小型货物搬运机械臂控制系统的设计
摘 要机械臂控制系统可在电子产品制造、机械加工等领域流水线上进行小型货物搬运，能较好地解决以往由人工重复搬运所导致的问题，提高生产效率和产品质量，避免人身事故，满足自动化生产要求。系统工作时，首先控制转台转向取货位置，当物体位置检测电路检测到达取货位置时，控制转台停止旋转；接着，使用距离检测传感器检测货物与机械臂之间的距离；然后，微处理器根据该距离计算出大臂、小臂的旋转角度，并通过舵机驱动电路控制大臂、小臂旋转，当转至目标位置时控制夹爪夹取货物；其次，系统抬起大臂举起货物，并让转台反向旋转至卸货位置；最后，将货物放置到指定位置。同时，系统还可通过角度传感器实时检测大臂、小臂的旋转角度并进行显示。本文详细介绍了系统的软、硬件设计方法。系统硬件电路主要包括时钟复位电路、电源电路、物体位置检测电路、距离检测电路、舵机驱动电路、液晶显示电路和角度检测电路等。系统软件主要包括主程序、初始化子程序、转台控制子程序、距离检测子程序、大小臂控制子程序、角度检测子程序和夹爪控制子程序等设计。最后，对所设计系统进行了实验测试。结果表明该系统能够准确地检测出物体与机械臂之间的距离，并能有效地驱动舵机控制转台转动和大臂、小臂旋转，实现了货物的搬运功能，达到了预期设计要求。同时，该系统还具有运行状态稳定，响应速度快等优点。
Key words: Cargo handling; Mechanical arm; Servomotor control; Location detection 目 录
1绪 论 1
1.1 研究背景 1
1.2 国内外研究现状和发展趋势 1
1.3 本课题的研究内容 2
2系统总体方案设计 3
2.1 系统整体结构设计 3
2.2 系统工作原理 4
3系统硬件设计 6
3.1 单片机最小系统 6
3.2 电源电路 7
3.3 物体位置检测电路 7
3.4 距离检测电路 9
3.5 角度检测电路 11
3.6 舵机驱动电路 13
3.7 液晶显示电路 16
4系统软件设计 18
4.1 主程序 18
4.2 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: &351916072&
初始化子程序 19
4.3 转台控制子程序 20
4.4 距离检测子程序 20
4.5 大小臂控制子程序 21
4.6 角度检测子程序 22
4.7 夹爪控制子程序 23
5系统测试与分析 24
5.1 系统测试 24
5.2 测试结果分析 25
6总结与展望 26
6.1 课题总结 26
6.2 课题展望 26
参考文献 27
致 谢 29
附录A 31
附录B 32
1绪 论
1.1 研究背景
本课题主要研究一种小型货物搬运机械臂控制系统的设计。该系统可在电子产品制造、机械加工、医药生产等领域的流水线上进行小型货物搬运，能较好地解决以往由人工重复搬运所导致的问题，提高生产效率和产品质量，避免人身事故，满足自动化生产的要求。同时，该系统还具有结构简单、性能可靠、控制精度高等优点。因此，本课题具有较高的实用价值和研究意义。
1.2 国内外研究现状和发展趋势
通过对市场上已有货物搬运机械臂控制系统的调查研究，发现它们普遍存在着以下几个问题：
（1）大多采用可编程控制器PLC进行控制，控制系统体积大、成本高；
（2）系统多采用开环控制方式，控制精度低，定位不够准确；
（3）机械臂运动控制多采用机械传动方式，导致系统响应速度慢，并存在机械滞后现象。
针对以上问题，查阅了大量相关文献资料，总结出如下货物搬运机械臂控制系统的发展趋势：
（1）采用微处理器为核心进行系统设计
目前，在机械臂控制系统设计中，开始着手研究以高性能微处理器（例如：MCS51单片机、数字信号处理器等）为核心的微机控制系统，来提高系统的自动控制性能，减小系统体积，降低系统设计成本。
（2）使用多传感器进行物体位置检测，实现对货物的精确抓取
现有货物搬运机械臂多采用开环控制方式，无检测设备，控制精度低，抗干扰能力差；目前，人们开始着手研究使用多传感器对货物位置、机械臂转动角度、夹爪夹取角度进行检测，以便使机械臂控制系统能够更准确、更稳定地搬运货物。
（3）采用舵机控制机械臂运动，提高系统响应速度和货物搬运效率
由于舵机具有体积小、力矩大、稳定性高，便于计算机控制等优点；同时，为了提高机械臂运动轨迹的合理性，目前人们开始研究使用舵机控制机械臂的运 动，来提高机械臂的响应速度，减少机械滞后，进而提高系统的货物搬运效率。
1.3 本课题的研究内容
本课题以MCS51单片机微控制器为核心，来进行小型货物搬运机械臂控制系统的设计，其主要研究内容如下：
（1）根据系统设计要求，提出小型货物搬运机械臂控制系统的设计方案；
（2）完成系统硬件电路设计，包括时钟复位电路、电源电路、物体位置检测电路、距离检测电路、舵机驱动电路、液晶显示电路、角度检测电路等设计；
（3）完成系统软件设计，包括：主程序、初始化子程序、转台控制子程序、距离检测子程序、大小臂控制子程序、角度检测子程序和夹爪控制子程序等设计；
（4）进行系统硬件电路制作，完成系统的软、硬件联调。 2系统总体方案设计
2.1 系统整体结构设计
本系统主要包括时钟复位电路、电源电路、物体位置检测电路、距离检测电路、舵机驱动电路、液晶显示电路、角度检测电路等。系统整体结构框图如图2.1所示。
图2.1 系统整体结构框图
（1）物体位置检测电路
该电路用于检测机械臂是否到达取货或卸货位置，进而控制系统是否开启距离检测电路等的工作。
（2）距离检测电路
该电路用于检测货物与机械臂之间的距离，系统将根据该距离计算出大臂、小臂的旋转角度，从而实现货物的夹取。距离检测电路拟使用超声波测距传感器来检测货物与机械臂之间的距离。
（3）角度检测电路
该电路用于检测机械臂大臂、小臂在取货（或卸货）时的旋转角度，便于工作人员了解机械臂各部分的运动状态。
（4）舵机驱动电路
微处理器通过输出PWM波控制舵机1、舵机2、舵机3和舵机4的转动来控制机械臂的运动，实现货物搬运。该电路采用AA51880进行设计，该芯片内置电压调节器，且具有内部输出NPN功率晶体管，能较好地解决舵机的功率驱动问题。
（5）液晶显示电路
液晶显示电路可用于机械臂货物搬运次数、大臂和小臂的旋转角度及机械臂工作状态等显示。
（6）电源电路
电源电路可给系统提供所需正常工作电压。
Key words: Cargo handling; Mechanical arm; Servomotor control; Location detection 目 录
1绪 论 1
1.1 研究背景 1
1.2 国内外研究现状和发展趋势 1
1.3 本课题的研究内容 2
2系统总体方案设计 3
2.1 系统整体结构设计 3
2.2 系统工作原理 4
3系统硬件设计 6
3.1 单片机最小系统 6
3.2 电源电路 7
3.3 物体位置检测电路 7
3.4 距离检测电路 9
3.5 角度检测电路 11
3.6 舵机驱动电路 13
3.7 液晶显示电路 16
4系统软件设计 18
4.1 主程序 18
4.2 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: &351916072&
初始化子程序 19
4.3 转台控制子程序 20
4.4 距离检测子程序 20
4.5 大小臂控制子程序 21
4.6 角度检测子程序 22
4.7 夹爪控制子程序 23
5系统测试与分析 24
5.1 系统测试 24
5.2 测试结果分析 25
6总结与展望 26
6.1 课题总结 26
6.2 课题展望 26
参考文献 27
致 谢 29
附录A 31
附录B 32
1绪 论
1.1 研究背景
本课题主要研究一种小型货物搬运机械臂控制系统的设计。该系统可在电子产品制造、机械加工、医药生产等领域的流水线上进行小型货物搬运，能较好地解决以往由人工重复搬运所导致的问题，提高生产效率和产品质量，避免人身事故，满足自动化生产的要求。同时，该系统还具有结构简单、性能可靠、控制精度高等优点。因此，本课题具有较高的实用价值和研究意义。
1.2 国内外研究现状和发展趋势
通过对市场上已有货物搬运机械臂控制系统的调查研究，发现它们普遍存在着以下几个问题：
（1）大多采用可编程控制器PLC进行控制，控制系统体积大、成本高；
（2）系统多采用开环控制方式，控制精度低，定位不够准确；
（3）机械臂运动控制多采用机械传动方式，导致系统响应速度慢，并存在机械滞后现象。
针对以上问题，查阅了大量相关文献资料，总结出如下货物搬运机械臂控制系统的发展趋势：
（1）采用微处理器为核心进行系统设计
目前，在机械臂控制系统设计中，开始着手研究以高性能微处理器（例如：MCS51单片机、数字信号处理器等）为核心的微机控制系统，来提高系统的自动控制性能，减小系统体积，降低系统设计成本。
（2）使用多传感器进行物体位置检测，实现对货物的精确抓取
现有货物搬运机械臂多采用开环控制方式，无检测设备，控制精度低，抗干扰能力差；目前，人们开始着手研究使用多传感器对货物位置、机械臂转动角度、夹爪夹取角度进行检测，以便使机械臂控制系统能够更准确、更稳定地搬运货物。
（3）采用舵机控制机械臂运动，提高系统响应速度和货物搬运效率
由于舵机具有体积小、力矩大、稳定性高，便于计算机控制等优点；同时，为了提高机械臂运动轨迹的合理性，目前人们开始研究使用舵机控制机械臂的运 动，来提高机械臂的响应速度，减少机械滞后，进而提高系统的货物搬运效率。
1.3 本课题的研究内容
本课题以MCS51单片机微控制器为核心，来进行小型货物搬运机械臂控制系统的设计，其主要研究内容如下：
（1）根据系统设计要求，提出小型货物搬运机械臂控制系统的设计方案；
（2）完成系统硬件电路设计，包括时钟复位电路、电源电路、物体位置检测电路、距离检测电路、舵机驱动电路、液晶显示电路、角度检测电路等设计；
（3）完成系统软件设计，包括：主程序、初始化子程序、转台控制子程序、距离检测子程序、大小臂控制子程序、角度检测子程序和夹爪控制子程序等设计；
（4）进行系统硬件电路制作，完成系统的软、硬件联调。 2系统总体方案设计
2.1 系统整体结构设计
本系统主要包括时钟复位电路、电源电路、物体位置检测电路、距离检测电路、舵机驱动电路、液晶显示电路、角度检测电路等。系统整体结构框图如图2.1所示。
图2.1 系统整体结构框图
（1）物体位置检测电路
该电路用于检测机械臂是否到达取货或卸货位置，进而控制系统是否开启距离检测电路等的工作。
（2）距离检测电路
该电路用于检测货物与机械臂之间的距离，系统将根据该距离计算出大臂、小臂的旋转角度，从而实现货物的夹取。距离检测电路拟使用超声波测距传感器来检测货物与机械臂之间的距离。
（3）角度检测电路
该电路用于检测机械臂大臂、小臂在取货（或卸货）时的旋转角度，便于工作人员了解机械臂各部分的运动状态。
（4）舵机驱动电路
微处理器通过输出PWM波控制舵机1、舵机2、舵机3和舵机4的转动来控制机械臂的运动，实现货物搬运。该电路采用AA51880进行设计，该芯片内置电压调节器，且具有内部输出NPN功率晶体管，能较好地解决舵机的功率驱动问题。
（5）液晶显示电路
液晶显示电路可用于机械臂货物搬运次数、大臂和小臂的旋转角度及机械臂工作状态等显示。
（6）电源电路
电源电路可给系统提供所需正常工作电压。
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