基于MSP430单片机实现六自由度机械手模块的设计

当代科学技术发展的特点之一就是机械技术，电子技术和信息技术的结合，机器人就是这种结合的产物之一。现代机器人都是由机械发展而来。与传统的机器的区别在于，机器人有计算机控制系统，因而有一定的智能，人类可以编制动作程序，使它们完成各种不同的动作。六自由度自动寻迹搬运机器人就是其中一种，这种搬运机器人不但能够代替人的某些功能，有时还能超过人的体力能力，可以24小时甚至更长时间连续重复运转，还可以承受各种恶劣环境，因此，搬运机器人是人体局部功能的延长和发展。

本设计主要应用单片机MSP430作为控制核心，直流电机、热释电型红外传感器等相结合的系统。它充分发挥了单片机的性能，其优点硬件电路简单，软件功能完善，控制系统可靠，性价比较高等特点，具有一定的使用和参考价值。

1 系统原理

1.1 自动寻迹模块的系统原理

本设计中自动寻迹模块主要由单片机及其外同电路、红外寻迹电路、直流电机控制电路等组成。正常工作时，单片机循环检测红外寻迹电路输出信号，据此产生直流电机控制信号，当系统检测到工作方式发生改变时，系统进入相应方式。其原理框图如图1、图2所示。

图1 自动寻迹模块原理框图

图2 自动寻迹模块原理框图

1.2 六自由度机械手模块的系统原理

系统的设计采用模块化的方法，将机械于划分为基座、手臂、手腕、手部4部分。控制器以MSP430单片机为主控制器，具体控制部分框图见图3。

图3 六自由度模块的原理框图

2 系统设计

2.1 自动寻迹模块硬件设计

1）基本单片机系统

寻迹机器人系统的控制核心，一般情况下以MSP430单片机片内的基本硬件资源为主，有必要时再扩展部分外部器件。在本设计中需要完成的控制比较简单，以单片机片内的基本硬件资源完全可以实现，因此不需扩展。

2）放大信号电路

采用LM324控制，LM324是四运放集成电路，它采用14脚双列直插塑料封装，内部包含四组形式完全相同的运算放大器，除电源共用外，四组运放相互独立。

3）电动机驱动电路

所选用的电动机为普通的直流电机，在MSP430单片机的控制下，可接一个电机驱动芯片或者通过其他的一些原件可使电机转动。本系统为了设计简单，采用其他方式代替了电路驱动芯片。

2.2 六自由度机械手模块硬件设计

六自由度机械手是由6个伺服电机驱动的机器手臂。除了构成手臂的4个关节、手腕1个关节外，再加上手部的夹持，实现了1个机械手的机械结构。

该控制模块采用5 V直流电源分别为单片机和机械手臂的电机供电，电路包括手动复位电路、晶振电路、矩阵键盘、用以控制单片机转角的控制的独立键盘、伺服电机接入口，并可通过显示屏显示被选电机标识号和该电机转动的角度。

3 软件设计

本系统的软件设计面向硬件，选用C语言编程。最主要部分是单片机控制电机转动（包括正转反转）、时间的延迟和PID算法，具体的设计流程图见图4和图5。

图4 自动寻迹模块控制流程图


图5 六自由度模块流程图

4 系统调试

1）程序编完后，对代码仔细逐行检查。检查代码的错误，建立自己的代码检查表，对经常易错的地方进行检查。检查代码是否符合编程规范。

2）调试程序看是否能仿真，如果运行正常再将在编译器中调试好的程序烧写至单片机。

3）在接上电源时，观察整体电路是否按照预计设计的运作，电机是否正转，电机是否反转等。可根据电路的运行情况推测出程序出错的部分，修改程序后再经过编译器调试后烧到单片机，反复检测直到能工作完全正常。

5 结束语

本系统为单片机的寻迹机器人系统，主要应用单片机MSP430作为控制核心，直流电机、舵机、一体红外接收头等相结合的系统。这个系统软硬件设计简单，易于开发，严格控制各种元件的采购成本，所以价格低廉，安全可靠，操作方便。