基于单片机的多自由度机械手臂设计

五自由度机械手毕业设计简介毕业设计项目是基于五自由度机械手的设计与调试。

机械手作为一种重要的自动化设备，被广泛应用于各种工业场景中。

本项目旨在设计和实现一个五自由度机械手，以达到特定的工作任务，并对其进行调试和性能优化。

设计目标本项目的设计目标如下：1.组装一台五自由度机械手，包括底座、前臂、手臂和手爪等组成部分。

2.实现机械手的运动控制和精确定位，以可靠地完成给定的任务。

3.进行机械手的调试和性能优化，以提高其准确性和灵活性。

设计流程步骤一：机械手构建首先，需要根据机械手的设计要求，选择合适的机械结构和零件。

设计一个稳定的底座来支持机械手的运动。

然后，设计前臂和手臂以实现机械手的五自由度运动。

最后，设计一个手爪用于抓取目标物体。

步骤二：运动控制系统设计一个运动控制系统，用于实现机械手的精确定位和运动控制。

可以使用传感器来获取机械手当前的位置和姿态信息，并使用控制算法来计算和控制机械手的运动。

可以选择合适的传感器和控制器来实现这个功能。

步骤三：系统调试完成机械手的组装和运动控制系统的搭建之后，需要进行系统的调试和测试。

在调试过程中，可以逐步验证机械手的各个自由度的运动是否准确，并优化运动控制系统的参数以提高机械手的运动准确性和稳定性。

步骤四：任务实现完成机械手的调试之后，可以设计和实现一系列的任务来验证机械手的性能和应用能力。

可以设计一些基础任务，如抓取、放置和搬运物体等。

还可以设计更复杂的任务，如拧螺丝、组装零件等，以验证机械手在复杂环境中的运动控制和应用能力。

预期成果通过完成本毕业设计项目，预期实现以下成果：1.完整的五自由度机械手，包括底座、前臂、手臂和手爪等组成部分。

2.可靠的运动控制系统，能够实现机械手的精确定位和运动控制。

3.调试和优化完毕的机械手，具有较高的运动准确性和稳定性。

4.完成的任务实现，验证机械手的性能和应用能力。

时间计划本项目的时间计划如下：•第一周：项目立项和需求分析•第二周：机械结构设计和零件采购•第三周：机械手组装和基本运动控制实现•第四周：运动控制系统调试和优化•第五周：任务实现和性能测试•第六周：项目总结和报告编写结论通过本毕业设计项目，将能够全面了解五自由度机械手的设计和调试过程，掌握机械手的运动控制原理和实现方法，并对机械手的性能和应用能力进行验证和提升。

基于AＲM的多自由度机械手设计捷，瑄，楚，徐莲辉摘要:机械手选用AＲM芯片作为控制核心，主要是基于其运算能力强，外设接口丰富，可扩展成串行、并行、高速和低速等各种接口，也能很容易扩展成网络接口，便于机械手组网协同工作。

特别是AＲM芯片的LCD接口和存储器扩展接口能大大提高机械手的智能化程度，扩展LCD后能提供友好的人机交互界面，便于编程、维护和故障指示;大容量存储器可为复杂运算和大数据存储提供方便。

AＲM的这些优点为机械手的高度智能化提供了最有效的保证。

关键词:机械手;AＲM芯片;伺服电机;嵌入式;控制系统引言机器人应用情况是展现一个国家工业自动化水平的重要标志。

工业自动化中机械手发挥了相当大的作用，生产中应用机械手可以减轻劳动强度、保证产品质量、实现安全生产;尤其在高温、高压、易爆、有放射性或有毒性污染的场合中，机械手能代替人进行正常的工作。

特别是近些年人工成本越来越高，企业都迫切需要采用一些自动化设备来降低人工成本，工业机械手在这方面有着广阔的应用前景。

常用的机械手多为6个自由度以下的。

一般的专用机械手只有2～4个自由度，而通用机械手则多数为3～6个自由度。

目前大多数工业机械手基本上都是采用单片机、PLC或DSP等控制的，单片机只能控制简单的3个自由度以下的机械手;PLC控制的成本高，运算能力很差，对机械手运动轨迹控制能力差;应用DSP 控制运算能力强，但其外设接口没有AＲM丰富，并且成本也比AＲM高，一片DSP控制的机械手自由度也有限，6个自由度的、复杂一点的机械手都需要多个DSP芯片协同才能较好地完成控制。

1机械部分设计与安装1．14个自由度设计机械抓手选用型号为42HD2401-100L，两相4线步进电机，丝杆电机的行程为100mm，步距角为1．8°，电流1．5AN1504。

利用其不同的行程可以设计不同力矩大小的抓手或夹具，此部分通过加工的一个连接轴，用螺丝锁定在型号为42BYG行星减速步进电机上，配48mm步进电机，减速比5．18∶1，这样控制机械抓手在360°围旋转。

广西轻工业ＧＵＡＮＧＸＩＪＯＵＲＮＡＬＯＦＬＩＧＨＴＩＮＤＵＳＴＲＹ计算机与信息技术２００８年８月第８期（总第１１７期）【作者简介】方龙，副教授，从事电子技术的教学与科研工作。

１引言机器手臂是近几十年来涌现的一种工业技术装备，它能模仿人体上肢某些动作，在生产过程中代替人搬运物件或操持工具进行操作。

在工业生产中应用机器手臂，可以提高劳动生产率，保证产品质量，减轻工人劳动强度，实现生产过程自动化。

因此近年来工业机器手的应用越来越普遍。

机器手臂具有两个部分：控制部分和直接进行工作的部分。

控制系统通过编程，决定直接工作的机器臂部分。

由于采用程序控制，所以很容易根据需要改变其工作方式和任务。

本设计结合坐标式三自由度机器机器手臂模型，应用单片机控制。

该手臂具有二或三个关节，夹持装置，采用３台微型伺服马达驱动，至少可以完成抬臂、转臂、抓取物体等简单动作。

电机的驱动控制器由单片机ＡＴ８９Ｃ５１实现，使其按程序和操作要求实现抓取、搬运物体。

２伺服马达微型伺服马达有着如下的优点：大扭力、控制简单、装配灵活。

一个微型伺服马达内部包括了一个小型直流马达、一组变速齿轮组、一个反馈可调电位器及一块电子控制板。

其中高速转动的直流马达提供了原始动力，带动变速（减速）齿轮组，使之产生高扭力的输出，齿轮组的变速比愈大，伺服马达的输出扭力也愈大，也就是说越能承受更大的重量，但转动的速度也愈低。

减速齿轮组由马达驱动，其终端（输出端）带动一个线性的比例电位器作位置检测，该电位器把转角坐标转换为一比例电压反馈给控制线路板，控制线路板将其与输入的控制脉冲信号比较，产生纠正脉冲，并驱动马达正向或反向地转动，使齿轮组的输出位置与期望值相符，令纠正脉冲趋于为０，从而达到使伺服马达精确定位的目的。

伺服马达的瞬时运动速度是由其内部的直流马达和变速齿轮组的配合决定的，在恒定的电压驱动下，其数值唯一。

但其平均运动速度可通过ＰＷＭ方式控制。

标准的微型伺服电机有三条控制线，分别为：电源，地及控制线。

大连理工大学城市学院本科生毕业设计（论文）学院：电子与自动化学院专业：电子信息工程学生：指导教师：完成日期：2014年5月12号大连理工大学城市学院本科生毕业设计（论文）基于单片机的遥控机械臂设计（硬件）总计毕业论文（论文）42 页表格0 个插图22 个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 (8)2.1总体设计方案 (8)2.1.1设计思路 (8)2.1.2方案选择 (9)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 (13)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 (24)3.1软件结构 (24)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 (40)感谢 (41)参考文献 (42)附录 (43)附录A：程序设计 (43)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。

目录1 引言--------------------------------------------------61.1 机械手的概述-------------------------------------61.2 机械手的组成-------------------------------------61.3 机械手的分类-------------------------------------82 设计要求--------------------------------------------- 103 系统硬件设计----------------------------------------- 123.1 单片机核心模块----------------------------------133.2 键盘模块----------------------------------------133.3 计数系统模块------------------------------------143.4 电磁阀模块--------------------------------------143.5 显示模块----------------------------------------143.6 外围驱动模块------------------------------------164 软件系统设计----------------------------------------- 214.1 流程图------------------------------------------214.2 源程序------------------------------------------225 整机电路图------------------------------------------- 355.1 原理图------------------------------------------355.2 PCB图------------------------------------------ 386 元件明细表-------------------------------------------397 总结与致谢-------------------------------------------408 参考文献---------------------------------------------44引言1.1 机械手的概述机械手能模仿人手和臂的某些动作功能，用以按固定程序抓取、搬运物件或操作工具的自动操作装置。

基于单片微机控制的机械手设计(机械结构）ﻫ摘要在工业生产中,机械手系统有着广泛的应用,如工件转移、工件装配、加工中心刀库换刀等，作为一种相对较新的机电一体化设备,它正开始改变现代化工业面貌。

本设计为三自由度圆柱坐标型工业机械手，其工作方向为两个直线方向和一个旋转方向。

本机械手使用气动夹紧装置，两直线方向的运动由两对丝杠螺母机构完成,通过步进电机驱动,一个旋转方向的运动也由步进电机驱动,因为使用单片机可以较容易地控制步进电机。

在控制器的作用下，机械手执行将工件从一个位置拿到另一个位置这一动作。

本机械手系统具有较大的柔性：控制方面，因机械手可以较容易地与ＰC机通信;上位机程序通过VB语言编写,可以通过改写上位机程序，比如增加可以调用的子程序、数据库等，使机械手实现更加强大地功能;机械结构方面，本机械手的末端执行机构可以更换，可以通过更换末端执行机构使机械手完成不同的任务。

本文的主要内容包括:机械手总体结构方案的选型、机械手的动力学参数计算、机械手的运动学设计、运动部件的设计与校核、结构设计等。

本文是对整个设计工作较全面的介绍和总结。

关键词：机械手自由度结构目录摘要 (Ⅰ)目录 (Ⅱ)第一章前言ﻩ错误!未定义书签。

第二章机械手总体结构的确定ﻩ错误!未定义书签。

2.1机械手自由度的确定................................... 错误!未定义书签。

2.2工作空间和额定负载的确定ﻩ错误!未定义书签。

２.３确定分辨率、重复性................................. 错误!未定义书签。

２.4机械手结构形式的确定................................ 错误!未定义书签。

第三章动力学参数计算 ..................................... 错误!未定义书签。

３.1末端夹持系统的设计.................................. 错误!未定义书签。

毕业设计（论文）开题报告1 选题背景及其意义1.1 课题来源本课题来自教师科研课题、教学需求和社会需要，是设计一种性能先进、满足教师教学、学生实践和模拟工业化生产的，基于单片机控制的四自由度气动机械手。

它简化了结构，增加了可控性，可实现机械手在XY平面的旋转，大小臂的升降、伸缩，手爪的抓紧和放松等功能，并配合物料台的自动送料，实现水平面定点取物和放物的功能，具有结构简单、操作方便、可靠性高等特点，为机电一体化教学提供了很好的范例，为工业化生产提供实用的机械手系统。

1.2 课题目的机器人技术是一种利用电子技术、信息技术使机械系统实现柔性化和智能化的自动化技术，在工科高校的本科教育和研究生培养中，占有举足轻重的地位，对于提高学生的工程能力，拓展生存空间有着非常重要的意义。

机械手能模仿人手和臂的某些动作功能，用以按固定程序抓取、搬运物件或操作工具的自动操作装置。

它可代替人在生产中位置，提高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、能在有害环境（高温高压，低温低压，有毒气体、放射性等）下操作以保护人身安全，因而广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等部门。

在工业生产线中，机械手臂具有很广泛的用途。

它是工作抓取和装配系统中的一个重要组成部分。

它的基本作用是从指定位置抓取工件运送到另一个指定的位置进行装配。

机械手臂代替了人工的繁杂劳动，并且操作精度高，提高了产品的质量和生产效率。

近20年来，气动技术的应用领域迅速拓宽，尤其是在各种自动化生产线上得到广泛应用。

电气可编程控制技术与气动技术相结合，使整个系统自动化程度更高，控制方式更灵活，性能更加可靠；气动机械手、柔性自动生产线的迅速发展，对气动技术提出了更多更高的要求；微电子技术的引入，促进了电气比例伺服技术的发展。

目前我过的工业机器人技术及其应用水平与国外相比，还是有着一定的差距，应用规模和产业化水平低，机械手的研究和开发直接影响到我国自动化生产水平的提高，从经济上、技术上考虑都是十分必要的。

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。