龍王濤 吳昊陽 張鈞鼎

（沈陽理工大學(xué) 遼寧沈陽 110159）

基于51單片機的三爪機械臂設(shè)計

龍王濤 吳昊陽 張鈞鼎

（沈陽理工大學(xué) 遼寧沈陽 110159）

在制造行業(yè)中，使用最多的就是三爪機械臂，具有很大的市場應(yīng)用價值,本文對機械臂和爪子進行了系統(tǒng)的設(shè)計和計算,并采用51單片機對三爪機械臂進行控制，使其能夠移動爪取物體。將三爪機械臂安裝在小型多用途移動作業(yè)機器人的智能平臺上，可執(zhí)行生產(chǎn)、加工以及爆炸物處理等特殊的任務(wù)。

三爪機械臂；51單片機;控制;電機

0 前言

所謂的三爪機械臂是指將改良后的機器爪安裝在一個自由度很高的機械上。機械臂是在設(shè)備自動化過程中發(fā)展起來的新型裝置，有著不斷重復(fù)工作和勞動、不怕危險等特點。廣泛應(yīng)用于軍事領(lǐng)域和工業(yè)生產(chǎn)中。具有安全可靠、隱蔽性好、可行性高、成本低、效率高、性能穩(wěn)定、意外傷害少、管理成本低、避免人員傷害和損失等特點。其應(yīng)用程度是軍事和工業(yè)先進程度的重要體現(xiàn)。對三指機器爪的開發(fā)，安裝在機械結(jié)構(gòu)上，使其能夠自動實現(xiàn)轉(zhuǎn)移物體的功能，擴展其應(yīng)用范圍，增加實用性。在三爪機械臂的設(shè)計過程中將主要解決運動的傳動、軸的固定、直流電機傳動穩(wěn)定性問題。同時由于加工條件和資金有限，在設(shè)計過程中，將盡量減輕各部件的質(zhì)量，并簡化機械結(jié)構(gòu)使直流電機能夠帶動各部件正常運轉(zhuǎn)。目前市場上的同類產(chǎn)品中技術(shù)和性能比較好的都是進口產(chǎn)品或外資企業(yè)生產(chǎn)的產(chǎn)品，而我國的本土企業(yè)由于技術(shù)和性能等方面的限制只能降低價格，這直接影響企業(yè)利益。所以本文三爪機械臂進行了相應(yīng)的研究設(shè)計。

1 整體方案設(shè)計

設(shè)計主要圍繞三個方面展開：機械、電路和控制。使用51單片機來控制電機的正反轉(zhuǎn)，通過對齒輪、軸等結(jié)構(gòu)的控制將電機的轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)換為三爪機械臂的運動實現(xiàn)轉(zhuǎn)移物體的動作?？刂颇K選用STC89C52RC單片機作為主控芯片。該單片機在目前使用最多的是51芯片。在融合了傳統(tǒng)51的優(yōu)點的同時，作為增強型芯片，其運算速度、穩(wěn)定可靠性比較好。同時，價格便宜，是較好的選擇。總體系統(tǒng)框圖如下圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體框圖

2 機械臂的設(shè)計

三爪機械臂是由五部分組成，支架、底座、大臂、小臂、爪子。為提高裝置的工作效率，一方面我們在選擇材料上選擇了密度較小了鋁合金，另一方面為了盡量減輕負載，我們盡量調(diào)節(jié)臂的長度，這樣就可以提高裝置的工作效率。

各部分的功能及作用如下

支架：起支撐作用為機械臂提供一個穩(wěn)定的活動平臺，并在其上安裝為底座提供動力的直流電機以及單片機等控制部件。

底座：通過支架上的直流電機經(jīng)齒輪傳動可實現(xiàn) 360度的旋轉(zhuǎn)為三爪機械臂提供一個自由度，底座上有一個固定支撐架（85mm）用以增加機械臂的活動范圍，同時兩固定支撐架之間裝有一小衡量、軸、齒輪為大臂提供支撐并實現(xiàn)大臂的運動。底座下安裝三個萬象球可使其運動穩(wěn)定，傳動平穩(wěn)。

大臂：大臂（80mm）通過底座上的電機實現(xiàn)與底座方向垂直的運動，與底座相同的固定支撐架結(jié)構(gòu)為小臂提供支撐并實現(xiàn)其運動。

小臂：和大臂在同一平面內(nèi)運動，在其上固定爪子和為爪子提供動力的直流電機

爪子：實現(xiàn)抓取和釋放物體的動作

三個爪通過兩個小直角支撐件固定在底部圓盤上，三爪間互成 120度閉合時能夠完全封閉，當爪取物體時物體不會掉落。每個爪通過外側(cè)的小彈簧使爪子能夠自動的張開。由于爪子部分質(zhì)量重，負載大所以出于穩(wěn)定性考慮爪子的動力源選擇直流電機。當要爪取物體是旋轉(zhuǎn)爪子下的直流電機帶動小滑輪轉(zhuǎn)動，使固定在爪和滑輪間的硬質(zhì)細線在滑輪上纏繞同時將爪子拉緊，使爪子能夠抓住物體，當三爪機械臂移動到指定位置時，反轉(zhuǎn)電機到初始位置，爪子打開將物體釋放，實現(xiàn)轉(zhuǎn)移物體的功能。固定爪子的圓盤通過螺柱與連接在小臂上的圓盤相連，使二者間有足夠的空間來安裝為爪子閉合提供動力的直流電機以及纏繞細線的小滑輪。

3 傳動裝置的設(shè)計

由于所用電機為12V、100r/min的，電機轉(zhuǎn)速較快且三爪機械臂自身質(zhì)量較大，運動過程中很難實現(xiàn)到達指定位置抓取物體，且轉(zhuǎn)速過快會增加機械結(jié)構(gòu)的負擔破壞結(jié)構(gòu)。所以三爪機械臂底座的旋轉(zhuǎn)、大臂小臂的運動均選用齒輪傳動，齒輪模數(shù)M=2，大齒齒數(shù)Z1=44，小齒齒數(shù)Z2=13，傳動比i=Z1/Z2=3。經(jīng)齒輪減速后轉(zhuǎn)速大幅度下降，易于控制定位并保護了機械結(jié)構(gòu)，而且齒輪傳動傳動比穩(wěn)定，可靠性好，裝配簡單方便是本課題的最佳選擇。由于底座實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)運動，由齒輪軸直接固定在底座上即可。大臂、小臂部分需將齒輪軸固定在支撐架上并在軸上固定橫板，再將機械臂固定在橫板上才可實現(xiàn)臂垂直于底板的運動，但由于所用橫板材料為鋁合金而軸的材料是鋼所以不能直接焊接在一起，于是決定在橫板上加支架，將支架固定在橫板上用支架固定軸。加支架后運動平穩(wěn)可實現(xiàn)。

電機驅(qū)動方面選擇的是L298電機驅(qū)動芯片，L298是雙H橋直流電機驅(qū)動芯片，能夠為電機提供5～48v，2.5A的電流。其內(nèi)部有A，B兩相，能夠提供4個輸出。并且通過輸入端輸入10信號，在輸出端能夠得到相應(yīng)的高低電平。同時，其最大40khz的頻響特性，能夠在的系統(tǒng)中較好的滿足電機調(diào)速需求。

本文使用的L298模塊，經(jīng)過多次實驗，該模塊可靠穩(wěn)定，能夠滿足常用兩相四線步進電機以及直流電機的控制功能。電機驅(qū)動模塊的電路連接圖如下圖2所示。

4 電源模塊的設(shè)計

在該系統(tǒng)中，我們使用直流穩(wěn)壓電源作為電源的提供端。直流穩(wěn)壓電源輸出12v電壓，供整個系統(tǒng)使用。其中，12v提供給L298模塊，作為電機的動力源。然后通過7805，將12v轉(zhuǎn)換為5v，為單片機提供5v電源。

在設(shè)計過程中，我們分別測量了在接通電機時，7805輸入端以及輸出端的電壓情況，并發(fā)現(xiàn)，當電機接通的瞬間，輸入會有一定的波動。同時導(dǎo)致輸出端的小幅度波動，但在可接受范圍內(nèi)。為了消除這個現(xiàn)象，我們采用并聯(lián)大電容的措施。在輸入端，我們并聯(lián)了兩個 220uF的電解電容，作為平波電容。同時為了消除高頻噪聲，我們在輸入端電解電容旁加了 104的電容。在輸出端，加了 100uF的電解電容做平波用。同時加 104電容以獲得更好的電源波形。經(jīng)過測試，其電壓波動降低，控制在可接受范圍內(nèi)。

4 結(jié)語

本文通過51單片機編寫代碼程序，來控制電機的驅(qū)動和轉(zhuǎn)向，從而達到控制三爪機械臂抓取物體的功能；但是實際的工廠生產(chǎn)中，需要的機械臂整個質(zhì)量非常的大，要求位置的精度更高，需要更大功率的電機來驅(qū)動，本文主要解決的問題是運動的傳動轉(zhuǎn)換控制，并且能夠平穩(wěn)的拿取輕小型的物體，完成三爪機械臂的抓取整體動作。具有一定的經(jīng)濟實用價值和研究前景。

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G322

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1007-6344（2016）10-0192-01

龍玉濤（1995.07--）男，貴州省興義市人，本科學(xué)歷，專業(yè)：測控技術(shù)與儀器。

吳昊陽（1996.09--）男，河北省保定人，本科學(xué)歷，專業(yè)：機械設(shè)計制造及其自動化。

張鈞鼎（1993.07--）男，遼寧省盤錦市人，本科學(xué)歷，專業(yè)：機械設(shè)計制造及其自動化。