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摘 要：机器人是一种仿人功能的自动机，而不是人们以为的与人的体貌特征相似的由无生命的零件构成的机器。自从1954年第一台可编程机器人诞生以来，机器人就受到人们的广泛关注。医疗、航空航天、井下或深水机器人等等都是机器人的表现方式，目前，六自由度的串联机器人是机器人中技术成熟、应用广泛的一种，在制造生产中是不可或缺的好帮手，故关于六自由度串联机器人在工业生产方面的关键技术的研究是非常有意义的。本文的主要内容包括：六自由度串联机器人的国内外简介，串联机器人的硬件部分，包括系统布局、实物图、原理图等，对串联机器人整体构造进行描述；软件部分包括机器人功能介绍，MCGS组态的建立；最后，对本文进行总结。
关键词：串联机器人；单片机；MCGS；步进电机；伺服电机
1.引言
在当今社会，机器人技术越来越广泛的应用到制造业领域中，并成为其领域的前沿技术。我国目前已由制造大国向制造强国转型，要想成为制造强国，就要大力发展制造业技术，使其生产手段向机械化、自动化、智能化、信息化变革。可以看到，通过大力发展经济、鼓励创新、产业扶持等国家政策，人民的生活水平就业水平越来越高，这也导致了劳动力价格的上升。
企业为了应对这一变化，只能提高劳动生产力，营造良好工作环境，此时工业机器人的应用就成为了企业适应社会的不二法宝，自动化流水线上的机器人尤甚。串联机器人属于工业机器人中关节型机器人的一种，它具有搬运、装配、焊接、喷漆等等用途，动作灵活、结构紧凑。
2.串联机器人总体方案设计
本文的六自由度串联机器人总体方案设计主要分为两大部分来论述，分别为串联机器人硬件系统和串联机器人软件系统。而对于它的机械系统也就是机器人本身的构造机械原理等由于篇幅原因不多加以论述，关于机器人的动作范围、最大速度等技术参数模块1～6有所不同，如模块1 ：-90°～ 90°，30o / S，模块4：-90°～ 90°，20o / S。这是经过精密计算、多次试验得出的成熟结果。
机器人系统采用PC工控机为上位机，8051单片机作为下位机，配以人机交互界面。硬件平台中，PC机作为人机交互界面的载体有很强的通用性、适用性，人机交互界面可用MCGS软件进行设计编辑，还可进行模拟仿真；机器人系统利用上位机Windows操作系统面向C51语言可进行方便的程序语言编写。
一个智能机器人想要工作必须要有“身体”和“大脑”，对于六自由度串联机器人来说，它的外部结构，内部连接等硬件系统就是身体；用于控制驱动“身体”的控制器，用于表达我们思想的程序语言，用于进行控制的组态等就是“大脑”。关于硬件系统和软件系统之间的功能与联系我们可以单片机控制器、PC机、机器人本体、I/O模块和通讯接口等构成硬件平台；单片机软件系统、PC机操作系统、运动程序等组成软件平台。
3.串联机器人硬件系统设计
本文采用的是Intel公司的8051单片机作为控制核心，配合其它的硬件构成了六自由度串联机器人的控制系统。机器人采用串联式开链结构，其中包括底座，模块1～6，机械手爪，三大部分。模块1～6逐级组合，每一块都可独立运行、拆卸组装，其末端有旋转、回转两种运动方式，由此构成的工业机器人中的六自由度串联机器人形式。为了更好的看清机器人齿轮传动和运动动作，每一模块采用透明式结构，内部传动模块采用了微缩设计，更加符合工业机器人的特点，六个模块采用步进伺服电机混合驱动，使内容更加多样化，富有设计感。
在串联机器人电控柜布局中，包括伺服电机、步进电机、电磁阀、指示灯、按钮、开关、接触器、继电器等外围电路，还有在PLC的基础上改用8051单片机实现的核心控制电路。串联机器人的硬件原理图中，进行了按钮和指示灯的工作原理以及电气连接描述。机器人用低压电器接触器、继电器等对指示灯、按钮等进行了电气控制，还用七个限位开关对机器人的每一个关节进行保护，并能够把每个关节的信息反馈给单片机。
六自由度串联机器人控制系统的核心——STC12C5A60S2。它是40管脚的器件，适用于强干扰、电机驱动场合。由于串联机器人由五個步进电机和一个伺服电机驱动，并且模块1～6还设计有限位开关，报警急停装置等，因此单片机原本的I/O接口不够用，需要对其进行扩展。STC12C5A60S2 I/O接口的扩展用到了可编程外设接口电路8255A和三态输出锁存器74LS373。锁存器起到对单片机数据进行保持的作用，使单片机完成对外部电路的控制。
4.串联机器人软件系统设计
本文的软件平台是基于PC机的MCGS组态软件组成。主要功能包括串联机器人坐标参数的设置与显示、由单轴运动、六轴联动、电磁阀开闭三部分构成的机器人运动系统、进行位置初始化的复位操作、包括记录和再现两大步骤的示教功能，其中复位操作机器人开始六轴联动直到回复到系统设定的初始位置，动作速度可以通过改动单片机脉冲发送频率和机器人运动角度/脉冲数比值进行改变。
参照串联机器人的功能可以用MCGS建立出组态界面。将机器人的六个自由度分开进行控制，可以方便的进行搬运及示教功能，还可以在机器人限定范围内任意指定位置后让机器人匀速达到设定位置坐标。
5.结束语
本文以六自由度可拆卸串联机器人为蓝本进行了控制核心的改动，使机器人控制系统由PLC变成了STC12C5A60S2单片机。在硬件进行小范围改动后，实现了串联机器人的一些功能：搬运、示教再现等，成功用MCGS触摸屏对机器人六轴进行控制完成自动控制和手动控制两大类。对于软硬件的综合有一定想法并画出了示意图，对于机器人的背景、国内外发展情况有了较为清晰的认识，也为以后的科研方向提供了一种可能性。最后，本文虽然串联机器人的研究较为简单，但管中窥豹，基本的原理和应用还是有理可循的，以后也可以更加深入的进行串联机器人的研究，为我国工业机器人技术贡献自己的一份力量。
参考文献：
[1]王济阳. 小型五自由度串联机器人的结构设计及运动学分析[D].天津科技大学，2017.
[2]徐有胜. 一种六自由度串联机器人的运动学与动力学仿真分析[D].深圳大学，2017.
[3]刘松国. 六自由度串联机器人运动优化与轨迹跟踪控制研究[D].浙江大学，2009.
[4]邢凯涛. 串联机器人轨迹规划方法研究[D].新疆大学，2017.
[5]李鑫，潘松峰，尹宁宁，杨彦平，陈玉玺. 六自由度串联机器人控制系统设计[N].青岛大学学报，2017-05.
[6]孙开林. 六自由度工业机器人运动与控制技术的研究[D].江南大学，2012.
[7]唐新华.焊接机器人的现状及发展趋势（二）[J].电焊机，2006，36（4）： 43-46.
[8]王战中，杨长建，刘超颖，等. MATLAB环境下六自由度焊接机器人运动学逆解及优化 [J].机械设计与制造，2013（7）：182-184.
[9]俞晓慧. 串联机器人轨迹规划研究及其控制系统设计[D].合肥工业大学，2015.
[10]黄文嘉. 工业机器人运动控制系统的研究与设计[D].浙江工业大学， 2014.
关键词：串联机器人；单片机；MCGS；步进电机；伺服电机
1.引言
在当今社会，机器人技术越来越广泛的应用到制造业领域中，并成为其领域的前沿技术。我国目前已由制造大国向制造强国转型，要想成为制造强国，就要大力发展制造业技术，使其生产手段向机械化、自动化、智能化、信息化变革。可以看到，通过大力发展经济、鼓励创新、产业扶持等国家政策，人民的生活水平就业水平越来越高，这也导致了劳动力价格的上升。
企业为了应对这一变化，只能提高劳动生产力，营造良好工作环境，此时工业机器人的应用就成为了企业适应社会的不二法宝，自动化流水线上的机器人尤甚。串联机器人属于工业机器人中关节型机器人的一种，它具有搬运、装配、焊接、喷漆等等用途，动作灵活、结构紧凑。
2.串联机器人总体方案设计
本文的六自由度串联机器人总体方案设计主要分为两大部分来论述，分别为串联机器人硬件系统和串联机器人软件系统。而对于它的机械系统也就是机器人本身的构造机械原理等由于篇幅原因不多加以论述，关于机器人的动作范围、最大速度等技术参数模块1～6有所不同，如模块1 ：-90°～ 90°，30o / S，模块4：-90°～ 90°，20o / S。这是经过精密计算、多次试验得出的成熟结果。
机器人系统采用PC工控机为上位机，8051单片机作为下位机，配以人机交互界面。硬件平台中，PC机作为人机交互界面的载体有很强的通用性、适用性，人机交互界面可用MCGS软件进行设计编辑，还可进行模拟仿真；机器人系统利用上位机Windows操作系统面向C51语言可进行方便的程序语言编写。
一个智能机器人想要工作必须要有“身体”和“大脑”，对于六自由度串联机器人来说，它的外部结构，内部连接等硬件系统就是身体；用于控制驱动“身体”的控制器，用于表达我们思想的程序语言，用于进行控制的组态等就是“大脑”。关于硬件系统和软件系统之间的功能与联系我们可以单片机控制器、PC机、机器人本体、I/O模块和通讯接口等构成硬件平台；单片机软件系统、PC机操作系统、运动程序等组成软件平台。
3.串联机器人硬件系统设计
本文采用的是Intel公司的8051单片机作为控制核心，配合其它的硬件构成了六自由度串联机器人的控制系统。机器人采用串联式开链结构，其中包括底座，模块1～6，机械手爪，三大部分。模块1～6逐级组合，每一块都可独立运行、拆卸组装，其末端有旋转、回转两种运动方式，由此构成的工业机器人中的六自由度串联机器人形式。为了更好的看清机器人齿轮传动和运动动作，每一模块采用透明式结构，内部传动模块采用了微缩设计，更加符合工业机器人的特点，六个模块采用步进伺服电机混合驱动，使内容更加多样化，富有设计感。
在串联机器人电控柜布局中，包括伺服电机、步进电机、电磁阀、指示灯、按钮、开关、接触器、继电器等外围电路，还有在PLC的基础上改用8051单片机实现的核心控制电路。串联机器人的硬件原理图中，进行了按钮和指示灯的工作原理以及电气连接描述。机器人用低压电器接触器、继电器等对指示灯、按钮等进行了电气控制，还用七个限位开关对机器人的每一个关节进行保护，并能够把每个关节的信息反馈给单片机。
六自由度串联机器人控制系统的核心——STC12C5A60S2。它是40管脚的器件，适用于强干扰、电机驱动场合。由于串联机器人由五個步进电机和一个伺服电机驱动，并且模块1～6还设计有限位开关，报警急停装置等，因此单片机原本的I/O接口不够用，需要对其进行扩展。STC12C5A60S2 I/O接口的扩展用到了可编程外设接口电路8255A和三态输出锁存器74LS373。锁存器起到对单片机数据进行保持的作用，使单片机完成对外部电路的控制。
4.串联机器人软件系统设计
本文的软件平台是基于PC机的MCGS组态软件组成。主要功能包括串联机器人坐标参数的设置与显示、由单轴运动、六轴联动、电磁阀开闭三部分构成的机器人运动系统、进行位置初始化的复位操作、包括记录和再现两大步骤的示教功能，其中复位操作机器人开始六轴联动直到回复到系统设定的初始位置，动作速度可以通过改动单片机脉冲发送频率和机器人运动角度/脉冲数比值进行改变。
参照串联机器人的功能可以用MCGS建立出组态界面。将机器人的六个自由度分开进行控制，可以方便的进行搬运及示教功能，还可以在机器人限定范围内任意指定位置后让机器人匀速达到设定位置坐标。
5.结束语
本文以六自由度可拆卸串联机器人为蓝本进行了控制核心的改动，使机器人控制系统由PLC变成了STC12C5A60S2单片机。在硬件进行小范围改动后，实现了串联机器人的一些功能：搬运、示教再现等，成功用MCGS触摸屏对机器人六轴进行控制完成自动控制和手动控制两大类。对于软硬件的综合有一定想法并画出了示意图，对于机器人的背景、国内外发展情况有了较为清晰的认识，也为以后的科研方向提供了一种可能性。最后，本文虽然串联机器人的研究较为简单，但管中窥豹，基本的原理和应用还是有理可循的，以后也可以更加深入的进行串联机器人的研究，为我国工业机器人技术贡献自己的一份力量。
参考文献：
[1]王济阳. 小型五自由度串联机器人的结构设计及运动学分析[D].天津科技大学，2017.
[2]徐有胜. 一种六自由度串联机器人的运动学与动力学仿真分析[D].深圳大学，2017.
[3]刘松国. 六自由度串联机器人运动优化与轨迹跟踪控制研究[D].浙江大学，2009.
[4]邢凯涛. 串联机器人轨迹规划方法研究[D].新疆大学，2017.
[5]李鑫，潘松峰，尹宁宁，杨彦平，陈玉玺. 六自由度串联机器人控制系统设计[N].青岛大学学报，2017-05.
[6]孙开林. 六自由度工业机器人运动与控制技术的研究[D].江南大学，2012.
[7]唐新华.焊接机器人的现状及发展趋势（二）[J].电焊机，2006，36（4）： 43-46.
[8]王战中，杨长建，刘超颖，等. MATLAB环境下六自由度焊接机器人运动学逆解及优化 [J].机械设计与制造，2013（7）：182-184.
[9]俞晓慧. 串联机器人轨迹规划研究及其控制系统设计[D].合肥工业大学，2015.
[10]黄文嘉. 工业机器人运动控制系统的研究与设计[D].浙江工业大学， 2014.