基于單片機(jī)的工業(yè)機(jī)器人控制器設(shè)計(jì)

陳丹妮 陳思德 趙建宇 劉書苑 西北民族大學(xué)

在國民經(jīng)濟(jì)和科學(xué)技術(shù)高速發(fā)展的今天，人們的生活質(zhì)量得到了極大的改善，人們在生活上對物質(zhì)的需求量逐漸增大，傳統(tǒng)的手工業(yè)生產(chǎn)方式早已無法滿足人們對各類產(chǎn)品的需求，所以工業(yè)生產(chǎn)技術(shù)亟需得到發(fā)展。工廠為了提高生產(chǎn)效率，確保生產(chǎn)質(zhì)量，逐漸開始重視工業(yè)生產(chǎn)的自動化，工業(yè)機(jī)器人作為自動化生產(chǎn)線的主要組成部分，逐漸被越來越多的生產(chǎn)企業(yè)所認(rèn)可，并投入使用。

1.研究意義

提高工業(yè)機(jī)器人的技術(shù)水平和普及程度，不僅可以提升工廠的生產(chǎn)效率、確保其產(chǎn)品的質(zhì)量，還可以改善工人的工作環(huán)境和減輕他們的工作強(qiáng)度、降低生產(chǎn)成本、節(jié)省原材料、提高生產(chǎn)力水平、解放勞動力。工業(yè)機(jī)器人正推動著我們的社會由勞動密集型向技術(shù)密集型轉(zhuǎn)型，對提高社會生產(chǎn)力和增加經(jīng)濟(jì)效應(yīng)有著非常重要的意義。機(jī)器人產(chǎn)業(yè)的發(fā)展像互聯(lián)網(wǎng)一樣改變著我們的生產(chǎn)生活方式，其發(fā)展前景十分樂觀。

2.基本原理

此次設(shè)計(jì)的工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)能完成以下幾項(xiàng)工作。進(jìn)行搬運(yùn)工作時(shí)，通過無線局域網(wǎng)遠(yuǎn)程控制完成所有操作?？刂茩C(jī)器人運(yùn)動至貨物前方，調(diào)整合適的工作角度，張開機(jī)械爪對準(zhǔn)貨物并夾緊。再發(fā)出指令，使機(jī)械臂抬起貨物，移動小車到指定位置，操縱機(jī)械臂放穩(wěn)貨物，張開機(jī)械臂，此時(shí)指令發(fā)布完畢，搬運(yùn)任務(wù)結(jié)束。此外，還可以通過裝載數(shù)字?jǐn)z像頭，將工作現(xiàn)場及周邊的情況通過視頻的形式實(shí)時(shí)發(fā)送給操作人員，讓操作人員對工作現(xiàn)場的具體環(huán)境加以了解，便于工作人員時(shí)刻了解工廠狀況。本設(shè)計(jì)的材料價(jià)格低廉，使用壽命長，操作簡單易學(xué)，達(dá)到節(jié)省人力的目的，可運(yùn)用在各工業(yè)領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效應(yīng)。

3.系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 機(jī)械臂模塊設(shè)計(jì)

機(jī)械臂是本次工業(yè)機(jī)器人控制器設(shè)計(jì)的重要組成部分。機(jī)器人行業(yè)發(fā)展至今，機(jī)械臂種類和樣式也五花八門，本次設(shè)計(jì)選用的機(jī)械臂家族中的多關(guān)節(jié)機(jī)械臂。通常，六自由機(jī)械臂可以到達(dá)空間中任意位置，但對于本設(shè)計(jì)而言，由于機(jī)械臂下連接在能自由運(yùn)動機(jī)器人小車底盤上，所以并不需要擁有完整的六個(gè)自由度，而只需四個(gè)自由度，配合小車底盤的運(yùn)動，也能完成任意位置貨物的抓取。它由四個(gè)舵機(jī)和金屬支架構(gòu)成，擁有四個(gè)自由度，金屬支架在舵機(jī)的帶動下可完成一系列動作：一號舵機(jī)帶動機(jī)械爪完成張合動作，二號舵機(jī)帶動機(jī)械爪實(shí)現(xiàn)機(jī)械爪整體旋轉(zhuǎn)動作，三號和四號舵機(jī)相互配合可完成機(jī)械臂伸縮和升降的動作。工業(yè)機(jī)器人可通過機(jī)械臂在四路舵機(jī)的配合下帶動其完成抓取、夾持、搬運(yùn)等動作。此機(jī)械臂具有結(jié)構(gòu)堅(jiān)固，重量輕慣性小，動作精準(zhǔn)，負(fù)載大，動作平穩(wěn)等優(yōu)點(diǎn)。

3.2 小車模塊設(shè)計(jì)

小車模塊是工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)動部分，相當(dāng)于機(jī)器人的“雙腿”，它能載著機(jī)器人的主體，移動到平面上的任意一個(gè)角落，配合機(jī)械臂完成貨物搬運(yùn)任務(wù)。本設(shè)計(jì)采用四輪驅(qū)動小車底盤，由四個(gè)直流減速電機(jī)帶動，通過程序的控制，可完成前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)和右轉(zhuǎn)等動作。同時(shí)，它的原地轉(zhuǎn)向功能也為機(jī)械臂提供了第五個(gè)自由度（繞z軸轉(zhuǎn)動），進(jìn)一步提高了工業(yè)機(jī)器人設(shè)計(jì)的靈活度。

3.3 線通信模塊設(shè)計(jì)

在本設(shè)計(jì)中，無線通信模塊是控制端與機(jī)器人執(zhí)行部分的一個(gè)媒介，它能將控制端的控制指令以WIFI的形式發(fā)給單片機(jī)，同時(shí)，把攝像頭傳來的視頻畫面?zhèn)鹘o控制端，以實(shí)現(xiàn)工業(yè)機(jī)器人的無線控制和遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控的功能。現(xiàn)在市面上的路由器普遍采用OpenWrt操作系統(tǒng)，此系統(tǒng)可以為設(shè)計(jì)者提供一個(gè)可以自由編輯的平臺，用戶可以自己的意愿和需要安裝程序和驅(qū)動，此時(shí)，路由器就像是裝有Linux一臺微型計(jì)算機(jī)。無線路由器與手機(jī)控制端建立連接，手機(jī)操作界面的按鈕值對應(yīng)為控制指令，將控制端發(fā)出的控制信號指令通過WIFI通道傳遞給無線路由器，無線路由器的引出線與單片機(jī)的串口相連，無線路由器接收指令信號并通過引出線將信號傳送給單片機(jī)串口，實(shí)現(xiàn)控制端通過無線模塊與單片機(jī)進(jìn)行串口通信了。指令經(jīng)單片機(jī)解析后，通過單片機(jī)串口輸出就可根據(jù)控制指令實(shí)現(xiàn)了對機(jī)械臂和小車實(shí)現(xiàn)的遠(yuǎn)程無線控制。

3.4 視頻采集模塊設(shè)計(jì)

視頻采集模塊式工業(yè)機(jī)器人的眼睛，它能將采集到的現(xiàn)場畫面，以視頻的形式實(shí)時(shí)傳給操作人員，以便工作人員對現(xiàn)場的情況進(jìn)行實(shí)時(shí)的掌握和了解，并操縱機(jī)器人完成相應(yīng)的工業(yè)生產(chǎn)任務(wù)。它的工作原理是將圖像傳感器捕捉到的光信號轉(zhuǎn)換為電信號，電信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字圖像信號，數(shù)字圖像信號通過USB線傳給無線路由器，路由器內(nèi)部的驅(qū)動程序?qū)⒉杉囊曨l信息通過無線局域網(wǎng)實(shí)時(shí)傳送給控制段程序。

4.工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)展望

雖然工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)的各項(xiàng)功能已基本實(shí)現(xiàn)，但還存在一些缺陷和不足。如運(yùn)用到生產(chǎn)實(shí)踐中，可以進(jìn)行如下改進(jìn)和補(bǔ)充：

（1）可以在工業(yè)機(jī)器人上增加溫度、濕度、氣體或聲音傳感器，讓操作人員對工業(yè)現(xiàn)場的環(huán)境有全方位的了解。

（2）可以把機(jī)械臂一些常用的動作比如抓取和放下貨物，分別設(shè)定成兩個(gè)固定的動作組，用兩個(gè)按鍵就可控制，而不用分別操作機(jī)械臂的四個(gè)自由度，以提高工作效率和節(jié)省了人力。

（3）目前工業(yè)機(jī)器人為手動控制，對一些往復(fù)、單調(diào)的搬運(yùn)工作，可讓機(jī)器人實(shí)現(xiàn)自動控制。