单片机的四自由度机械臂设计与研究(附件)【字数：11161】
摘 要摘 要针对简单动作、低成本、搬运型机械手臂的控制，设计了四自由度机械手臂。该机械手臂主要由舵机、手臂结构、控制板和电脑主机组成。舵机主要给机械手臂提供动力以实现机械手臂的运动。机构支架作为机械手臂的机械组成部分。控制板则是基于单片机的控制电路，对机械手臂供电和提供控制信号。电脑作为主控设备，为单片机提供控制信号。该机械手臂主要以低成本，动作简单为主要特点，主要从事物品的搬运和放置工作。关键词四自由度；机械手臂；单片机；低成本
目录
第一章 绪论 1
1.1 本文的研究目的和意义 1
1.2 本课题涉及的问题在国内（外）研究状况与发展趋势 1
1.3 本课题的研究内容 2
第二章 机械手臂结构设计 3
2.1材料的选择 3
2.2零件的选择 3
2.3结构设计 4
第三章 硬件电路的设计研究 13
3.1 舵机的工作原理 13
3.2 单片机资料 13
3.3硬件电路设计 15
3.4 uart.c的介绍 18
3.5 oneMotor.c的介绍 19
3.6 Time.c的介绍 19
3.7 Asc_valu.c的介绍 20
3.8 Main.c的介绍 20
第四章 上位机软件设计 21
4.1 Labview介绍 21
4.2 程序设计 21
第五章 机械手臂动作试验研究 33
5.1机械手臂手动控制实验 33
5.2机械手臂的抖动问题 34
5.3机械手臂的自动运行 35
5.4机械手臂动作数据的保存和读取 35
结 论 38
致 谢 39
参 考 文 献 40
附录 41
第一章 绪论
1.1 本文的研究目的和意义
工业自动化已是一个不可阻挡的趋势，各种机器人、机械手臂、机械设备被用在工业生产上，大大缩短了生产加工时间，加快了工业生产效率，解放了人的劳动力。
但是，目前，自动化设 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: #351916072#
备由于成本偏高，不能普及到每一个角落，一些简单的搬运如果使用目前的自动化设备搬运的话，由于成本偏高，很实现生产的正效益。介于这个原因，本文介绍了一种低成本的搬运机械手臂的设计。本文的机械手臂是基于单片机，选用的是加强型51单片机。此单片机，价格低廉，抗干扰能力强，速度是普通51单片机的10到12倍，非常适合本机械手臂的低成本特点。
1.2 本课题涉及的问题在国内（外）研究状况与发展趋势
特点
1.机械手臂要求承载能力大、刚性好、自重轻。
应承载能力在的要求，主要解决方案是大扭矩、大功率电机和液压驱动。国内的大扭矩、大功率电机与国外有很大差距，主要体现在轴承和相关材料方面。液压驱动方面，由于国内起步较晚，相关技术差距较大。刚性和自重方面主要体现在材料方面，现国外主要用铝合金等材料，对于一些要求高的机械手臂则用复合材料等高科技材料。我国在材料方面已取得长足的发展，但与欧美发达国家仍有差距。
2. 机械手臂要求位置精度高
精度方面没有极限，包括机械精度和电气精度，电气精度我国已接近发达国家，但在机械精度还有很大差距。
发展和趋势
1.大脑控制手臂
该机械臂由用户的思维完全控制，灵活到可以拿起一个玻璃杯，在没有其他人的帮忙的情况下可以喝掉一杯饮品。这个机械臂的创作者一个研究小组，研究的人员来自于加州理工学院等机构，其中神经芯片被植入Sorto的大脑后的顶叶皮层（PPC）。
该机器臂控制芯片的植入位置与之前其他瘫痪用户控制机械臂的植入位置有所差别，通常情况下，对于这类控制芯片植入的位置是控制肌肉的大脑区域，而PPC则是掌管我们行动想法的区域，移动，并让Erik Sorto控制的机械臂越发流畅和自如地运动。Erik Sorto要做的就是思索他计划做什么，并通过诸多的操练，能够使机械臂进行他目前在思考的任务。
2.橡胶机器手臂
科学家们已经开发出了橡胶机器手臂，这种机器手臂可抓起蚂蚁而不是将其捏死。现在这一类型的机械手臂还在研究发展阶段，科学家们将一些电线放进液体的硅橡胶中，待其凝固后取出电线，获得一个长58mm，头发细丝的触手。触手里面的部分是许多小方格，通过压缩空气流动来完成各类动作，可以毫发无伤的握起蚂蚁的腰部。
存在问题
机械手臂在很多工业场合和很多非工业场合都已应用，但价格高昂，难以普及。机械手臂的智能化还不够高，很多场合还不能完全替代人。
1.3 本课题的研究内容
主要研究内容为单片机控制机械手臂的功能实现。包括舵机的原理及运用，单片机的原理及运用，上位机软件的编写。机械手臂包括机械爪夹紧工件、机械臂腕部旋转、机械臂整体的升降旋转以及机械臂前后的伸缩动作四个自由度，四个自由度通过舵机的驱动实现，控制系统采用单片机进行控制，这样的配置可以基本满足自动化生产线上工件在各个工位之间的传递和定位的要求。
本课题的研究内容：
机械手臂的结构设计，包括材料的选择、零件的选择和结构方案。
单片机的选择和单片机程序的编写。
上位机环境的选择和上位机程序的编写。
机械手臂的动作实验研究。
第二章 机械手臂结构设计
2.1材料的选择
考虑到机械手臂的使用环境，机械手臂应满足以下特点：
机械手臂一般用于工业场景，如车间等环境，要求机械手臂具有一定的耐腐蚀性。
机械手臂要有一定的灵活性，重量不能太重，这样可以节约能源，所以要求机械手臂重量要轻。
机械手臂一般用于夹持零件，为了不损坏零件，要求机械手的硬度不能太大。
基于以上对机械手臂的要求，采用铝合金材料，表面黑色氧化处理。铝合金密度较低，综合力学性好，硬度不太大，符合上术2、3点的要求，同时对它进行表面黑色氧化处理，增加了它的耐腐蚀性。
2.2零件的选择
目录
第一章 绪论 1
1.1 本文的研究目的和意义 1
1.2 本课题涉及的问题在国内（外）研究状况与发展趋势 1
1.3 本课题的研究内容 2
第二章 机械手臂结构设计 3
2.1材料的选择 3
2.2零件的选择 3
2.3结构设计 4
第三章 硬件电路的设计研究 13
3.1 舵机的工作原理 13
3.2 单片机资料 13
3.3硬件电路设计 15
3.4 uart.c的介绍 18
3.5 oneMotor.c的介绍 19
3.6 Time.c的介绍 19
3.7 Asc_valu.c的介绍 20
3.8 Main.c的介绍 20
第四章 上位机软件设计 21
4.1 Labview介绍 21
4.2 程序设计 21
第五章 机械手臂动作试验研究 33
5.1机械手臂手动控制实验 33
5.2机械手臂的抖动问题 34
5.3机械手臂的自动运行 35
5.4机械手臂动作数据的保存和读取 35
结 论 38
致 谢 39
参 考 文 献 40
附录 41
第一章 绪论
1.1 本文的研究目的和意义
工业自动化已是一个不可阻挡的趋势，各种机器人、机械手臂、机械设备被用在工业生产上，大大缩短了生产加工时间，加快了工业生产效率，解放了人的劳动力。
但是，目前，自动化设 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: #351916072#
备由于成本偏高，不能普及到每一个角落，一些简单的搬运如果使用目前的自动化设备搬运的话，由于成本偏高，很实现生产的正效益。介于这个原因，本文介绍了一种低成本的搬运机械手臂的设计。本文的机械手臂是基于单片机，选用的是加强型51单片机。此单片机，价格低廉，抗干扰能力强，速度是普通51单片机的10到12倍，非常适合本机械手臂的低成本特点。
1.2 本课题涉及的问题在国内（外）研究状况与发展趋势
特点
1.机械手臂要求承载能力大、刚性好、自重轻。
应承载能力在的要求，主要解决方案是大扭矩、大功率电机和液压驱动。国内的大扭矩、大功率电机与国外有很大差距，主要体现在轴承和相关材料方面。液压驱动方面，由于国内起步较晚，相关技术差距较大。刚性和自重方面主要体现在材料方面，现国外主要用铝合金等材料，对于一些要求高的机械手臂则用复合材料等高科技材料。我国在材料方面已取得长足的发展，但与欧美发达国家仍有差距。
2. 机械手臂要求位置精度高
精度方面没有极限，包括机械精度和电气精度，电气精度我国已接近发达国家，但在机械精度还有很大差距。
发展和趋势
1.大脑控制手臂
该机械臂由用户的思维完全控制，灵活到可以拿起一个玻璃杯，在没有其他人的帮忙的情况下可以喝掉一杯饮品。这个机械臂的创作者一个研究小组，研究的人员来自于加州理工学院等机构，其中神经芯片被植入Sorto的大脑后的顶叶皮层（PPC）。
该机器臂控制芯片的植入位置与之前其他瘫痪用户控制机械臂的植入位置有所差别，通常情况下，对于这类控制芯片植入的位置是控制肌肉的大脑区域，而PPC则是掌管我们行动想法的区域，移动，并让Erik Sorto控制的机械臂越发流畅和自如地运动。Erik Sorto要做的就是思索他计划做什么，并通过诸多的操练，能够使机械臂进行他目前在思考的任务。
2.橡胶机器手臂
科学家们已经开发出了橡胶机器手臂，这种机器手臂可抓起蚂蚁而不是将其捏死。现在这一类型的机械手臂还在研究发展阶段，科学家们将一些电线放进液体的硅橡胶中，待其凝固后取出电线，获得一个长58mm，头发细丝的触手。触手里面的部分是许多小方格，通过压缩空气流动来完成各类动作，可以毫发无伤的握起蚂蚁的腰部。
存在问题
机械手臂在很多工业场合和很多非工业场合都已应用，但价格高昂，难以普及。机械手臂的智能化还不够高，很多场合还不能完全替代人。
1.3 本课题的研究内容
主要研究内容为单片机控制机械手臂的功能实现。包括舵机的原理及运用，单片机的原理及运用，上位机软件的编写。机械手臂包括机械爪夹紧工件、机械臂腕部旋转、机械臂整体的升降旋转以及机械臂前后的伸缩动作四个自由度，四个自由度通过舵机的驱动实现，控制系统采用单片机进行控制，这样的配置可以基本满足自动化生产线上工件在各个工位之间的传递和定位的要求。
本课题的研究内容：
机械手臂的结构设计，包括材料的选择、零件的选择和结构方案。
单片机的选择和单片机程序的编写。
上位机环境的选择和上位机程序的编写。
机械手臂的动作实验研究。
第二章 机械手臂结构设计
2.1材料的选择
考虑到机械手臂的使用环境，机械手臂应满足以下特点：
机械手臂一般用于工业场景，如车间等环境，要求机械手臂具有一定的耐腐蚀性。
机械手臂要有一定的灵活性，重量不能太重，这样可以节约能源，所以要求机械手臂重量要轻。
机械手臂一般用于夹持零件，为了不损坏零件，要求机械手的硬度不能太大。
基于以上对机械手臂的要求，采用铝合金材料，表面黑色氧化处理。铝合金密度较低，综合力学性好，硬度不太大，符合上术2、3点的要求，同时对它进行表面黑色氧化处理，增加了它的耐腐蚀性。
2.2零件的选择
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