机械臂设计论文范文

2022-05-13

写论文没有思路的时候，经常查阅一些论文范文，小编为此精心准备了《机械臂设计论文范文(精选3篇)》，希望对大家有所帮助。摘要：在工业或日常生活中，智能机械臂因为其仿生性，给予人类巨大的帮助，大量应用于工业生产、科研考察等环境中。本系统采用STM32单片机作为机械臂核心控制器，通过移植操作系统与Qt界面到S3C2440开发板并在其上建立局域网服务器，最终实现了机械臂的多种控制方式，可以通过手机APP端、PC、感应手套对机械臂进行操控，还可以让其自动运行。

第一篇：机械臂设计论文范文

基于单片机的机械臂电子系统设计分析

摘要：单片机的机械臂电子系统设计属于机电自动化设备，是计算机技术与信息技术的融合产物。本文分析了单片机的机械臂电子系统软件和硬件的设计方案，包括系统的编程语言、规划机械臂轨迹、远程控制装置、舵机系统装置、电源电路模块，并阐述了单片机的机械臂电子系统后期调试方式。

关键词：机械臂;单片机;电子系统

引言：单片机具有体积小、重量轻、造价低等优势，在发展中得到了广泛的应用，单片机的机械臂设计在工业生产、军事、探索海洋及宇宙等工作中發挥着积极作用，以单片机的机械臂应用代替人工操作，在工作中能有效的提高工作效率，在危险行业能有效的保障施工人员安全，有极高的应用研究价值。

一、单片机的机械臂电子系统软件设计方案

(一)设计编程语言

在单片机的机械臂电子系统软件设计方面，最重要的工作环节为设计编程语言，单片机的机械臂电子系统在应用中依托于计算机技术与信息技术，在编程语言选择方面目前C语言、汇编语言以及BASIC语言应用效果较为显著[1]，各种编程语言在应用中不断摸索完善，提高与单片机的机械臂电子系统的适配能力。本文主要研究最广泛使用的C语言作为设计编程语言，其具有以下显著优势：首先，采用C语言进行编程能提供大量的数据类型及运算符号，能满足构建电子系统的各模块结构需求。其次，C语言的适用能力较强，在编程过程中可与其他编程语言合作使用。最后，C语言无需对内部寄存器和存储器进行考虑，极大的提高了编程效率。

(二)规划机械臂轨迹

在进行单片机的机械臂电子系统设计时，应结合机械臂的工作特点进行机械臂轨迹规划，机械臂在进行工作时具有重复性和复杂性，在进行机械臂轨迹策划时重点关注机械臂的运行稳定性，以确保其在进行工作时能按照规定轨迹进行工作操作，为实现这一目标，设计人员应合理策划机械臂的轨迹自由度，对机械臂运行时产生的波动进行预估计算，以规避机械臂关节转动增量突变现象。设计人员在组装机械臂时对其关节的转动范围设计时应基于不小于堵转10s这个数值，在完成机械臂的轨迹设计后，应进行关节的舵机通电情况和复位情况测试，确定其最佳复位位置以便于优化机械臂的运行平衡性。

二、单片机的机械臂电子系统各硬件设计

(一)电源电路模块设计

在电源电路模块设计中，举例由5个舵机采用+7.2V电池供电的机械臂电源电路设计，在单片机的机械臂设计中需要设计一个直流+5V稳压电路，以确保+7.2V电池电压进行稳压至+5V进行供电，在选择稳压电路芯片时，应选择低耗能、稳压电压差较小的稳压芯片，其中LM2940三端稳压芯片作为稳压电子元器件最为合适，在稳压器使用过程中随着干电池的电量减少、其内部电压也会随之降低，但由于电源的额定电压为+7.2V，LM2940稳压芯片符合最低使用电压大于5.5V的要求，在图1中C1和C2是两个电解电容，其作用是与LM2940构成典型稳压电路，C3和C4的作用是滤波，可防止LM2940自激振荡，以提高电源的稳定性。

(二)远程控制装置设计

远程控制装置是指单片机的机械臂操作在电源电路模块设计中，举例过程中可进行现场以外的工作人员通过电子控制系统对机械臂的运行工作进行调整，这种远程控制系统的诞生，能有效的便捷操作机械臂，增强了工作生产的安全性，远程控制装置主要是由传感器和控制器两部分构成的，在进行传感器设计时，设计人员应侧重于视觉传感和设计可穿戴的体感传感器，在进行控制器设计时，应选择DSP运动控制器，控制器是远程控制装置的核心内容，通过控制器操作人员可在远程进行编程算法的更改，从而改变机械臂各关节的运动轨迹，DSP运功控制器如图2所示，其中包括S曲线和T曲线等，运用IO处理功能的信号开关能及时的进行机械臂驱动和复位的远程控制。

(三)舵机系统装置设计

单片机的机械臂舵机系统装置主要包括无核心马达、电路板、齿轮、位置检测器等部件构成的驱动装置[2]。舵机系统装置的主要工作内容是指从单片机和接收机处接收工作信号，根据自身设定的基准信号进行机械臂的位置检测，以确保机械臂在工作使用中能准确到达规划设定位置，舵机的设定位置应安排在机械手臂腕、肘关节、肩关节、底座位置，通过整体的调动以确保舵机系统装置的效果正常发挥。就目前来看，在机械手臂控制系统设计中应用比较广泛的舵机为LF-20MG型号，其依靠直流电动机驱动，扭矩1.62N·m～1.96N·m、额定电压4.8V～6.6V，可以满足大部分应用场景对控制系统的需求。

三、单片机的机械臂电子系统后期调试

(一)代码检查

在进行单片机的机械臂使用之前，电子系统调试环节必不可少，设计者首先应进行编程代码的检查，严格检查工作中出现的各环节代码，在调试中及时发现代码存在问题并进行修正更改，为提高代码检查工作效率和工作准确性，设计人员可使用计算机辅助性代码检查工具进行工作，例如CodeCheck代码检查工具，该检查工具能基于CWE、SANS TOP 25、CERT等多种业界主流安全标准，针对Java、C、Python、TypeScript等多种语言的代码，进行静态检查和安全检查。设计人员可根据软件检查报告进行出现问题的代码精确定位，从而进行编程工作环节的优化。

(二)仿真调试

在完成编程代码的调试工作，设计人员应进一步进行仿真调试环节的检查，根据单片机的机械手臂使用与生产的需求制定针对性的工作仿真模拟环境进行机械臂工作运行试用，在工作过程中考察机械臂能否达成设计预期要求，进行机械臂仿真调试主要分为两种模式，一种是在线模式，创建实际环境进行系统的工作模拟，是比较常用的仿真调试方式，另一种是实时模式，在机械臂开展工作时通过电子系统记录机械臂的每一瞬间工作情况及数据，更具有精准性。设计者在进行仿真调试环节不可只使用单一的调试方法，单一的仿真调试方法将收集不全面、不客观的机械臂运行数据对后期的修改调整工作造成阻碍，将两种调试模式灵活结合运用，有利于全方位的得出系统设计运行效果，设计人员后期通过相关记录数据能进行科学有效地机械臂工作效果优化。

结语：综上所述，在进行单片机的机械臂电子系统设计时在软件与硬件设计并重，优化硬件设计的控制系统能有效的提高单片机的机械臂使用性能，在软件设计方面，增强软件系统的编程能力，提高规划机械臂轨迹的准确性，并在单片机的机械臂电子系统设计完成后做好调试工作，深入优化机械手臂的运作效果。

参考文献：

[1]庄艳.基于单片机的机械臂电子系统设计与实践[J].科学技术创新，2020(28)：50-51.

[2]程金明.基于单片机的机械手臂控制系统设计[J].南方农机，2020，51(16)：104-105.

作者：范贺

第二篇：多控机械臂物联网系统设计

摘要：在工业或日常生活中，智能机械臂因为其仿生性，给予人类巨大的帮助，大量应用于工业生产、科研考察等环境中。本系统采用STM32单片机作为机械臂核心控制器，通过移植操作系统与Qt界面到S3C2440开发板并在其上建立局域网服务器，最终实现了机械臂的多种控制方式，可以通过手机APP端、PC、感应手套对机械臂进行操控，还可以让其自动运行。同时亦可通过摄像头对机械臂进行实时监控。

关键词：手势感应机械臂局域网监控

從嵌入式技术的出现到现在，为人类带来了无数的便利，智能生活、智能生产等许多概念让人类的一系列生活方式因这一技术而改变。在工业或日常生活中，智能机械臂因为其仿生性，给予人类巨大的帮助，大量应用于工业生产、科研考察等环境中。随着嵌入式技术的发展，工业生产也越来越自动化，若是机械臂与物联网结合起来，将会使得工业生产与科考技术更加进步，通过多种控制方式与物联网系统，让机械臂具备多种功能，适应不同环境与人群，并具备各种数据传输功能，可以更好地完成工作需求。

1 总体系统设计方案

本系统使用STM32[1-2]作为机械臂终端的控制核心，通过安装蓝牙HC-05模块与无线模块，以便实现手机APP控制与手势感应控制，同时通过移植linux操作系统与Qt界面[3-5]到S3C2440开发板上，并使用串口与STM32控制的机械臂终端进行通信，添加摄像头模块，并建立服务器，为局域网内所有PC机上的Qt客户端提供控制与监视机械臂的服务。硬件系统框图如图1所示。

对于机械臂手势感应手套，主要是通过一个STM32单片机芯片作为主控制器，连接三轴加速度传感器模块与无线模块，采集人手的位置信息，再通过无线模块发送到机械臂终端。手势感应手套硬件设计如图2所示。

2 系统的主要研究功能与设计要求

本系统的主要研究功能主要概括为以下几点。

（1）如何设计一个机械臂终端作为蓝牙数据接收端，接收数据的同时让主控芯片判断数据，然后对机械臂进行操作。

（2）如何设计一个蓝牙的手机控制端的通信协议来对机械臂进行控制。

（3）如何设计一个无线手势感应手套来采集人体手臂的数据，进而实现对机械臂进行控制，其中的无线传输协议如何制定。

（4）如何让机械臂进行自动搬运功能，自动化程序如何设计。

（5）如何使用S3C2440芯片对摄像头进行控制，并采集图像数据后显示于LCD，同时设计一个服务器程序，将图片信息发送给每一个客户端，使局域网内的客户端都可以看到摄像头采集的数据。

基于以上研究功能，本系统设计要求如下。

（1）通过手机APP可以控制机械臂进行操作。

（2）机械臂可以完成一系列展示动作。

（3）机械臂有摄像头，可对机械臂或周围环境进行视频监控。

（4）可以在局域网内对机械臂进行操控。

（5）在linux或Windows操作系统上设计操控与监视的客户端软件。

3 系统的特色和创新点

本系统的特色可概括为：采用手机APP端、电脑客户端、手势感应手套及自动运行等多种控制方式，在不同的工作环境下切换适合的控制方式，使得机械臂可以更好地应用于不同的工作，减少操作难度。采用S3C2440移植Linux系统，并搭建服务器，管理机械臂终端，配合摄像头，让用户通过Qt客户端可以更好地进行远程操作，并且安全可靠，拓展性强。

本系统的创新点：采用手势感应手套对人体的手势数据进行采集，使得机械臂可以模仿人体手臂动作，可以应用于一些类人的机械控制，减少控制难度。摄像头可以监控并判断机械臂是否运动或周围的环境是否有运动的物体，通过这一功能可以监控机械臂的运动状态或无人工厂是否有人进入。

4 结语

在设计多控机械臂物联网系统时，赋予其多种控制方式与多种功能，较之普通的机械臂，有以下优点：

（1）使用手机蓝牙进行直接精确控制，使机械臂可以做出不同动作，方便快捷，适合家庭中的民用机械臂使用。

（2）使用电脑Qt客户端对机械臂进行控制，方便工业生产中的远程控制。

（3）使用手势感应手套对机械臂进行控制，使得人可以方便快捷的控制机械臂，如同控制自己的手一般，此项功能可以应用于人型机器人，比其他操控方式更能快速控制，更能适合人类形态的机器人的操控。

（4）本设计配置了实时监控的摄像头，在局域网的任意一台电脑都可以实时监控或控制机械臂，为远程控制和实时了解信息提供便利。

随着嵌入式技术的发展，工业生产也越来越自动化，若是机械臂与物联网结合起来，将会使得工业生产与科考技术更加进步，通过多种控制方式与物联网系统，让机械臂具备多种功能，适应不同环境与人群，并具备各种数据传输功能，可以更好地完成工作需求。

参考文献

[1] 蒙博宇.STM32自学笔记[M].北京：北京航空航天大学出版社，2012.

[2] 刘火良，杨森.单片机与嵌入式：STM32库开发实战指南[M].北京：机械工业出版社，2013.

[3] 冯利美，冯建.嵌入式Linux C语言程序设计基础教程[M].北京：人民邮电出版社，2013.

[4] 韩少云，奚海蛟，谌利.基于嵌入式Linux的Qt图形程序实战开发[M].北京：北京航空航天大学出版社，2012.

[5] 程姚根，苗德行.嵌入式操作系统（Linux篇）[M].北京：人民邮电出版社，2014.

作者：王胜王红心汤莉莉李大江刘进王泉涛黄思嘉孙江波

第三篇：实验教学用气动机械臂PLC控制设计

摘要：设计了一种基于PLC控制的实验教学型气动机械臂，能实现旋转和搬运功能。叙述了实验教学用气动机械臂的总体结构，给出了PLC控制系统设计和气动驱动系统设计。控制程序采用“化整为零，积零为整”的模块化设计思路，程序运行效率高，可读性好。该机械臂性能稳定，成本较低，能够满足实验教学与科技创新设计需要。

关键词：机械臂；PLC控制；气动系统

0 引言

可编程控制器相关课程中有一个主要的教学实验就是基于PLC控制的机械臂，该设计对可编程控制器的原理及其控制应用的理解具有重要的意义。通常会在教学实验、课程设计和科技创新中使用机械臂实验设备。该设计是为了满足实验教学以及科学创新。机械臂选用FX2N-48MR/MT系列PLC控制器，用气压驱动，能很好地满足教学实验、课程设计和科技创新设计的需要。

1 工作规则及控制要求

1.1 工作规则

机械臂的初始位置停在原点，按下复位钮，机械臂在原点复位；按启动钮，机械臂手臂伸出（水平）→手臂下降（竖直）→夹紧手抓→手臂上升（竖直）→手臂收回（水平）→水平摆动90°手臂伸出→手臂下降（竖直）→放松手抓→夹紧手抓→旋转手腕270°→放松手抓→反转手腕270°→手抓夹紧→手腕旋转270°→放松手抓缸→手臂上升（竖直）一手臂收回（水平）一摆动270°手臂回原点。经上面一系列流程，机械臂可完成的动作如图1中所示的位置1下方夹住瓶盖，然后再将瓶盖放下拧紧。通过改变程序设计也可以将该机械臂设计成通用机械臂，即在位置1夹住物品，然后在位置2将物品放下的动作。

图1 机械臂结构图1.2 控制要求

该设计的控制要求：

（1）手动方式：就是通过按钮对机械臂每个动作单独控制.例如，按下“下降”钮，机械臂下降，按下“上升”钮，机械臂上升。手动操作可使机械臂归于原点位置，同时便于机械臂的调整和维修；

（2）步进方式：按照完整的工作步骤从开始每按一下启动钮完成一步动作，然后停止直到再按一次启动钮，会自动执行下一个动作；

（3）单循环工作方式：按下启动钮机械臂从原点开始自动完成一个周期的工序动作后返回原点停止；

（4）连续工作方式：按下启动钮，机械臂从原点按工序自动连续循环工作，按下停止钮机械臂停止复位。如果选择“单周期”工作方式，机械臂会在完成一个周期的工作后返回原点自动停机。

2 机械臂和气压驱动系统设计

2.1 机械臂的总体设计

本设计将机械臂设计成直角坐标式，气缸是主要执行装置，FX2N-48MR/MT系列PLC为电气控制。设计将机械臂总体安装在一个可移动台架上，将机械装置与电气控制系统分离设计。为便于学生实习，台架上有气动电磁阀组、机械装置、开关按钮、电气接头。支架下放置电源、继电器、PLC、空气压缩机等。为方便学生电气接线，用电气接头把PLC的输入输出端子接到支架台面上，在台面上学生即可完成机械臂的接线和拆卸等动作。机械臂的机械装置如图1所示。

本设计的机械臂可以完成5个基本动作，实现五自由度控制，即左右、上下、夹紧、摆动、旋转。每个气缸都配有传感器为方便检测气缸的位置。

本设计主要用于教学实验，所以气缸均选用轻型系列工作压力设计在0.7—1MPa之间。其中，手指缸选V型手指缸MHZ2—100配1个磁性开关，完成夹紧动作。机械臂的手腕选用旋转缸CDRB1B W20配2个磁性开关，完成旋转扭紧动作，一般拧紧一个瓶盖需要旋540°才能完全拧紧，但是通常旋转缸只能旋转270°，所以只能旋转一次松开后再旋转一次，其中需要夹紧两次完成瓶盖的拧紧。我们选用CDJ2KB16—45A型号的垂直缸，并在气缸两端配2个磁性开关用于检测气缸的位置。选用CXSM15—100型号的水平缸，其两端配2个磁性开关。选CDRB1B W30—1805的旋转缸为摆动缸，将摆动角度设置为90°，手臂的摆动（以上选用气缸的最大使用压力均不超过1.0MPa）。焊接一个L型角钢在立柱上，角钢两边分别安装有光电接近开关，分别在2个光电开关的旁边设置一个挡位缓冲装置（内装有弹簧）为防止摆动缸直接碰到光电开关（选用LE4-K型光电开关）。

立柱的结构为将旋转气缸用螺栓固定在一个倒U型的方钢里，并用螺栓连接将其与底座连接。底座采用铝合金材料做成T型，用螺栓固定到台面。

2.2 气压驱动系统设计

据分析，本设计共有5个气缸和配有5个电磁换向阀的气压驱动系统如图2所示。其中电磁换向阀控制气缸的运动方向；单向节流阀控制气缸运动速度；压缩空气由气动二联件向各气缸集中供应。

图2 气压驱动回路图使用带中位的三位五通双向电磁阀可使水平缸摆动、手抓旋转停在任一位置。垂直缸靠弹簧复位本设计采用二位三通单向电磁阀，如果要垂直缸下降则给电磁阀通电，如果将电磁阀断电，在弹簧的作用下垂直缸复位。用二位五通双向电磁阀来控制水平缸和手抓缸的动作。手抓缸不设计节流阀，因为不需要调节速度，只有开合动作。

3 PLC控制系统设计

3.1 PLC的选择

由气压驱动回路图2所示，本设计有7个磁性开关和2个光电开关安装在5个气缸上，用于检测气缸位置，气压机械臂的工作方式由有启动、停止、单循环/联动、手动/自动、复位、急停、上电等7个按钮的操作面板控制，其中单循环/联动和手动/自动为组合旋钮，PLC输入点共计16个，例如磁性开关、光电开关和按钮等均为开关量输入点。PLC输出点为13个，其中开始、复位、停止、上电按钮的指示灯4个，气缸电磁换向阀的电信号9个。本设计选用的FX2N-48MR/MT系列小型PLC具有27个输入点和17个输出点，均大于设计要求的输入输出点数量，能够满足控制要求。

3.2 控制程序设计

本设计的机械臂设有手动、自动、单循环、联动、复位等工作模式。手动方式可用于机械臂维修调整使用，当设置为手动或单循环工作模式时只循环一个完整的工序便自动停下；当设置为自动方式时，这是气动机械臂正常的工作方式，把组合旋钮转到自动或联动时执行自动循环一直重复运动，直到按停止按钮才能停下。复位操作可使机械臂从任一位置返回原点。

本设计PLC程序设计采用顺序步进指令控制机械臂的动作步骤，流程图如图3所示。

图3 程序流程图在设计PLC控制程序中，将复位控制设置在初始步前，只有当摆动缸回位、垂直缸升起、水平缸收回、手抓松开4个步骤同时完成时叫复位。当摆动缸回转90°以后，如果是自动/联动工作状态，水平缸自动伸出，这个时候是不需要按启动钮；如果是在手动/单循环工作状态时，在机械臂完成一个完整的工作过程后程序回到初始步，必须再一次按启动钮才能继续开始新的一个工作过程。

PLC控制程序在设计时，需注意手抓合拢后在被抓物品被放下前要始终保持是夹紧状态；在步进指令状态下工作时每执行一步都需要执行一次手抓夹紧的动作，或者在SET置位指令工作状态下使手抓夹紧，在使用RST复位指令时使手抓松开。可根据被操作对象的具体特征和具体要求来改变程序来调整旋转角度。

4 结束语

经对机械臂的安装和调试，本设计的机械臂能够按照设计要求的完成动作和达到控制要求，总体有以下几个特点：

4.1 具有可靠的控制性

在PLC的控制下运行稳定可靠，能很好地满足教学实验需要。

4.2 具有简便的操作性

便于学生在台面上安装和调试，我们将气动、电气接线部分设置在台面上，线路、传感器和气缸均可拆下。

4.3 面板具有清晰易控性

操作面板清晰易控，指示一目了然，按钮操作方便顺手。

4.4 具有便捷的调试性

为能实现程序在线调试，在台面上设置PC与PLC连接。

本研究基于PLC控制的机械臂能够满足实验教学、调试方便和模拟工业现场等需求。