基于單片機控制的六自由度自動(dòng)尋跡機械人的設計與實(shí)現

摘要：隨著(zhù)自動(dòng)化技術(shù)的普及，為了解決工廠(chǎng)勞動(dòng)力缺乏的問(wèn)題，利用MSP430芯片控制能力強，設計靈活，以及編程語(yǔ)言易于修改等優(yōu)點(diǎn)，采用軟件設計和硬件設計相結合，設計了該六自由度自動(dòng)尋跡機械人，以便進(jìn)行物科搬運工作，利用編輯器運行程序、調試時(shí)間、運行的步驟，將寫(xiě)好的程序導入仿真硬件電路中，查看是否與設計要求的一致，該設計具有性能穩定，功耗低，價(jià)格低廉，安全可靠，操作方便等特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：六自由度;自動(dòng)尋跡;機械人;單片機

當代科學(xué)技術(shù)發(fā)展的特點(diǎn)之一就是機械技術(shù)，電子技術(shù)和信息技術(shù)的結合，機器人就是這種結合的產(chǎn)物之一?，F代機器人都是由機械發(fā)展而來(lái)。與傳統的機器的區別在于，機器人有計算機控制系統，因而有一定的智能，人類(lèi)可以編制動(dòng)作程序，使它們完成各種不同的動(dòng)作。六自由度自動(dòng)尋跡搬運機器人就是其中一種，這種搬運機器人不但能夠代替人的某些功能，有時(shí)還能超過(guò)人的體力能力，可以24小時(shí)甚至

更長(cháng)時(shí)間連續重復運轉，還可以承受各種惡劣環(huán)境，因此，搬運機器人是人體局部功能的延長(cháng)和發(fā)展。

本設計主要應用單片機MSP430作為控制核心，直流電機、熱釋電型紅外傳感器等相結合的系統。它充分發(fā)揮了單片機的性能，其優(yōu)點(diǎn)硬件電路簡(jiǎn)單，軟件功能完善，控制系統可靠，性?xún)r(jià)比較高等特點(diǎn)，具有一定的使用和參考價(jià)值。

1 系統原理

1.1 自動(dòng)尋跡模塊的系統原理

本設計中自動(dòng)尋跡模塊主要由單片機及其外同電路、紅外尋跡電路、直流電機控制電路等組成。正常工作時(shí)，單片機循環(huán)檢測紅外尋跡電路輸出信號，據此產(chǎn)生直流電機控制信號，當系統檢測到工作方式發(fā)生改變時(shí)，系統進(jìn)入相應方式。其原理框圖如圖1、圖2所示。

1.2 六自由度機械手模塊的系統原理

系統的設計采用模塊化的方法，將機械于劃分為基座、手臂、手腕、手部4部分?？刂破饕訫SP430單片機為主控制器，具體控制部分框圖見(jiàn)圖3。

2 系統設計

2.1 自動(dòng)尋跡模塊硬件設計

1)基本單片機系統

尋跡機器人系統的控制核心，一般情況下以MSP430單片機片內的基本硬件資源為主，有必要時(shí)再擴展部分外部器件。在本設計中需要完成的控制比較簡(jiǎn)單，以單片機片內的基本硬件資源完全可以實(shí)現，因此不需擴展。

2)放大信號電路

采用LM324控制，LM324是四運放集成電路，它采用14腳雙列直插塑料封裝，內部包含四組形式完全相同的運算放大器，除電源共用外，四組運放相互獨立。

3)電動(dòng)機驅動(dòng)電路

所選用的電動(dòng)機為普通的直流電機，在MSP430單片機的控制下，可接一個(gè)電機驅動(dòng)芯片或者通過(guò)其他的一些原件可使電機轉動(dòng)。本系統為了設計簡(jiǎn)單，采用其他方式代替了電路驅動(dòng)芯片。

2.2 六自由度機械手模塊硬件設計

六自由度機械手是由6個(gè)伺服電機驅動(dòng)的機器手臂。除了構成手臂的4個(gè)關(guān)節、手腕1個(gè)關(guān)節外，再加上手部的夾持，實(shí)現了1個(gè)機械手的機械結構。

該控制模塊采用5 V直流電源分別為單片機和機械手臂的電機供電，電路包括手動(dòng)復位電路、晶振電路、矩陣鍵盤(pán)、用以控制單片機轉角的控制的獨立鍵盤(pán)、伺服電機接入口，并可通過(guò)顯示屏顯示被選電機標識號和該電機轉動(dòng)的角度。

3 軟件設計

本系統的軟件設計面向硬件，選用C語(yǔ)言編程。最主要部分是單片機控制電機轉動(dòng)(包括正轉反轉)、時(shí)間的延遲和PID算法，具體的設計流程圖見(jiàn)圖4和圖5。

4 系統調試

1)程序編完后，對代碼仔細逐行檢查。檢查代碼的錯誤，建立自己的代碼檢查表，對經(jīng)常易錯的地方進(jìn)行檢查。檢查代碼是否符合編程規范。

2)調試程序看是否能仿真，如果運行正常再將在編譯器中調試好的程序燒寫(xiě)至單片機。

3)在接上電源時(shí)，觀(guān)察整體電路是否按照預計設計的運作，電機是否正轉，電機是否反轉等?？筛鶕娐返倪\行情況推測出程序出錯的部分，修改程序后再經(jīng)過(guò)編譯器調試后燒到單片機，反復檢測直到能工作完全正常。

5 結束語(yǔ)

本系統為單片機的尋跡機器人系統，主要應用單片機MSP430作為控制核心，直流電機、舵機、一體紅外接收頭等相結合的系統。這個(gè)系統軟硬件設計簡(jiǎn)單，易于開(kāi)發(fā)，嚴格控制各種元件的采購成本，所以?xún)r(jià)格低廉，安全可靠，操作方便。