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简易机械臂设计原理及方案

孙志峰王存安瑞

摘要：探讨基于89C51单片机的简易机械臂设计原理，给出一种简单

易行的设计方案，满足在三维空间手动控制抓、放物体的基本功能。

设计包括仿真和具体实现两个方面。

关键词：单片机步进电机机械臂

0前言

机械臂也可以称为工业机器人，在现代的工业生产中有着巨大的

作用，是衡量一个国家工业自动化的重要指标。我国目前已安装的国

产工业机器人，约占全球已安装数目的0.4%与发达国家相比有着巨

大的差距。本篇为单片机初学者提供一种应用实例—单片机控制机械

臂，将从工作原理、硬件电路设计、程序编写三个方面展开论述。

1工作原理

我们利用89C51单片机研制一种三自

由度机械臂，它可以在三维空间做曲线运

动。该机械臂的几何结构如图1所示，它

由底座、大臂、小臂、关节、二指钳组成。

大臂绕底座在水平面上转动；小臂通过关

节1控制可在大臂和小臂组成的平面内

转动；二指钳通过关节2的控制抓取或放

开物体；关节1和底座各包含一个步进电

机，步进电机在单片机和相应的步进电机驱动程序的控制下转动，实

现机械臂在三维空间中的自由转动；关节2则包含一个电磁继电器，

单片机通过电磁继电器控制电路和相应的物理结构控制二指钳的抓

取和放开。

2硬件电路设计

本设计的核心电路是单片机控

制系统，其基本设计思路如图2所

示。通过键盘输入控制机械臂转

动，抓取或放开物体的信号，单片

机接收到信号后对信号进行分析

处理，产生对安放在底座和关节1

处的步进电机的控制信号以及关

节2处电磁继电器的控制信号，控

制信号进入相应的驱动电路控制

机械臂的转动和对目标物体的抓

取和放开。下面就具体的电路进行

设计。

2.1按键输入电路

按键输入电路如图3所示，该电路原理简单，没

有信号输入时输出为高，有信号输入时为低电平，即

低电平有效。

由于按键的结构为机械弹性开关，在按下和断开

操作时，触点在闭合和断开的瞬间会接触不稳定产生抖动。按键的抖

动时间一般为5—1Oms，会引起CPU对一次键操作进行多次处理，所以

要用硬件或软件方法进行消抖，为了节省开支，这里采用了软件消抖

的方法。具体的做法就是在判断键有没有闭合时加入延时来避开抖

动。为了避免误操作，要使每次按键只进行一次操作，需要对按键有

没有释放进行判断，同样引入延时判断环节，保证操作正常。

2.2单片机控制分析电路

单片机控制分析电路如图4所示，此电路由单片机最小系统和一

个按键输入系统构成。

2.3步进电机驱动控制电路

步进电机用的是12V的两相四线直线步进电机，步进电机的正反

转控制输入直接用两个按键，通过单片机读入开关状态从而选择电机

的正反转程序运行，驱动电路芯片选用L298。

L298可驱动电感性负载，1脚和15脚下管的发射极分别单独引

出以便接入电流采样电阻，形成电流传感信号。L298可驱动2个电

动机，OUT1、OUT2和OUT3、OUT4之间可分别接电动机，我们选用驱

动一台步进电动机。则根据L298驱动芯片的应用原理和本次选用步

进电机的情况，本设计的驱动电路如图5。图中L298N的5~7、

10-12管脚接89C51的P2口，其中5、7、l0、12脚用于接收单片

机输出的脉冲，根据控制输入按键的键值以控制步进电机进行正反

转，对于步进电机的速度控制则直接采用软件方法，改变脉冲间隔来

实现。6、11管脚是使能端，在应用时通过软件使其为高电平就可以

了。

2.4电磁驱动控制电路

电磁驱动控制电路如图6，因为51单片机的电流很小，所以加

了一个10K的上拉电阻，同时因为51单片机复位时是高电平，而我

们一般不希望继电器复位时就打开，所以用了9012PNP三极管，当

P1.0高电平时断，低电平时通。二极管4148是线圈断开时的续流二

极管，防止涌浪，1N400X也可以。LED为指示作用，方便观测继电器

的通断。

3程序设计

本篇只介绍程序的设计思路不涉

及具体的程序，程序流程图如图7所

示。编写程序是移动程序和抓取程序是

重点，尤其是要用定时器选择好定时基

准时间。

4结语

本篇从软硬件两方面介绍了基于单片机控制的简易机械臂设计

方案，经过