六自由度机械手的驱动和控制系统设计(附件)
摘 要摘 要 在制造生产过程中，机械手臂使用越来越广泛。机械手臂不仅提高了产品的生产效率、增加企业盈利，也减轻了人类的工作负担，使人类远离了高危险、高重复性的工作环境，所以对于机械手臂的研究对工业生产自动化具有重要的意义。本次课程的任务是进行控制系统的设计，实验室已经给定了六自由度机械手臂的模型。机械手臂中总共有6个舵机，所以在进行控制系统设计的时候，要实现对六个舵机的控制，使得机械手臂完成一定的动作。经过对于机械手臂的机械结构分析和舵机控制原理的研究学习，采用MSP430F149系列的单片机作为控制器对六自由度机械手臂进行控制，通过C语言编程使机械手臂中的六个舵机旋转到一定的角度，再结合金属码盘输出脉冲进行反馈从而完成一个精度比较高的动作。本次设计完成了硬件电路(模块化设计)和软件系统的设计，绘制了原理图和PCB图、验证了机械手臂硬件电路的正确性、实现了机械手臂的运动。关键词：机械手；反馈；舵机；控制；单片机 目 录
第一章 绪论 1
1.1 研究背景、意义及目的 1
1.2 国内外发展现状 1
1.3 机械手臂简介 2
1.4 机械臂控制系统发展情况、语言及编程模式 6
1.4.1 机械臂控制系统发展情况 6
1.4.2 机械臂语言及编程模式 6
1.5 本章小结 7
第二章 六自由度机械手臂控制系统总体设计 8
2.1 引言 8
2.2 控制系统总体方案设计 8
2.3 单片机选型 8
2.3.1控制芯片的选择 9
2.3.2 MSP430F149功能及引脚图 12
2.4 舵机 13
2.4.1舵机的分类及工作原理.............................................................................13 2.4.2舵机的结构...............................................................................................
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: %3^5`1^9`1^6^0`7^2#
1舵机的分类及工作原理.............................................................................13 2.4.2舵机的结构....................................................................................................15
2.5 反馈检测 16
2.6 本章小结 18
第三章 六自由度机械手臂控制系统的硬件设计 19
3.1 MSP430F149芯片外围电路设计 19
3.1.1 复位电路设计 19
3.1.2 晶振电路设计 19
3.2 电源设计模块 21
3.3 舵机驱动模块 24
3.4 反馈检测模块 25
3.5 程序下载模块 26
3. 6硬件开发工具以及PCB设计................................................................................27
3.6.1 硬件开发工具................................................................................................27
3.6.2 PCB设计.........................................................................................................28
3.7本章小结 29
第四章 六自由度机械手臂控制系统的软件设计 30
4.1 MSP430软件开发环境 30
4.2可调PWM信号的形成 31
4.3 UART串口通信 33
4.4 反馈 35
4.5 本章小结 37
第五章 控制系统的调试 38
5.1 硬件电路的调试 38
5.2 软件系统的调试 39
5.3 本章小结 41
结 语 42
致 谢 43
参考文献 44
附录 45
第一章 绪论
1.1 研究背景、意义及目的
在工业生产制造的过程中，经常会使用到机械手臂。机械手臂能够抓取工件并且将工件移动到指定位置。机器人技术是随着电子计算机技术发展起来的，是高科技领域近几年兴起的一种新兴技术。机器人技术中包含有很多的其他技术：单片机技术、传感器技术、控制技术、机械技术等，是一种非常经典的机电一体化机器。机器人技术的出现大大促进了工业的发展，同时避免了工人与高危险的工作环境接触，保证了工人的工作安全同时又增加了各机械公司的利润。在机械手日益使用广泛的情况下，对于机械手的驱动及控制系统的设计也益显重要。可想而知，机械手臂如果要执行任务，没有控制系统是万万不行的，所以控制系统是保证机械手臂能够运动的重要一环。机械手臂的控制系统用来操纵机械手臂的运动，可以规定机械手的运动速度、加速度以及位置等等，即通过设置机械手的一些控制参数来使得机械手按照作业的要求运动。因此，六自由度机械手的驱动及控制系统的设计这一选题是非常重要、有意义的。
本课题的目的是设计出控制系统，通过将编程好的程序下载到单片机中以驱动机械手臂完成某一规定的动作。在提供的六自由度机械手臂模型的基础上，为了简化其程序，舵机并不是实现联动，而是一个一个的逐次运动。
1.2 国内外发展现状
除了餐饮机器人外的大部分的机器人都是工业机器人，最初的工业机器人就是机械手臂。由于机械手臂工作时工作精度高并且能够在恶劣的环境下工作，所以机械手臂经常用在冶金这种重工业、原子能这种高危险工业中，同时也经常用在电子焊接这种精密操作的场合。在现代的生产制造过程中，产品的生产越来越追求机械化与自动化的结合。时代在不断的更替，科学技术也在不断的向前发展，产品的更新换代更是频繁，生产方式已经从大批量生产转换为中、小批量生产，所以为了适应这种变化，作为现代最新水平的柔性制造系统（FMS）和工厂自动化（FA）技术的重要组成部分的机械手臂技术也得到了快速的发展[1]。
在20世纪上半年代的时候，机械手臂最先被应用于美国。最初的机械手臂的用途就是搬运一些对人体直接或者间接造成危害的材料，在随后的发展中机械手臂的用途越来越多样化。随着时代不断发展，在国外工业界中，机器人手臂已经发展为一种标准机械，并且涌现出一批知名度高、大规模的机器人公司，包括：澳大利亚的Wittmann，德国的KUKA，日本的Yushin、HARMO、STAR等等，这些公司已经成为了它们所在国家的支柱企业[2]。
我国机器人的研究与开发要比国外晚了大概30年，虽然我国的机器人行业开始的比较晚，但是，我国却对机器人行业投入了大量的关注。进入20世纪90年代后期，我国开始投入大量人力、物力在机器人行业中，积极地学习国外的先进的机械知识，努力提高自身的科技素养。经过了这几十年的努力，由我国自主开发的机械手臂已经成功跃步到世界的前端，例如：富井机械手臂、精锐机械手APEX、天行机械手alfarobot、哈立机械手harly、川一机械手等等，其中一部分产品甚至实现了小批量生产。现在，机械手臂的研发途径主要有三种：研究院独自开发、企业独自研究制造、企业与研究院合作一起开发。如果企业
第一章 绪论 1
1.1 研究背景、意义及目的 1
1.2 国内外发展现状 1
1.3 机械手臂简介 2
1.4 机械臂控制系统发展情况、语言及编程模式 6
1.4.1 机械臂控制系统发展情况 6
1.4.2 机械臂语言及编程模式 6
1.5 本章小结 7
第二章 六自由度机械手臂控制系统总体设计 8
2.1 引言 8
2.2 控制系统总体方案设计 8
2.3 单片机选型 8
2.3.1控制芯片的选择 9
2.3.2 MSP430F149功能及引脚图 12
2.4 舵机 13
2.4.1舵机的分类及工作原理.............................................................................13 2.4.2舵机的结构...............................................................................................
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: %3^5`1^9`1^6^0`7^2#
1舵机的分类及工作原理.............................................................................13 2.4.2舵机的结构....................................................................................................15
2.5 反馈检测 16
2.6 本章小结 18
第三章 六自由度机械手臂控制系统的硬件设计 19
3.1 MSP430F149芯片外围电路设计 19
3.1.1 复位电路设计 19
3.1.2 晶振电路设计 19
3.2 电源设计模块 21
3.3 舵机驱动模块 24
3.4 反馈检测模块 25
3.5 程序下载模块 26
3. 6硬件开发工具以及PCB设计................................................................................27
3.6.1 硬件开发工具................................................................................................27
3.6.2 PCB设计.........................................................................................................28
3.7本章小结 29
第四章 六自由度机械手臂控制系统的软件设计 30
4.1 MSP430软件开发环境 30
4.2可调PWM信号的形成 31
4.3 UART串口通信 33
4.4 反馈 35
4.5 本章小结 37
第五章 控制系统的调试 38
5.1 硬件电路的调试 38
5.2 软件系统的调试 39
5.3 本章小结 41
结 语 42
致 谢 43
参考文献 44
附录 45
第一章 绪论
1.1 研究背景、意义及目的
在工业生产制造的过程中，经常会使用到机械手臂。机械手臂能够抓取工件并且将工件移动到指定位置。机器人技术是随着电子计算机技术发展起来的，是高科技领域近几年兴起的一种新兴技术。机器人技术中包含有很多的其他技术：单片机技术、传感器技术、控制技术、机械技术等，是一种非常经典的机电一体化机器。机器人技术的出现大大促进了工业的发展，同时避免了工人与高危险的工作环境接触，保证了工人的工作安全同时又增加了各机械公司的利润。在机械手日益使用广泛的情况下，对于机械手的驱动及控制系统的设计也益显重要。可想而知，机械手臂如果要执行任务，没有控制系统是万万不行的，所以控制系统是保证机械手臂能够运动的重要一环。机械手臂的控制系统用来操纵机械手臂的运动，可以规定机械手的运动速度、加速度以及位置等等，即通过设置机械手的一些控制参数来使得机械手按照作业的要求运动。因此，六自由度机械手的驱动及控制系统的设计这一选题是非常重要、有意义的。
本课题的目的是设计出控制系统，通过将编程好的程序下载到单片机中以驱动机械手臂完成某一规定的动作。在提供的六自由度机械手臂模型的基础上，为了简化其程序，舵机并不是实现联动，而是一个一个的逐次运动。
1.2 国内外发展现状
除了餐饮机器人外的大部分的机器人都是工业机器人，最初的工业机器人就是机械手臂。由于机械手臂工作时工作精度高并且能够在恶劣的环境下工作，所以机械手臂经常用在冶金这种重工业、原子能这种高危险工业中，同时也经常用在电子焊接这种精密操作的场合。在现代的生产制造过程中，产品的生产越来越追求机械化与自动化的结合。时代在不断的更替，科学技术也在不断的向前发展，产品的更新换代更是频繁，生产方式已经从大批量生产转换为中、小批量生产，所以为了适应这种变化，作为现代最新水平的柔性制造系统（FMS）和工厂自动化（FA）技术的重要组成部分的机械手臂技术也得到了快速的发展[1]。
在20世纪上半年代的时候，机械手臂最先被应用于美国。最初的机械手臂的用途就是搬运一些对人体直接或者间接造成危害的材料，在随后的发展中机械手臂的用途越来越多样化。随着时代不断发展，在国外工业界中，机器人手臂已经发展为一种标准机械，并且涌现出一批知名度高、大规模的机器人公司，包括：澳大利亚的Wittmann，德国的KUKA，日本的Yushin、HARMO、STAR等等，这些公司已经成为了它们所在国家的支柱企业[2]。
我国机器人的研究与开发要比国外晚了大概30年，虽然我国的机器人行业开始的比较晚，但是，我国却对机器人行业投入了大量的关注。进入20世纪90年代后期，我国开始投入大量人力、物力在机器人行业中，积极地学习国外的先进的机械知识，努力提高自身的科技素养。经过了这几十年的努力，由我国自主开发的机械手臂已经成功跃步到世界的前端，例如：富井机械手臂、精锐机械手APEX、天行机械手alfarobot、哈立机械手harly、川一机械手等等，其中一部分产品甚至实现了小批量生产。现在，机械手臂的研发途径主要有三种：研究院独自开发、企业独自研究制造、企业与研究院合作一起开发。如果企业
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