本科毕业论文（设计）( 2014 届)6自由度机械臂控制系统设计（软件）院系电子信息工程学院专业电子信息工程姓名许克伟指导教师范程华讲师2014年4月摘要本文设计了一种以STC89C52单片机为主控元件的六自由度机械臂抓取系统。
文中给出了系统的硬件设计方案以及各个功能原理图，同时给出了软件系统设计方法。
系统实现了自动寻找目标并自动实施抓取目标且可通过PC上位机实时显示和控制机械手臂的功能，并能实现自动探测手臂与目标之间距离。
在设计时，由于需要测量的距离范围从几厘米到几十厘米，针对超声波在传播时振幅呈指数衰减的特性，为了最大限度地提高驱动能力，采用对回波进行多级放大，以达到了设计要求，由于各个模块供电要求不同，电源电路模块通过稳压芯片输出7.2V、5V和3.3V电压。
软件主要分为超声波距离测量模块和无线通信模块、数据处理模块这三大模块。
软件的这种“自顶向下”的模块化软件编程方法，能使软件的结构更清晰，并有利于软件的调试和修改。
经过调试，达到能够实现自动抓取目标和手动控制抓取目标功能。
关键词：超声波；VB上位机；六自由度机械手臂；STC89C52This paper designs a mechanical arm whose main control component is STC89C52 single-chip microcomputer and based on the six degrees of freedom to control scraping system. Hardware design scheme of the system and each functional machine schematic diagram are also given in this paper , software program design method is given at the same time, the system realizes the automatic searching target and the implementation of automatic grab and real-time display by PC ,and realizes the function of controlling mechanical arm, and can realize to automatically detect the distance between the arm and target, then implement real-time display on the upper machine. .When designing, due to the distance need to measure ranges from several centimeters to tens of centimeters, aiming at the characteristics of ultrasonic wave amplitude decay exponentially in transmission, in order to develop the drive ability maximally, the echo multistage amplifier is be adopted. Due to the different requirements for each module power supply, in order to achieve the design requirements, power supply circuit module output voltage 7.2V, 5V and 3.3V through the voltage regulator chip. The software is mainly divided into three modules : the ultrasonic distance measuring module and wireless communication module, data processing module. The "top-down" modular software programming method of software can make the software structure more clearly, and benefit in the debugging and modification of software. After debugging, it can realize the function of grabbing the target though automatically add manually control.Key words: Ultrasonic wave;VB;Six degrees of freedom robotic arm;STC89C52摘要 (I)ABSTRACT ..................................................................................................... I I 目录 (III)1 引言 (1)1.1选题的背景及意义 (1)1.2国内外发展状况 (1)1.3课题研究的主要内容 (2)2 6自由度机械手臂控制系统的硬件设计 (3)2.1硬件系统总体方案设计 (3)2.2单片机最小系统电路设计 (4)2.3超声波模块 (6)2.4舵机控制模块 (6)2.5NRF905无线收发模块 (8)2.6电源电路模块 (10)2.7VB上位机界面 (11)3 系统软件设计 (11)3.1软件设计流程图 (11)3.2主程序结构流程图 (12)4 调试 (13)4.1软硬件调试及性能调试过程 (13)4.2调试结果 (14)4.3结果分析 (14)5 总结 (14)参考文献 (15)附录 (17)1 引言1.1 选题的背景及意义机器人技术是二十世纪人类最伟大的发明，人类对机器人的探索与研究具有的悠久历史。
早在20世纪70年代，计算机技术、控制技术、传感器技术和人工智能技术的飞速发展，机器人技术也进入了快速发展阶段，机器人是具有控制、信息和传感技术、人工智能、仿生学的综合计算机。
其本质是感知、决策、行动、互动四个集成技术。
当代对机器人的研究十分活跃，并在日益广泛领域中得到应用。
机器人应用水平是一个国家工业自动化水平的重要标志[1]。
自1990年以来，欧盟、法国国家科学研究中心也将虚拟机器人手术协助和手术模拟系统作为一个重点项目开发。
在发达国家中，一直存在，医疗手术机器人市场，和临床研究。
目前，中国的机器人技术与应用工程和国外的水平相比仍然存在一定的距离，产业化规模和水平的应用低。
机器人的研究和开发，直接影响到我们的自动化生产的医疗水平和改进，从经济角度出发，技术上的考虑是必要的。
因此，研究机械手臂是非常有意义的。
1.2 国内外发展状况（1）国际发展研究方向：机器人主要分为工业机器人以及其他特种机器人两类，自1962年美国推出世界上第一台Unimate型和Versatra型工业机器人以来，机器人在工业发达国家得到了迅速发展。
根据国际工业机器人联合会(IFR)前几年的统计：自从2000年以来全球机器人产业迅速发展，在技术和数量上各国各有春秋，例如尽管美国所拥有的机器人数量上不如日本。
但其技术水平上一般都高于日本。
在亚洲，韩国的机器人产业发展也很迅速，现排名世界前列。
然而日本，韩国和新加坡的机器人密度(即制造业中每万名雇员占有的工业机器人数量)居世界第1-3位。
西欧的法国、英国、意大利和东欧的波兰、匈牙利等，在机器人制造业及应用机器人上的都有很大发展。
如今国外的机器人各个方面技术发展相当迅速。
主要现状如：①智能机器人的应用中配备有视觉传感器中的传感器的数量呈上升趋势，越来越多的机器人配备有两个以上传感器，一些机器人留了多种机器人接口。
②网络通讯方式大部分机器人采用了Ether网络通讯方式，占总量的41.3%，其他采用RS-232、RS-485等通讯接口。
③高精度、高速、多功能化，目前装配机器人最快速度达到16.5m/s，另外大直角坐标搬运机器人，其最大合成速度可达到80m/s，而另一种并联结构的NC机器人，其位置重复精度竟达1um。
90年代末的机器人一般都具有两、三种功能向多功能化方向发展。
④另一特点是机器人的应用从之前的单机，单元画向系统化、集成化与系统化发展。
百台以上的机器人群与微机及周边设备和操作人员形成一个大群体。
跨国大集团的垄断和全球化的生产将世界众多厂家的产品联接在一起实现了标准化、开放化、网络化的“虚拟制造”，为工业机器人系统化的发展推波助澜[2]。
（2）国内发展研究方向：近年来，我国工业机器人及含工业机器人的自动化生产线相关产品的年产销额已突破十亿元。
我国发展机器人技术的战略目标是：根据2l世纪国家经济对先进制造与自动化技术的需要，瞄准国际前沿高技术发展方向创新性地研究和开发工业机器人技术领域的基础技术，产品技术和系统技术。
未来发展工业机器人技术的重点是：第一，在恶劣环境下操作的机器人：主要有防暴、油漆管道、星球扫描等机器人；二，医用机器人：主要有脑外科手术辅助机器人，遥控操作辅助正骨等；第三，仿生机器人：主要有移动机器人遥控。
其总体发展趋势是智能化、可靠性、低成本和易于集成。
我国的机器人研发和应用技术已经取得了一些成绩，但总体来说，我国的机器人技术及其工程应用的水平和国外的相比还有一定的距离，无论从机器人的数量上还是技术上，我们都有一定的差距[3]。
进入21新世纪后，国际上竞争日趋激烈，对机器人的需求也不断增加。
中国的机器人产业将迎来一个新的机遇同时需要接受来自国外机器人产业带来的挑战，所以我们更加需要自主开发的高科技机器人来解决关键的产业化技术，积极推进我国的机器人产业的进程[4]。
1.3 课题研究的主要内容（1）研究目标利用STC89C52单片机和PC机之间的无线通信设计一个以小车为移动平台的机械手臂控制系统。
1、具有双向通信功能：STC89C52芯片能够接受来自PC机的指令，同时可以将指令反馈PC机，并在PC机上显示控制指令；2、具有无线遥控功能：PC机能够采集键盘值，VB界面通过NRF905无线模块发送至下位机STC89C52单片机，STC89C52将接收到的键盘值翻译为机械指令并发送至舵机控制模块，执行指令；3、具有自动搜索目标并抓取目标的功能：通过安装在舵机上的超声波模块测得机械手臂与目标的距离，只需要目标在一定的抓取范围之内，即可施行抓取动作。