多功能智能机械臂技术论文
机械臂本科生毕业设计(论文)范文
基于STM32的机械臂驱动系统设计摘要由于机械臂在各行各业中得到了愈来愈广泛的应用，机械臂控制的多样化、复杂化的需要也随之日趋增多。
作为当今科技领域研究的一个热点，提高机械臂的控制精度、稳定性、操作灵活性对于提高其应用水平有着十分重要的意义。
本课题主要对四自由度机械臂控制系统进行了研究与设计。
作为运动控制系统的一种，该控制系统主要面向底层，力争开发出一套稳定性高，可靠性强并且定位准确的工业机械臂系统。
首先根据机械臂系统的控制要求，整体上设计出单CPU 的系统控制方案，即通过控制主控制器输出的PWM 波的占空比实现对舵机转动的控制，进而实现各个关节的位置控制。
在硬件方面，主要论述了如何以ARM 微处理器STM32F103ZET6、MG995舵机、MG945舵机、超声波传感器和电源模块为主要器件，通过搭建硬件平台和设计软件控制程序构建关节运动控制系统。
然后按照结构化设计的思想，依次对以上各部分的原理和设计方法进行了分析和探讨，给出了实际的原理图和电路图。
在软件设计方面，按照模块化的设计思想将控制程序分为初始化模块和运行模块，并分别对各个模块的程序进行设计。
实验表明，该机械臂控制系统不仅具有很好的控制精度，还具有很好的稳定性、准确性，而且在很大程度上改善了定位精度。
关键词：四自由度机械臂，STM32，Cortex-M3，脉冲宽度调制the Design of Manipulator Drive System Based on STM32AbstractIn recent years, robot arm is widely used in industry control, special robot, medical device and home service robots. Research of robot arm control system is a focus in robot area. It is meaningful to increase the performance in accuracy, stability and feasibility.This paper is the research and design about a control system based on a four degrees freedom’s design. And, we strive to develop a high stability, reliability and accurate control system.Firstly, according to the control requirements of the robotic system, the overall design of the system control program is based on a single CPU. Turn the steering control to achieve the control of the duty cycle of the PWM wave output by the main controller, so as to realize the position control of each joint. In terms of hardware, the paper mainly discusses how to use the ARM microprocessor STM32F103ZET6, MG995 Servo, MG945 servos, ultrasonic sensors and power supply module as the main components, build a joint motion control system by building hardware platforms and software control program. Then follow the structured design ideas, principles and design methods sequentially over each part is analyzed and discussed, and then give the actual schematic or circuit diagram. In software design, the control program is divided into the run modules and the initialization module and design program of each module separately.Control system experiments show that the system can significantly improve the precision of control, and improve system stability, accuracy, so that the positioning accuracy of the robot arm has been greatly improved and enhanced.Key Words: Four Degrees Freedom Robot, STM32, Cortex-M3, Pulse Width Modulation目录1绪论 (1)1.1机械臂概述 (1)1.1.1机械臂研究的意义 (1)1.1.2国内外机械臂的研究现状及发展趋势 (1)1.1.3机械臂的分类 (2)1.2机械臂控制的研究内容 (4)1.2.1机械臂的驱动方式 (4)1.2.2机械臂的机械结构 (4)1.2.3机械臂的控制器 (5)1.2.4机械臂的控制算法 (5)1.3嵌入式系统简介 (5)1.4本文的主要工作 (6)2机械臂控制系统的总体方案设计 (7)2.1机械臂的机械结构设计 (7)2.1.1臂部结构设计原则 (7)2.1.2机械臂自由度的确定 (7)2.2工作对象简介 (7)2.3机械臂关节控制的总体方案 (8)2.3.1机械臂控制器类型的确定 (8)2.3.2机械臂控制系统结构 (9)2.3.3关节控制系统的控制策略 (9)2.4本章小结 (9)3机械臂控制系统硬件设计 (11)3.1机械臂控制系统概述 (11)3.2微处理器选型 (11)3.3主控制模块设计 (13)3.3.1电源电路 (13)3.3.2复位电路 (14)3.3.3时钟电路 (15)3.3.4 JTAG调试电路 (15)3.4驱动模块设计 (16)3.5电源模块设计 (17)3.6传感器模块设计 (19)3.7本章小结 (19)4机械臂控制系统软件设计 (20)4.1初始化模块设计 (20)4.1.1系统时钟控制 (20)4.1.2 SysTick定时器 (22)4.1.3 TIM定时器 (23)4.1.4通用输入输出接口GPIO (24)4.1.5超声波传感器模块 (24)4.2运行模块设计 (25)4.3本章小结 (26)5 系统的整机调试 (27)5.1硬件调试 (27)5.2软件调试 (28)5.3故障原因及解决方法 (31)5.4本章小结 (32)结论 (33)致谢 (34)参考文献 (35)附录 (37)附录A (37)附录B (46)附录C (47)1绪论1.1机械臂概述1.1.1机械臂研究的意义早在几千年前，人类就开始了机器人的制造，以解决人类繁重的劳动。
智能制造中的机械臂技术研究
智能制造中的机械臂技术研究随着科技的不断进步和工业生产的快速发展，智能制造已经成为了21世纪以来工业生产领域的一大趋势。
然而，在实现智能制造的过程中，机器人技术扮演了非常关键的角色，尤其是机械臂技术的研究和应用，更是推动了智能制造的不断发展和完善。
机械臂是机器人中最基本的技术之一，它由多个关节组成，可以模拟人类臂部的运动和动作，并且能够进行一系列精确的动作和操作。
在智能制造领域中，机械臂技术的应用非常广泛，覆盖了从汽车制造、航空航天、医疗器械、电子设备到家电制造等各个领域。
在机械臂技术发展初期，其应用主要是在生产线上进行单一动作或者重复动作的工作，例如焊接、搬运、装配、喷涂等。
但是，随着科技的不断进步和机械臂技术的不断创新，机械臂的应用已经不再限于单一动作或重复动作，而是已经进入了协作机器人的领域，变得更加灵活、智能和高效。
在智能制造领域中，机械臂技术的应用主要有以下几个方面。
一、零部件生产机械臂可以承担零部件的制造任务，应用于零部件加工中，可以大幅提高生产效率和产品质量。
二、装配机械臂在装配过程中，可以模拟人体的灵活性和精确度，例如汽车零部件的组装、无人机的组装等，大幅提高生产效率和质量。
三、压铸机械臂的精确度和灵活性也能很好地适用于铸造领域，可以配合压铸机进行拔型、切割等工作，提高生产效率和零件成型质量。
四、包装机械臂在生产制造中还可以承担自动化包装任务，例如商品分类、分拣等，提高制造效率和质量，进一步推动智能化制造的发展。
五、工业机器人随着机械臂技术的不断发展，越来越多的工业机器人被开发出来，极大地提高了制造业的自动化水平。
当然，机械臂技术的发展也面临着一些不可避免的挑战。
例如，传统的机械臂往往需要以定置的方式进行安装，不能适应生产线的布局和生产过程的变化，这严重影响了机械臂的工作效率和制造的灵活性。
因此，目前机械臂技术的主要发展方向是机械臂柔性化，可以适应不同生产过程的需要，提高其灵活性。
《2024年六自由度机械臂控制系统设计与运动学仿真》范文
《六自由度机械臂控制系统设计与运动学仿真》篇一一、引言随着科技的飞速发展，自动化与机器人技术已广泛应用于各种领域，六自由度机械臂是其中一种重要而常见的自动化工具。
它具备灵活的运动能力与复杂操作功能，能够在高精度的环境中完成一系列作业。
本篇论文旨在介绍六自由度机械臂控制系统的设计与运动学仿真，旨在提升机械臂的性能和可靠性。
二、六自由度机械臂控制系统设计1. 硬件设计六自由度机械臂控制系统主要由机械臂主体、驱动器、传感器和控制单元等部分组成。
其中，机械臂主体由多个关节组成，每个关节由一个驱动器驱动。
传感器用于检测机械臂的位置、速度和加速度等信息，控制单元则负责处理这些信息并发出控制指令。
2. 软件设计软件设计部分主要包括控制算法的设计和实现。
我们采用了基于PID（比例-积分-微分）的控制算法，以实现对机械臂的精确控制。
此外，我们还采用了路径规划算法，使机械臂能够按照预定的路径进行运动。
3. 控制系统架构控制系统采用分层架构，分为感知层、决策层和执行层。
感知层通过传感器获取机械臂的状态信息；决策层根据这些信息计算控制指令；执行层则根据控制指令驱动机械臂进行运动。
三、运动学仿真运动学仿真主要用于模拟机械臂的运动过程，验证控制系统的性能。
我们采用了MATLAB/Simulink软件进行仿真。
1. 模型建立首先，我们需要建立机械臂的数学模型。
根据机械臂的结构和运动规律，我们可以建立其运动学方程。
然后，将这些方程导入到MATLAB/Simulink中，建立仿真模型。
2. 仿真过程在仿真过程中，我们设定了不同的工况和任务，如抓取、搬运、装配等。
通过改变控制参数和路径规划算法，观察机械臂的运动过程和性能表现。
我们还对仿真结果进行了分析，以评估控制系统的性能和可靠性。
四、实验结果与分析我们通过实验验证了六自由度机械臂控制系统的性能。
实验结果表明，该系统能够实现对机械臂的精确控制和灵活操作。
在各种工况和任务下，机械臂都能以较高的速度和精度完成任务。
五自由度桌面级多功能机械臂设计
五自由度桌面级多功能机械臂设计1. 引言1.1 研究背景通过对研究背景的分析，可以发现目前市场上的五自由度桌面级多功能机械臂存在着一些问题，如在工作精度、灵活性和智能化程度方面还有待提升。
有必要对这些机械臂进行深入研究，探索如何改进其设计，提高其工作效率和性能。
这样不仅可以满足现代工业生产的需求，还可以推动机器人技术的发展，促进人机合作的进一步深化。
1.2 研究意义五自由度桌面级多功能机械臂设计具有灵活、精准、高效的特点，能够完成多种复杂任务，满足不同应用场景的需求。
通过研究和设计这种机械臂，可以进一步推动机器人技术的发展，促进智能制造的普及和应用，提高生产效率和产品质量，促进产业升级和创新发展。
开展五自由度桌面级多功能机械臂设计的研究具有重要的理论意义和实际应用价值，对推动机器人技术的进步和应用具有重要的意义。
2. 正文2.1 机械臂动力学设计机械臂动力学设计是实现机械臂运动和控制的重要环节。
在设计过程中，需要考虑到机械臂的动力学模型，以便进行运动规划和轨迹控制。
通常，机械臂的动力学设计包括以下几个方面：1. 负载分析：首先需要对机械臂的负载情况进行分析，包括负载的大小、重心位置、惯性矩阵等参数。
这些参数将影响机械臂的运动学和动力学性能。
2. 运动学分析：通过建立逆运动学方程和正运动学方程，可以确定机械臂的关节角度和末端执行器的位置之间的关系。
这是进行轨迹规划和控制算法设计的基础。
3. 动力学建模：根据机械臂的结构和工作原理，可以建立机械臂的动力学模型。
这包括力学模型、惯性模型和阻尼模型等，用于模拟机械臂的运动和受力情况。
4. 控制算法设计：基于动力学模型，可以设计出适合机械臂运动控制的算法，如PID控制、模糊控制、神经网络控制等。
这些算法可以实现机械臂的准确运动和轨迹跟踪。
机械臂动力学设计是实现机械臂运动和控制的关键步骤，对于提高机械臂的性能和精度具有重要意义。
通过合理的动力学设计，可以实现机械臂的高效工作和多功能应用。
多功能智能机械臂技术研究
多功能智能机械臂技术研究摘要：基于多现阶段对智能设备的开发和利用，本文对新型多功能智能机械臂的作用进行分析，在进行系统的研究过程中，根据已知的智能化设备原理，实现对机器人操作系统的探索。
本文致力于通过对多功能智能机械臂的分析，了解其中的关键技术，推动智能化发展。
关键词：多功能；机械臂；智能技术引言智能技术不仅坚持了创新原则，还通过利用实验平台，不断提高智能设备的服务水平。
就现阶段而言，许多是高等院校都进行智能教育，在倡导学习新媒体技术的同时，对专业人士进行工程教育，致力于不断实现创新。
然而，理论知识是远远不够的，在实际的多功能智能机械臂研发过程中，需要重视实践技能的培养，逐步提高学生的基本学习技巧，同时促进我国智能化事业的发展。
基于此，本文对创新能力进行探究，致力于分析智能机械臂的多功能水平与技术要点，促进我国工程训练的开展。
1多功能智能机械臂的作用分析1.1完成复杂动作与其他功能单一的机器设备相比，多功能智能机械臂的自由度较大，同时，可以利用机械臂自由活动，完成较为复杂的动作和人物。
就一直的信息表明，机械臂已经可以独立实现码垛和装配等动作，在后期的发展过程中，还能进一步实现切削和焊接等较为复杂的加工工作，可以极大程度上代替人工操作，便利人们的生活。
的功能智能机械臂行进行化学喷涂，降低人工成本的同时促进实际的工业生产，推动作业进步，进一步完善工业化发展水平。
1.2实现动态算法的设计智能设备与的功能机器人不仅在各行各业频率出现，在未来，还会出现在许多未知的领域，比如计算机领域。
计算机作为一种特殊的智能设备，在很大程度上代替了人类的繁忙工作，英雌，机器人也受到欢迎。
基于人们的生产方式在逐步改变，机器人技术也越来越成熟，内部的结构趋于完善，甚至的功能智能机械臂可以参与图纸的设计与测量，在许多动态算法中都被广泛运用。
比如，为了确定动态算法的具体数据信息和一些坐标，可以通过的功能智能机械臂进行测算，同时规划出符合实际的工作路径。
多功能智能机械臂技术论文
多功能智能机械臂设计者：xxx摘要：未来属于科技的时代，一切都将向着智能化发展。
传统的黑板板书教学方式生动形象，灵活性和可操作性强，但其人性化较差，粉尘对授课人危害极大。
鉴于此，本作品研制了一个多功能智能机械臂，该机械臂可以替代老师在黑板上完成所有的书写擦除工作，书写速度与手动书写相媲，操作简单，工作灵活，稳定性高，紧跟时代步伐。
关键词：智能；机械臂；书写擦除1 研制背景及意义教学实践领域，在以多媒体教学为主流的环境下，传统的黑板板书教学方式仍占有举足轻重的地位。
该教学方式生动形象，灵活性和可操作性强，能起到很好的教学目的。
板书教学过程中，授课者要利用粉笔手动书写，幅面改变时需用黑板刷手动擦除，费时费力，粉笔落下的粉尘对人的身体健康有害等实际问题；诸多研究皆是通过改良擦除黑板的方式或者提高擦除效率来减少粉尘对老师的待危害，这类改进起到了一定的作用，但是还是存在以下两点主要问题。
第一，黑板擦除装置机构复杂，操作繁琐，很多授课者都不愿意使用；第二，授课者仍然还得手动进行书写，工作量依旧很大。
在竞争日渐激烈的今天，辛勤工作的老师不仅想提升教学质量，而且期待能减少工作强度，将更多的精力用在教学科研中。
针对上述问题，本作品采用高级的技术及算法，研制了一个多功能智能机械臂，此机械臂可以替代老师在黑板上完成所有的书写擦除工作。
授课教师利用控制终端进行简单的操作，控制机械臂使其在竖直的黑板上随意移动，通过操作控制终端实现自动写字，画图和擦除黑板等功能，这样，充分体验了智能化未来化科技化的优点。
智能机械手书写高效且定位精准，成本不高让它有很好的普及性应用前景。
科技化的教室可以大大激发学生的学习兴趣。
机械手是社会智能化发展的一种产物，将它引入课堂是未来发展的需要，可以让学生体现梦幻般的课堂生活。
2 原理分析与硬件电路图本作品主要由可手持控制终端和多功能智能机械臂组成。
可手持控制终端由教师操作，可进行书写和画图等诸多操作的控制，多功能智能机械臂执行相应的书写、画图操作，可手持控制终端和多功能智能机械臂之间采用蓝牙通信。
机械臂设计 毕业论文
机械臂设计毕业论文机械臂是近年来发展非常迅速的领域之一，其应用范围广泛，涉及工业自动化、医疗器械、军事装备等多个领域。
机械臂的设计是机械学科的重要研究内容，也是实现机械臂自动化、智能化的关键。
本文将介绍机械臂的设计方法、关键技术、应用现状等内容。
一、机械臂设计方法1. 设计目标确定在机械臂的设计中，确定设计目标十分重要。
设计目标应该包括机械臂的结构形式、工作载荷、控制方式、运动范围、精度等方面。
2. 结构设计机械臂的结构设计是机械臂设计的核心，要根据设计目标、工作条件和材料选取等因素，确定机械臂的结构形式、长度、关节数量、关节类型和传动方式等。
3. 控制系统设计控制系统是机械臂设计的另一个重要方面，主要涉及机械臂动作控制和信息处理。
控制方式可以包括手动操控、遥控控制和自动控制等，其中自动控制是机械臂应用中的主要方式。
4. 运动学分析机械臂的运动学分析是为了确定机械臂的运动学模型，并从中提取出重要信息。
运动学分析通常包括位姿分析、运动学方程和关节尺寸等方面。
5. 动态分析机械臂的动态分析是为了确定机械臂在不同工作状态下的动态参数，包括加速度、力矩、惯性矩等。
动态分析对于机械臂的控制和优化设计等方面非常重要。
6. 仿真与实验机械臂的仿真与实验是机械臂设计的关键环节，可以有效的验证设计方案和预测机械臂的运动性能。
仿真和实验可以采用虚拟仿真、物理仿真和试验验证等方式。
二、机械臂的关键技术1. 传动系统传动系统是机械臂的基础，其运动精度和负载能力对机械臂性能有很大影响。
传动系统常用的方式包括齿轮传动、同步带传动、链传动等。
2. 控制系统机械臂的控制系统不仅可以控制机械臂的运动，还可以通过传感器获得机械臂周围环境的信息，实现机械臂的自主控制和智能化。
3. 传感器技术传感器可以通过监测机械臂的电流、电压、位移、应变等物理量，实时捕获机械臂运动状态，并将其转换为数字信号进行分析和处理。
4. 建模与控制算法机械臂的建模和控制算法是机械臂自动化和智能化的关键。
多机械臂协作操控技术研究
多机械臂协作操控技术研究在现代制造业领域，机械臂已经成为不可或缺的重要装备之一。
然而，单一机械臂的操控能力有限，无法满足复杂任务的需求。
因此，研究人员开始探索多机械臂协作操控技术，以提高生产效率与质量。
本文将探讨多机械臂协作操控技术的现状、挑战和前景。
首先，多机械臂协作操控技术的发展背景值得关注。
随着全球制造业的快速发展，对高效、灵活、智能的生产方式的需求越来越迫切。
多机械臂协作操控技术可以实现机械臂之间的协调配合，使其能够完成更加复杂、繁重的任务。
这不仅可以提高生产效率，还可以减少人力投入和人为误差，提高产品质量。
然而，多机械臂协作操控技术也面临着一些挑战。
首先，机械臂之间的协作需要高度精确的同步，否则容易出现碰撞等问题。
同时，多机械臂之间需要有良好的通信和信息共享机制，以实现协同作业。
此外，多机械臂协作操控技术还需要考虑人机交互、实时调度等方面的问题。
这些挑战都需要研究人员进行深入的探索和解决。
目前，多机械臂协作操控技术的研究取得了一些重要进展。
一种常见的方法是通过视觉系统对机械臂进行感知和定位，以实现协作操作。
此外，一些研究者还提出了基于力传感器的协作控制方法，通过传感器感知机械臂的力矩和压力，在协作操作中实现力的平衡和调节。
这些技术的应用为多机械臂协作操控技术的发展提供了基础。
未来，多机械臂协作操控技术有着广阔的应用前景。
首先，在制造业领域，多机械臂协作操控技术可以完善生产线的自动化程度，提高生产效率和产品质量。
其次，在医疗领域，多机械臂协作操控技术可以在手术操作中发挥重要作用，实现更加精确和安全的手术过程。
此外，多机械臂协作操控技术还可以应用于航天、能源等领域，推动相关技术的进步和应用。
总结起来，多机械臂协作操控技术是现代制造业发展的重要方向之一。
虽然这一技术面临一些挑战，但已经取得了一些重要进展，并有着广阔的应用前景。
研究人员需要进一步探索机械臂之间的协作机制、感知技术和调度算法，以推动多机械臂协作操控技术的进一步发展。
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多功能智能机械臂设计者：摘要：未来属于科技的时代，一切都将向着智能化发展。
传统的黑板板书教学方式生动形象，灵活性和可操作性强，但其人性化较差，粉尘对授课人危害极大。
鉴于此，本作品研制了一个多功能智能机械臂，该机械臂可以替代老师在黑板上完成所有的书写擦除工作，书写速度与手动书写相媲，操作简单，工作灵活，稳定性高，紧跟时代步伐。
关键词：智能；机械臂；书写擦除1 研制背景及意义教学实践领域，在以多媒体教学为主流的环境下，传统的黑板板书教学方式仍占有举足轻重的地位。
该教学方式生动形象，灵活性和可操作性强，能起到很好的教学目的。
板书教学过程中，授课者要利用粉笔手动书写，幅面改变时需用黑板刷手动擦除，费时费力，粉笔落下的粉尘对人的身体健康有害等实际问题；诸多研究皆是通过改良擦除黑板的方式或者提高擦除效率来减少粉尘对老师的待危害，这类改进起到了一定的作用，但是还是存在以下两点主要问题。
第一，黑板擦除装置机构复杂，操作繁琐，很多授课者都不愿意使用；第二，授课者仍然还得手动进行书写，工作量依旧很大。
在竞争日渐激烈的今天，辛勤工作的老师不仅想提升教学质量，而且期待能减少工作强度，将更多的精力用在教学科研中。
针对上述问题，本作品采用高级的技术及算法，研制了一个多功能智能机械臂，此机械臂可以替代老师在黑板上完成所有的书写擦除工作。
授课教师利用控制终端进行简单的操作，控制机械臂使其在竖直的黑板上随意移动，通过操作控制终端实现自动写字，画图和擦除黑板等功能，这样，充分体验了智能化未来化科技化的优点。
智能机械手书写高效且定位精准，成本不高让它有很好的普及性应用前景。
科技化的教室可以大大激发学生的学习兴趣。
机械手是社会智能化发展的一种产物，将它引入课堂是未来发展的需要，可以让学生体现梦幻般的课堂生活。
2 原理分析与硬件电路图本作品主要由可手持控制终端和多功能智能机械臂组成。
可手持控制终端由教师操作，可进行书写和画图等诸多操作的控制，多功能智能机械臂执行相应的书写、画图操作，可手持控制终端和多功能智能机械臂之间采用蓝牙通信。
2.1 可手持控制终端可手持控制终端主要包括控制通信部分、操作按键部分和触摸屏。
教师在触摸屏上进行书写操作，控制通信部分将书写指令数据以蓝牙方式发送给智能机械臂，由机械臂完成书写操作。
可手持控制终端的硬件电路如图1所示：图1 可手持控制终端的硬件电路图图中，微控制器采用Atmel公司的ATmega128，16枚按键分别是字库目录索引的“上”、“下”、“左”、“右”，字库汉字选择的“上”、“下”、“左”、“右”，“写字”，“擦除”，“前移”，“后移”，“触屏跟随”，“抬起”，“放下”，“发送”。
连接器J1、J2是与触摸屏的连接接口，J6是与蓝牙模块的通信接口，ATmega128与蓝牙模块的采用串口通信方式。
2.2 多功能智能机械臂对智能机械臂的基本要求是能够快速、准确地夹持着笔芯书写文字或描绘图形，这就要求智能机械臂具有高精度、高灵敏性、灵活的自由度、完善的定位功能、和一定的承载能力，以及占用操作空间小、运动灵活等特性。
实现这些特性的前提是确保机械臂具有足够的自由度，一般工业机械手最高是6个自由度，本设计机械臂同样采用6自由度。
2.2.1多功能智能机械臂硬件设计多功能智能机械臂由五大部分组成：机械臂基体、吸附部分、驱动部分、MCU控制和通信部分和书写擦除部分。
其模型结构图如图2所示：图2 多功能智能机械臂模型结构图图中，各组成部分的主要硬件结构和功能如下：（1）机械臂基体：采用四轮小车结构，各轮外圈由橡胶包覆，基体外壳由钛合金板铆接而成。
主要承载整个机械臂的重量。
（2）吸附部分：由多个电磁吸盘组成，其使得整个机械臂能够吸附在黑板上；（3）驱动部分：由电机和行走轮构成，主要实现机械臂的运动。
（4）MCU 控制和通信部分：接收控制终端以蓝牙方式发送的命令数据，解析生成各类操作指令，包括命令写字、触屏跟随写字、抬起笔、放下笔、擦除、移动调整书写位置等指令，并根据指令进行字模解码、坐标计算定位、舵机操作角度计算、舵机驱动 等计算和控制功能。
（5）书写擦除部分：由舵机一、连接座一、舵机二、连接座二、舵机三、连接座三、舵机四、连接座四、舵机五、连接座五、电机、夹持机构、书写擦除笔组成。
其主要执行书写及擦除动作。
除MCU 控制和通信部分外，其余四部分构成智能机械臂的机械结构部分。
2.2.2 机械臂机械结构设计智能机械臂的设计使用高速的舵机结构加上铝合金的手臂，可以达到高速反应的能力，6个自由度的机械臂可以完成空间任意坐标的定位，从而根据坐标移动，可以写出任何的文字、曲线。
一般老师在黑板上面画的曲线往往很不公整，采用智能机械手代替以后，通过进一步优化硬件和程序，能够让机械手画出来一条完美的曲线，书写美观工整。
所使用高速舵机的最大扭力确定为20kg/cm ，最大堵转功率15w ，扭力计算公式如下： P （有效）=F(扭力) * V （速度）舵机转速减小时功率增大，F(扭力)随之增大，所以舵机有良好的抗负载能力，对于较大的负载也能承受。
机械臂上面采用的6061铝管在工作时候需要承受的最大应力计算如下：2max 1.53max 1.31*10M pa Mpa Ws ===机械臂采用（x ，y ，z ）空间坐标的形式，其中坐标的计算采用到三角函数、反三角函数等等，通过利用三角函数计算每一个关节的空间坐标，叠加下去，算出来全部6个关节的空间坐标，从而得到实际笔头的工作坐标，实现精准的（x ，y ，z ）定位。
有了完善的定位功能之后，便可以实现任何的书写操作。
2.2.3 MCU 控制和通信硬件设计智能机械臂的核心控制部分采用Atmel 公司的ATmega2560微控制器。
其主要硬件资源如表1所示：ATmega2560微控制器作为机械臂的控制核心，主要实现以下三部分功能： （1）与手持控制终端进行蓝牙通信，接收相关的指令和数据；（2）数据解码计算，根据指令判别操作类型，计算得出相关操作参数； （3）控制机械臂的舵机，驱动机械臂执行相关动作。
ATmega2560的蓝牙通信和舵机控制接口电路如图3所示：图3 ATmega2560的通信和控制接口图中，连接器J1是ATmega2560与蓝牙模块的通信接口，采用的是串口通信方式。
连接器J2、J3、J4、J5、J6、J7是ATmega2560控制舵机的接口，ATmega2560控制输出6路PWM波，驱动机械臂的6只舵机实现6个自由度的动作。
2.2.4 机械臂工作原理分析6个自由度包括了x、y、z、x旋转、y旋转、z旋转，通过调节每个自由度的转动角度，弯曲机械臂的不同关节以得到不同的坐标值，驱动全部关节协同动作即可实现三维立体空间的精准定位。
在工作过程中，本设计智能机械臂首先将接收到的数据解码生成目标坐标值，然后进行反向计算，利用三角函数，反三角函数来计算得出目标坐标值对应的每个关节需要旋转的角度值，再发送指令驱动舵机动作，舵机即旋转相应的角度从而达到目标位置。
舵机接收信号的速度是300次/秒，具有极高的反应速度，通过不断修整轨迹，可以画出一条完美的线，高质量完成写字、画图等操作。
3 软件设计与流程本设计多功能智能机械臂主要实现的功能包括：（1）移动位置；（2）命令写字；（3）跟随触屏写字；（4）擦除；（5）抬起写字臂；（6）放下写字臂。
其主要工作流程如图4所示：图4 多功能智能机械臂软件设计流程图由流程图可见，软件设计的主要思想是，教师在可手持控制终端上以“命令写字”的方式选择所需书写的文字，或以“跟随触屏写字”方式描绘书写任意线条或图形，在“发送”命令下，书写指令将被发送到智能机械臂。
教师亦可进行移动、擦除、抬笔、放笔等操作。
“命令书写”和“触屏跟随写字”作为本设计智能机械臂的主要功能，其主要软件设计思想如下：（1）命令书写方式教师在可手持控制终端上选定所需书写的汉字，控制终端将所选定的汉字在字库中的序数编码发送至机械臂，机械臂的控制处理部分解析生成字模编码，并对书写笔画进行扫描分析，以计算出笔画所有点的坐标和对应舵机的角度，计算得出相应书写控制参数后驱动舵机进行书写操作。
（2）触屏跟随写字方式教师在控制终端上触屏书写或画图，控制终端能够及时将触屏书写或画图操作中点的坐标数据发送至机械臂，机械臂控制部分根据坐标数据计算舵机角度，驱动舵机定位到书写位置，并跟随控制终端进行跟随写字。
其余功能中，“擦除”和“触屏跟随写字”原理一致，只是在“擦除”命令下，机械臂会将擦除头旋转向下即可在教师的手动控制下完成擦除操作。
“移动”是对机械臂基体小车的控制。
“抬笔”、“放笔”是控制机械臂的Z轴值，以在诸如执行移动操作时不会损坏笔头。
4 创新点1)采用自动高效分析文字的方法，可以自行分析和书写任何文字。
2)可以在竖直的黑板上行走定位。
3)采用空间立体X、Y、Z坐标的标准形式进行定位。
4)采用高性能高速度的舵机完成机械手的转动，让机械手更加灵活，反应更加灵敏。
5）能够把在控制端触屏手写的内容高速同步写到黑板上，实现人机互动。
6)能随手在触摸屏上的运动同步擦除书写痕迹。
5 结论智能写字型机械手未来可以替代老师在课堂教学中黑板上的所有书写工作，出色地完成老师工作的同时有效的减轻老师的工作强度，产品体积小、性能稳定、可靠性高，在教室课堂上使用可以提高学生对科技的向往，提高学生学习的热情。
这是未来发展的需要，科技发展的需求，把智能化带进课堂实现梦幻般的教学。
作品除了主要应用于教学书写方面，还可以根据实际情况对其功能进行有效拓展，譬如可代替人工刷漆，不仅可以降低毒性物质对人体的伤害，而且可使刷漆质量得到保障。
由于该机械臂的灵活性极强，该机器人亦可以应用于高楼清洗、脏污清理等方面。
总之其功能可根据实际问题进行相关拓展，这也是称其为多功能智能机械臂的缘由。
参考文献：[1]《机械设计—机器和机构综合与分析》（美）R.L诺顿（ROBERT.L.NORTON）.机械工业出版社 2002.11[2]《机械设计基础》合肥工业大学出版社2003.2[3]《机械原理》孙恒，陈作模，葛文杰主编[4]《ATMEGA128的程序与设计》。