基于单片机的工业机器人控制器设计

陈丹妮 陈思德 赵建宇 刘书苑 西北民族大学

在国民经济和科学技术高速发展的今天，人们的生活质量得到了极大的改善，人们在生活上对物质的需求量逐渐增大，传统的手工业生产方式早已无法满足人们对各类产品的需求，所以工业生产技术亟需得到发展。工厂为了提高生产效率，确保生产质量，逐渐开始重视工业生产的自动化，工业机器人作为自动化生产线的主要组成部分，逐渐被越来越多的生产企业所认可，并投入使用。

1.研究意义

提高工业机器人的技术水平和普及程度，不仅可以提升工厂的生产效率、确保其产品的质量，还可以改善工人的工作环境和减轻他们的工作强度、降低生产成本、节省原材料、提高生产力水平、解放劳动力。工业机器人正推动着我们的社会由劳动密集型向技术密集型转型，对提高社会生产力和增加经济效应有着非常重要的意义。机器人产业的发展像互联网一样改变着我们的生产生活方式，其发展前景十分乐观。

2.基本原理

此次设计的工业机器人系统能完成以下几项工作。进行搬运工作时，通过无线局域网远程控制完成所有操作。控制机器人运动至货物前方，调整合适的工作角度，张开机械爪对准货物并夹紧。再发出指令，使机械臂抬起货物，移动小车到指定位置，操纵机械臂放稳货物，张开机械臂，此时指令发布完毕，搬运任务结束。此外，还可以通过装载数字摄像头，将工作现场及周边的情况通过视频的形式实时发送给操作人员，让操作人员对工作现场的具体环境加以了解，便于工作人员时刻了解工厂状况。本设计的材料价格低廉，使用寿命长，操作简单易学，达到节省人力的目的，可运用在各工业领域，实现企业的经济效应。

3.系统设计

3.1 机械臂模块设计

机械臂是本次工业机器人控制器设计的重要组成部分。机器人行业发展至今，机械臂种类和样式也五花八门，本次设计选用的机械臂家族中的多关节机械臂。通常，六自由机械臂可以到达空间中任意位置，但对于本设计而言，由于机械臂下连接在能自由运动机器人小车底盘上，所以并不需要拥有完整的六个自由度，而只需四个自由度，配合小车底盘的运动，也能完成任意位置货物的抓取。它由四个舵机和金属支架构成，拥有四个自由度，金属支架在舵机的带动下可完成一系列动作：一号舵机带动机械爪完成张合动作，二号舵机带动机械爪实现机械爪整体旋转动作，三号和四号舵机相互配合可完成机械臂伸缩和升降的动作。工业机器人可通过机械臂在四路舵机的配合下带动其完成抓取、夹持、搬运等动作。此机械臂具有结构坚固，重量轻惯性小，动作精准，负载大，动作平稳等优点。

3.2 小车模块设计

小车模块是工业机器人的运动部分，相当于机器人的“双腿”，它能载着机器人的主体，移动到平面上的任意一个角落，配合机械臂完成货物搬运任务。本设计采用四轮驱动小车底盘，由四个直流减速电机带动，通过程序的控制，可完成前进、后退、左转和右转等动作。同时，它的原地转向功能也为机械臂提供了第五个自由度（绕z轴转动），进一步提高了工业机器人设计的灵活度。

3.3 线通信模块设计

在本设计中，无线通信模块是控制端与机器人执行部分的一个媒介，它能将控制端的控制指令以WIFI的形式发给单片机，同时，把摄像头传来的视频画面传给控制端，以实现工业机器人的无线控制和远程视频监控的功能。现在市面上的路由器普遍采用OpenWrt操作系统，此系统可以为设计者提供一个可以自由编辑的平台，用户可以自己的意愿和需要安装程序和驱动，此时，路由器就像是装有Linux一台微型计算机。无线路由器与手机控制端建立连接，手机操作界面的按钮值对应为控制指令，将控制端发出的控制信号指令通过WIFI通道传递给无线路由器，无线路由器的引出线与单片机的串口相连，无线路由器接收指令信号并通过引出线将信号传送给单片机串口，实现控制端通过无线模块与单片机进行串口通信了。指令经单片机解析后，通过单片机串口输出就可根据控制指令实现了对机械臂和小车实现的远程无线控制。

3.4 视频采集模块设计

视频采集模块式工业机器人的眼睛，它能将采集到的现场画面，以视频的形式实时传给操作人员，以便工作人员对现场的情况进行实时的掌握和了解，并操纵机器人完成相应的工业生产任务。它的工作原理是将图像传感器捕捉到的光信号转换为电信号，电信号转化为数字图像信号，数字图像信号通过USB线传给无线路由器，路由器内部的驱动程序将采集的视频信息通过无线局域网实时传送给控制段程序。

4.工业机器人系统设计展望

虽然工业机器人系统的各项功能已基本实现，但还存在一些缺陷和不足。如运用到生产实践中，可以进行如下改进和补充：

（1）可以在工业机器人上增加温度、湿度、气体或声音传感器，让操作人员对工业现场的环境有全方位的了解。

（2）可以把机械臂一些常用的动作比如抓取和放下货物，分别设定成两个固定的动作组，用两个按键就可控制，而不用分别操作机械臂的四个自由度，以提高工作效率和节省了人力。

（3）目前工业机器人为手动控制，对一些往复、单调的搬运工作，可让机器人实现自动控制。