电路。

3.1.3AVR晶振电路的设计

与传统的51单片机相比，AVR单片机内置RC振荡电路。出厂时，未进行时钟源设置的AVR，其时钟源使用的是内部RC振荡，一般情况使用的是1M频率。

通过对熔丝位的设置，可以设置MCU的内部RC振荡频率。例如：4M、8M等。 不过，内置RC振荡，在一致性方面存在差异，它因生产的批次有所差异，亦与温度等因素有较大的相关性。所以，在一些对时钟要求较高的场合，如：精确定时，RS232通信等，这些场合，建议使用外部的晶振线路。图3-4为外部晶振电路：

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C8XTLA122pFY116MHzC9XTLA222pF

图3-4晶振电路

3.1.4AVR复位电路的设计

AVR单片机内置复位电路，并且在熔丝位里，可以控制复位时间，所以，AVR单片机可以不设外部上电复位电路，依然可以正常复位，稳定工作。

若是系统需要设置按键复位电路，那么注意，AVR单片机是低电平复位，图3-5为设计的按键复位电路：

S1C11RST10uFVCCR1510K+5图3-5复位电路

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3.2 矩阵按键模块

单片机通过动态扫描识别矩阵按键，可大大减少单片机IO口的使用。使用按键时注意由於这种按键是机械式的开关，当按键被按下时，键会震动一小段时间才稳定，為了避免让8051误判為多次输入同一按键，我们必须在侦测到有按键被按下，就延迟一小段时间，使键盘跳过抖动状态以达稳定状态，再去判读所按下的键，就可以让键盘的输入稳定。图3-6为矩阵按键电路图：

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S3SW-PBS4J8987654321CON8SW-PBS5SW-PBS6SW-PBS7SW-PBS8SW-PBS9SW-PBS10SW-PBS11SW-PBS12SW-PBS13SW-PBS14SW-PBS15SW-PBS16SW-PBS17SW-PBS18SW-PB

图3-6矩阵按键

图3-7矩阵键盘

3.3串口通信模块

RS-232C是由美国电子工业协会（EIA）正式公布的，在异步串行通信中应用最广泛的标准总线。它规定连接电缆和机械、电气特性、信号功能及传送过程。现在，计算机上的串行通信端口（RS-232）是标准配置端口，已经得到广泛应用。图3-7为串口通信模块，

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C4D9C7104104J8C610412345678C1+VCCV+GNDC1-T1OUTC2+RIINC2-R1OUTV-T1INT2OUTT2INR2INR2OUTMAX232161514131211109++5C10PD3D10PD2R10+54.7KR114.7KT2R2J1162738495C5104T2R2PD3PD2DB9

图3-8 RS232串口通信

第四章 单片机总程序设计

根据设计的的要求，进行AVR单片机C语言编程，编程思路方框图如图4-1。

开始 初始化 检测 矩阵按 键按下 串口 中断 判断 键值 接收 数据 发送 指令 输出控制信号 11

图4-1单片机程序框图

第五章 系统调试

在硬件和软件都完成后，需要对硬件和软件分别调试。只有当硬件中的各个模块工作测试稳定好后，才能进行系统总体调试。这里将调试的过程及在调试的过程中所遇到的问题提出来进行讨论，以便能够进一步的掌握设计工作的要领，积累经验。

经过一个多星期的调试，作品正式完成，它能够稳定地实现毕设要求功能。 作品参数： 臂长为40cm； 机体质量：1.5Kg； 额定工作电压：5V； 最大抓起质量：300g

第六章 总结

机械手控制系统经过一段时间的制作，在要求的时间内把整个大系统制作完成，它能够按照任务书中的要求稳定地实现各个功能。在整个设计过程中，无论是对于系统的机械部分还是电路部分，都通过了各种方案优缺点比较从而确定最终采用方案，整个设计思路清晰。在机械方面：主要由有机玻璃制作系统框架，用螺钉及热熔胶固定，尽量用简单易实现的机械结构，来完成设计要求。

样机调试中出现了很多问题，例如定时中断的时间过短，两PWM信号发送的延迟时间过长，机械臂轴心不在一条线上等问题。但根据翻阅书籍和上网收索及设计理论分析，反复检查程序，才发串口无法通信，现一些存在的问题使得系统不能正常运行。

通过本次毕业设计，我对以前所学的理论知识有了更进一步的了解，同时能更加合理的查阅及利用资料，为达到课题要求而对在大学期间所学习的课程进行了全面、综合的巩固和加深。

这次毕业设计不同与以往任何一次课程设计，它耗时更长，独立性更高，要求更加严格细致。它不仅要求我们能充分利用在校期间所学的课程的专业知识，同时也要求我们有良好的理解力、掌握力和实际运用的灵活度。在设计过程中给我印象

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最深的是作为一名设计人员，面对一项设计任务时，不仅要能够熟练的运用相关专业知识，同时还要考虑到在实际应用中所面对的场地、环境、资金和实际加工等一系列问题。

通过这次毕设，大大提高了自己独立查阅科技资料的能力、动手能力以及分析问题能力，并体会到科技制作的乐趣。

谢 辞

在山东理工大学电气与电子工程学院已学习三年，回首既往，自己一生最宝贵的时光能于这样的校园之中，能在众多学富五车、才华横溢的老师们的熏陶下度过，实是荣幸之极。

感谢山东理工大学电气与电子工程学院对我的培养，是学校的培养让我学到了专业的科学文化知识，同时也提升了我的多方面的能力，塑造了我的人格，使我在未来的人生道路上能够更加信心百倍的走下去。百年郑安，春风化雨，教我育我，永不能忘。

本设计是在孙凯老师的亲切关怀和悉心指导下完成的。在此衷心感谢孙凯老师对我在学习上的指导和帮助。孙凯老师渊博的知识、敏锐的洞察力、严谨求实的工作作风和治学精神都给我留下了深刻的印象，值此设计完成之际，谨向恩师致以衷心的感谢和崇高的敬意。

在本次设计中，遇到问题时，指导老师有问必答，给我们耐心讲解，悉心指导，同时也和我们一起讨论，解决了很多实际问题。设计期间，刘飞同学、李杰同学在学习上给了本人很多帮助，在此一并感谢。

通过此次的论文，我学到了很多知识，跨越了传统方式下的教与学的体制束缚，

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在论文的写作过程中，通过查资料和搜集有关的文献，培养了自学能力和动手能力。并且由原先的被动的接受知识转换为主动的寻求知识，这可以说是学习方法上的一个很大的突破。在以往的传统的学习模式下，我们可能会记住很多的书本知识，但是通过毕业论文，我们学会了如何将学到的知识转化为自己的东西，学会了怎么更好的处理知识和实践相结合的问题。

在此，祝老师们，以及所有关心我的人和我所关心的人身体健康，工作顺利，心情愉快，幸福平安！

附录

PCB图和原理图

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参考文献

1．蒋辉平, 周国雄，单片机原理与应用设计，北京：航空航天大学出版社，2007。 2．吴振顺，气动传动与控制，哈尔滨：:哈尔滨工业大学出版社，1995。 3．方华, 许江淳，单片机原理及应用：嵌入式，重庆：重庆大学出版社，2009。 4. 蒋新松. 机器人与工业自动化[M] . 石家庄: 河北教育出版社,2003. 5. 王耀南. 机器人智能控制工程[M] . 北京:科学出版社,2004.

6. 倪星元,等. 传感器敏感功能材料及应用[M] . 北京:化学工业出版社,2005. 7. 雨宫好文. 传感器入门[M] . 北京:科学出版社,2000.

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/sfuf.html