基于51单片机的三爪机械臂设计

龙王涛 吴昊阳 张钧鼎

（沈阳理工大学 辽宁沈阳 110159）

基于51单片机的三爪机械臂设计

龙王涛 吴昊阳 张钧鼎

（沈阳理工大学 辽宁沈阳 110159）

在制造行业中，使用最多的就是三爪机械臂，具有很大的市场应用价值,本文对机械臂和爪子进行了系统的设计和计算,并采用51单片机对三爪机械臂进行控制，使其能够移动爪取物体。将三爪机械臂安装在小型多用途移动作业机器人的智能平台上，可执行生产、加工以及爆炸物处理等特殊的任务。

三爪机械臂；51单片机;控制;电机

0 前言

所谓的三爪机械臂是指将改良后的机器爪安装在一个自由度很高的机械上。机械臂是在设备自动化过程中发展起来的新型装置，有着不断重复工作和劳动、不怕危险等特点。广泛应用于军事领域和工业生产中。具有安全可靠、隐蔽性好、可行性高、成本低、效率高、性能稳定、意外伤害少、管理成本低、避免人员伤害和损失等特点。其应用程度是军事和工业先进程度的重要体现。对三指机器爪的开发，安装在机械结构上，使其能够自动实现转移物体的功能，扩展其应用范围，增加实用性。在三爪机械臂的设计过程中将主要解决运动的传动、轴的固定、直流电机传动稳定性问题。同时由于加工条件和资金有限，在设计过程中，将尽量减轻各部件的质量，并简化机械结构使直流电机能够带动各部件正常运转。目前市场上的同类产品中技术和性能比较好的都是进口产品或外资企业生产的产品，而我国的本土企业由于技术和性能等方面的限制只能降低价格，这直接影响企业利益。所以本文三爪机械臂进行了相应的研究设计。

1 整体方案设计

设计主要围绕三个方面展开：机械、电路和控制。使用51单片机来控制电机的正反转，通过对齿轮、轴等结构的控制将电机的转动转换为三爪机械臂的运动实现转移物体的动作。控制模块选用STC89C52RC单片机作为主控芯片。该单片机在目前使用最多的是51芯片。在融合了传统51的优点的同时，作为增强型芯片，其运算速度、稳定可靠性比较好。同时，价格便宜，是较好的选择。总体系统框图如下图1所示。

图1 系统总体框图

2 机械臂的设计

三爪机械臂是由五部分组成，支架、底座、大臂、小臂、爪子。为提高装置的工作效率，一方面我们在选择材料上选择了密度较小了铝合金，另一方面为了尽量减轻负载，我们尽量调节臂的长度，这样就可以提高装置的工作效率。

各部分的功能及作用如下

支架：起支撑作用为机械臂提供一个稳定的活动平台，并在其上安装为底座提供动力的直流电机以及单片机等控制部件。

底座：通过支架上的直流电机经齿轮传动可实现 360度的旋转为三爪机械臂提供一个自由度，底座上有一个固定支撑架（85mm）用以增加机械臂的活动范围，同时两固定支撑架之间装有一小衡量、轴、齿轮为大臂提供支撑并实现大臂的运动。底座下安装三个万象球可使其运动稳定，传动平稳。

大臂：大臂（80mm）通过底座上的电机实现与底座方向垂直的运动，与底座相同的固定支撑架结构为小臂提供支撑并实现其运动。

小臂：和大臂在同一平面内运动，在其上固定爪子和为爪子提供动力的直流电机

爪子：实现抓取和释放物体的动作

三个爪通过两个小直角支撑件固定在底部圆盘上，三爪间互成 120度闭合时能够完全封闭，当爪取物体时物体不会掉落。每个爪通过外侧的小弹簧使爪子能够自动的张开。由于爪子部分质量重，负载大所以出于稳定性考虑爪子的动力源选择直流电机。当要爪取物体是旋转爪子下的直流电机带动小滑轮转动，使固定在爪和滑轮间的硬质细线在滑轮上缠绕同时将爪子拉紧，使爪子能够抓住物体，当三爪机械臂移动到指定位置时，反转电机到初始位置，爪子打开将物体释放，实现转移物体的功能。固定爪子的圆盘通过螺柱与连接在小臂上的圆盘相连，使二者间有足够的空间来安装为爪子闭合提供动力的直流电机以及缠绕细线的小滑轮。

3 传动装置的设计

由于所用电机为12V、100r/min的，电机转速较快且三爪机械臂自身质量较大，运动过程中很难实现到达指定位置抓取物体，且转速过快会增加机械结构的负担破坏结构。所以三爪机械臂底座的旋转、大臂小臂的运动均选用齿轮传动，齿轮模数M=2，大齿齿数Z1=44，小齿齿数Z2=13，传动比i=Z1/Z2=3。经齿轮减速后转速大幅度下降，易于控制定位并保护了机械结构，而且齿轮传动传动比稳定，可靠性好，装配简单方便是本课题的最佳选择。由于底座实现旋转运动，由齿轮轴直接固定在底座上即可。大臂、小臂部分需将齿轮轴固定在支撑架上并在轴上固定横板，再将机械臂固定在横板上才可实现臂垂直于底板的运动，但由于所用横板材料为铝合金而轴的材料是钢所以不能直接焊接在一起，于是决定在横板上加支架，将支架固定在横板上用支架固定轴。加支架后运动平稳可实现。

电机驱动方面选择的是L298电机驱动芯片，L298是双H桥直流电机驱动芯片，能够为电机提供5～48v，2.5A的电流。其内部有A，B两相，能够提供4个输出。并且通过输入端输入10信号，在输出端能够得到相应的高低电平。同时，其最大40khz的频响特性，能够在的系统中较好的满足电机调速需求。

本文使用的L298模块，经过多次实验，该模块可靠稳定，能够满足常用两相四线步进电机以及直流电机的控制功能。电机驱动模块的电路连接图如下图2所示。

4 电源模块的设计

在该系统中，我们使用直流稳压电源作为电源的提供端。直流稳压电源输出12v电压，供整个系统使用。其中，12v提供给L298模块，作为电机的动力源。然后通过7805，将12v转换为5v，为单片机提供5v电源。

在设计过程中，我们分别测量了在接通电机时，7805输入端以及输出端的电压情况，并发现，当电机接通的瞬间，输入会有一定的波动。同时导致输出端的小幅度波动，但在可接受范围内。为了消除这个现象，我们采用并联大电容的措施。在输入端，我们并联了两个 220uF的电解电容，作为平波电容。同时为了消除高频噪声，我们在输入端电解电容旁加了 104的电容。在输出端，加了 100uF的电解电容做平波用。同时加 104电容以获得更好的电源波形。经过测试，其电压波动降低，控制在可接受范围内。

4 结语

本文通过51单片机编写代码程序，来控制电机的驱动和转向，从而达到控制三爪机械臂抓取物体的功能；但是实际的工厂生产中，需要的机械臂整个质量非常的大，要求位置的精度更高，需要更大功率的电机来驱动，本文主要解决的问题是运动的传动转换控制，并且能够平稳的拿取轻小型的物体，完成三爪机械臂的抓取整体动作。具有一定的经济实用价值和研究前景。

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[3]杜滨.全方位移动机械臂协调规划与控制[D].北京工业大学,2013.

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1007-6344（2016）10-0192-01

龙玉涛（1995.07--）男，贵州省兴义市人，本科学历，专业：测控技术与仪器。

吴昊阳（1996.09--）男，河北省保定人，本科学历，专业：机械设计制造及其自动化。

张钧鼎（1993.07--）男，辽宁省盘锦市人，本科学历，专业：机械设计制造及其自动化。