基于單片機的簡(jiǎn)易機械手的設計

0 引言

機械手是近幾十年發(fā)展起來(lái)的一種高科技自動(dòng)化生產(chǎn)設備，它的特點(diǎn)是可通過(guò)編程來(lái)完成各種預期的作業(yè)任務(wù)，在構造和性能上兼有人和機器各自的優(yōu)點(diǎn)，尤其體現了人的智能和適應性。機械手作業(yè)的準確性和各種環(huán)境中完成作業(yè)的能力，在國民經(jīng)濟各領(lǐng)域有著(zhù)廣闊的發(fā)展前景。

1 機械手的基本原理

機械手主要由手部和運動(dòng)機構組成。手部是用來(lái)抓持工件(或工具)的部件，根據被抓持物件的形狀、尺寸、重量、材料和作業(yè)要求而有多種結構形式，如夾持型、托持型和吸附型等。運動(dòng)機構使手部完成各種轉動(dòng)(擺動(dòng))、移動(dòng)或復合運動(dòng)來(lái)實(shí)現規定的動(dòng)作，改變被抓持物件的位置和姿勢。運動(dòng)機構的升降、伸縮、旋轉等獨立運動(dòng)方式，稱(chēng)為機械手的自由度。自由度是機械手設計的關(guān)鍵參數。自由度越多，機械手的靈活性越大，通用性越廣，其結構也越復雜。一般專(zhuān)用機械手有2～3 個(gè)自由度。

本文采用單片機 AT89S52 作為控制系統的核心部件，在驅動(dòng)系統中采用日本FUTABAS3003 舵機(即電動(dòng)式)來(lái)構成基本的控制傳動(dòng)系統，在機構的拼裝上采用3 自由度全金屬結構，達到自動(dòng)抓取重物并轉移的目的。

2 系統硬件設計

2.1 動(dòng)力系統的選擇

一個(gè)成功的機械手必須要有強大的動(dòng)力系統和精準的信號系統。目前，機械手常用的動(dòng)力系統有液壓式、氣動(dòng)式、電動(dòng)式、機械式。本文選擇電動(dòng)式作為機械手的動(dòng)力系統。在機器人機電控制系統中，舵機控制效果是性能的重要影響因素。舵機可以在微機電系統和航模中作為基本的輸出執行機構，其簡(jiǎn)單的控制和輸出使得單片機系統非常容易與之接口，所以本文選擇舵機驅動(dòng)系統。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。本文選用的舵機為FUBATA 的，型號為S3003。其主要技術(shù)參數如下：①轉速：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 控制系統的選擇

在選擇好動(dòng)力系統的同時(shí)，所要考慮的是如何產(chǎn)生控制舵機運動(dòng)的控制信號，本文選擇單片機AT89S52 作為控制單元，單片機可以使PWM(脈沖調制)信號的脈沖寬度實(shí)現微秒級的變化，從而提高舵機的轉角精度。單片機完成控制算法，再將計算結果轉化為PWM 信號輸出到舵機，由于單片機系統是一個(gè)數字系統，其控制信號的變化完全依靠硬件計數，所以受外界干擾較小，整個(gè)系統工作可靠。

2.3 舵機控制器的總體硬件設計

單片機系統實(shí)現對舵機輸出轉角的控制，必須首先完成兩個(gè)任務(wù)：首先是產(chǎn)生基本的PWM 周期信號，因為FUTABA-S3003 內部的比對信號周期為20ms,所以本設計也要產(chǎn)生20ms的周期信號;其次是脈寬的調整，即單片機模擬PWM 信號的輸出，并且調整占空比。采用的控制方式是改變單片機的一個(gè)定時(shí)器中斷的初值，將20ms 分為兩次中斷執行，一次短定時(shí)中斷和一次長(cháng)定時(shí)中斷。這樣既節省了硬件電路，也減少了軟件開(kāi)銷(xiāo)，控制系統工作效率和控制精度都很高。具體如圖1 所示：例如想讓舵機轉向30 度的角度，它的正脈沖為0.7ms，則負脈沖為20ms-0.7ms=19.3ms，所以按下30 度的按鍵,按下的同時(shí)控制口P1.0 發(fā)送高電平，然后設置定時(shí)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(shí)間改為19.3ms，再過(guò)19.3ms 進(jìn)入下一次定時(shí)中斷，再將控制口P1.0 改為高電平，并將定時(shí)器初值改為0.7ms，等待下次中斷到來(lái)，如此往復實(shí)現PWM 信號輸出到舵機。用修改定時(shí)器中斷初值的方法巧妙形成了脈沖信號，調整時(shí)間段的寬度便可使伺服舵機靈活運動(dòng)。 為保證軟件在定時(shí)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行(如果這些程序所占用時(shí)間過(guò)長(cháng)，有可能會(huì )發(fā)生中斷程序還未結束，下次中斷又到來(lái)的后果)，所以需要將采集信號的函數放在長(cháng)定時(shí)中斷過(guò)程中執行，也就是說(shuō)每經(jīng)過(guò)兩次中斷執行一次這些程序，執行的周期還是20ms。在圖1 中的九個(gè)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 單片機控制器控制一舵機電路圖