基于單片機(jī)的簡易機(jī)械手的設(shè)計

0 引言

機(jī)械手是近幾十年發(fā)展起來的一種高科技自動化生產(chǎn)設(shè)備，它的特點(diǎn)是可通過編程來完成各種預(yù)期的作業(yè)任務(wù)，在構(gòu)造和性能上兼有人和機(jī)器各自的優(yōu)點(diǎn)，尤其體現(xiàn)了人的智能和適應(yīng)性。機(jī)械手作業(yè)的準(zhǔn)確性和各種環(huán)境中完成作業(yè)的能力，在國民經(jīng)濟(jì)各領(lǐng)域有著廣闊的發(fā)展前景。

1 機(jī)械手的基本原理

機(jī)械手主要由手部和運(yùn)動機(jī)構(gòu)組成。手部是用來抓持工件(或工具)的部件，根據(jù)被抓持物件的形狀、尺寸、重量、材料和作業(yè)要求而有多種結(jié)構(gòu)形式，如夾持型、托持型和吸附型等。運(yùn)動機(jī)構(gòu)使手部完成各種轉(zhuǎn)動(擺動)、移動或復(fù)合運(yùn)動來實(shí)現(xiàn)規(guī)定的動作，改變被抓持物件的位置和姿勢。運(yùn)動機(jī)構(gòu)的升降、伸縮、旋轉(zhuǎn)等獨(dú)立運(yùn)動方式，稱為機(jī)械手的自由度。自由度是機(jī)械手設(shè)計的關(guān)鍵參數(shù)。自由度越多，機(jī)械手的靈活性越大，通用性越廣，其結(jié)構(gòu)也越復(fù)雜。一般專用機(jī)械手有2～3 個自由度。

本文采用單片機(jī) AT89S52 作為控制系統(tǒng)的核心部件，在驅(qū)動系統(tǒng)中采用日本FUTABAS3003 舵機(jī)(即電動式)來構(gòu)成基本的控制傳動系統(tǒng)，在機(jī)構(gòu)的拼裝上采用3 自由度全金屬結(jié)構(gòu)，達(dá)到自動抓取重物并轉(zhuǎn)移的目的。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 動力系統(tǒng)的選擇

一個成功的機(jī)械手必須要有強(qiáng)大的動力系統(tǒng)和精準(zhǔn)的信號系統(tǒng)。目前，機(jī)械手常用的動力系統(tǒng)有液壓式、氣動式、電動式、機(jī)械式。本文選擇電動式作為機(jī)械手的動力系統(tǒng)。在機(jī)器人機(jī)電控制系統(tǒng)中，舵機(jī)控制效果是性能的重要影響因素。舵機(jī)可以在微機(jī)電系統(tǒng)和航模中作為基本的輸出執(zhí)行機(jī)構(gòu)，其簡單的控制和輸出使得單片機(jī)系統(tǒng)非常容易與之接口，所以本文選擇舵機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)。它接收一定的控制信號，輸出一定的角度，非常適用于那些需要角度不斷變化并可以保持的控制系統(tǒng)。本文選用的舵機(jī)為FUBATA 的，型號為S3003。其主要技術(shù)參數(shù)如下：①轉(zhuǎn)速：0.23 秒/60 度。②力矩：3.2kg·cm。③尺寸：44.1mm×26.6mm×36.1mm。④重量：37.2g。⑤5V 電源供電。

2.2 控制系統(tǒng)的選擇

在選擇好動力系統(tǒng)的同時，所要考慮的是如何產(chǎn)生控制舵機(jī)運(yùn)動的控制信號，本文選擇單片機(jī)AT89S52 作為控制單元，單片機(jī)可以使PWM(脈沖調(diào)制)信號的脈沖寬度實(shí)現(xiàn)微秒級的變化，從而提高舵機(jī)的轉(zhuǎn)角精度。單片機(jī)完成控制算法，再將計算結(jié)果轉(zhuǎn)化為PWM 信號輸出到舵機(jī)，由于單片機(jī)系統(tǒng)是一個數(shù)字系統(tǒng)，其控制信號的變化完全依靠硬件計數(shù)，所以受外界干擾較小，整個系統(tǒng)工作可靠。

2.3 舵機(jī)控制器的總體硬件設(shè)計

單片機(jī)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對舵機(jī)輸出轉(zhuǎn)角的控制，必須首先完成兩個任務(wù)：首先是產(chǎn)生基本的PWM 周期信號，因?yàn)镕UTABA-S3003 內(nèi)部的比對信號周期為20ms,所以本設(shè)計也要產(chǎn)生20ms的周期信號;其次是脈寬的調(diào)整，即單片機(jī)模擬PWM 信號的輸出，并且調(diào)整占空比。采用的控制方式是改變單片機(jī)的一個定時器中斷的初值，將20ms 分為兩次中斷執(zhí)行，一次短定時中斷和一次長定時中斷。這樣既節(jié)省了硬件電路，也減少了軟件開銷，控制系統(tǒng)工作效率和控制精度都很高。具體如圖1 所示：例如想讓舵機(jī)轉(zhuǎn)向30 度的角度，它的正脈沖為0.7ms，則負(fù)脈沖為20ms-0.7ms=19.3ms，所以按下30 度的按鍵,按下的同時控制口P1.0 發(fā)送高電平，然后設(shè)置定時器在0.7ms 后發(fā)生中斷，中斷發(fā)生后，在中斷程序里將控制口P1.0 改為低電平，并將中斷時間改為19.3ms，再過19.3ms 進(jìn)入下一次定時中斷，再將控制口P1.0 改為高電平，并將定時器初值改為0.7ms，等待下次中斷到來，如此往復(fù)實(shí)現(xiàn)PWM 信號輸出到舵機(jī)。用修改定時器中斷初值的方法巧妙形成了脈沖信號，調(diào)整時間段的寬度便可使伺服舵機(jī)靈活運(yùn)動。 為保證軟件在定時中斷里不采集其他信號，并且使發(fā)生PWM 信號的程序不影響中斷程序的運(yùn)行(如果這些程序所占用時間過長，有可能會發(fā)生中斷程序還未結(jié)束，下次中斷又到來的后果)，所以需要將采集信號的函數(shù)放在長定時中斷過程中執(zhí)行，也就是說每經(jīng)過兩次中斷執(zhí)行一次這些程序，執(zhí)行的周期還是20ms。在圖1 中的九個按鍵是控制信號輸出的控制鍵，指示燈起到指示作用，在P1.0 口是控制信號輸出端口。

圖 1 單片機(jī)控制器控制一舵機(jī)電路圖

以上是單片機(jī)對一個舵機(jī)控制的電路，單片機(jī)控制器控制三舵機(jī)電路圖如圖 2 所示。

圖2 單片機(jī)控制器控制三舵機(jī)電路圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

圖3 單片機(jī)控制器控制三舵機(jī)主程序流程圖

軟件程序設(shè)計中包含一個主程序和三個子程序。單片機(jī)控制三舵機(jī)主程序流程圖如圖3所示。主程序中開關(guān)KK 是決定自動或手動的按鍵，在自動檔里，通過三個舵機(jī)的分時轉(zhuǎn)動可以完成機(jī)械手的自動抓取物體并移動的目的。當(dāng)KK 打到手動檔時，K1、K2、K3 是三個舵機(jī)的選擇開關(guān)，KK2、KK2 是控制電機(jī)正反轉(zhuǎn)動的開關(guān)，每次按下都有脈沖輸出給舵機(jī)進(jìn)行比對，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向的目的。三個子程序?yàn)樽詣舆\(yùn)行程序、脈沖信號輸出程序和延時程序。

4 機(jī)械手的物理結(jié)構(gòu)

機(jī)械手是三自由度旋轉(zhuǎn)機(jī)械手，主要由手，肘，和肩構(gòu)成。手就是夾持物體的部分，由一舵機(jī)控制它的張合。肘是控制整個手臂上下運(yùn)動的部件，由一個舵機(jī)控制。肩即機(jī)械手的底盤控制手臂水平面上的轉(zhuǎn)動。物理結(jié)構(gòu)圖如下圖4。

圖 4 機(jī)械手實(shí)物圖

5 結(jié)束語

經(jīng)過對機(jī)器人舵機(jī)控制的測試表明，舵機(jī)控制系統(tǒng)工作穩(wěn)定，PWM 占空比 (0.3～2.5ms的正脈沖寬度)和舵機(jī)的轉(zhuǎn)角(-90°～90°)線性度較好。經(jīng)過系統(tǒng)的組裝和調(diào)試較好的實(shí)現(xiàn)了機(jī)械手自動和手動兩種方式的抓取并轉(zhuǎn)移物體的目的。本文作者的創(chuàng)新點(diǎn)：詳細(xì)的介紹了使用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)簡易機(jī)器人設(shè)計的一種新方法，該方法成本低，易于實(shí)現(xiàn)。