本站原创摘 要 ：本文研究了简易机械手系统的基本机构和系统功能,并讨论了由单片机控制机械手完成搬运功能的可行性.
关 键 词 ：机械手 控制系统 单片机
中图分类号:TP241 文献标识码：A 文章编号：1007-9416(2012)01-0012-01
近年来,我国工业自动化水平不断提高,工业机械手以其作业准确、较高的环境适应能力以及替代人繁重劳动的能力等特点,广泛的应用于冶金、机械制造、电子、轻工等企业.机械手技术是一门跨学科综合技术.涉及机械学、电气液压技术、自动控制技术、传感器技术和计算机技术等科学领域, 其控制系统是核心部分,可以采取继电器控制、PLC控制和计算机控制.但这几种系统各有优缺点,在中小型企业中,不被认可.
若采用单片机控制机械手,既可以保证系统可靠运行,又可以降低设备成本,本文探讨了采用MCS-51系列单片机控制机械手系统.
1.机械手的基本结构和系统功能
机械手一般由两个运动机构组成,即手部和肘部.手部是实现抓持工件（或工具）功能,按工件不同的结构形式有夹持型、托持型和吸附型机械手.手部完成各种转动（摆动）、移动或复合运动来实现规定的动作,改变被抓持物件的位置和姿势.另外,机械手自由度也是设计的关键参数.自由度多,机械手结构越复杂,其灵活性越大,其功能也越强大.
本设计是由单片机控制的机器手模型.单片机选用了AT89C51芯片,机械手具有三自由度,可以完成上下升降、左右90度旋转、前后伸缩、夹紧松开的简单动作.系统结构原理图,如图1所示,工作过程如下：
(1)系统上电,机械手在原位.
(2)检测上料位有无工件,若有工件,将信号送入单片机.
(3)机械手通过单片机控制的电机,实现抓取、搬运和放下工件的工序.
(4)如此往复,直到系统断电.
系统中选用光电传感器检测工件,机械手由步进电机控制,机械手在运动过程中,通过触碰行程开关转换状态.此系统兼有故障诊断的功能,在系统出现故障（如电路故障）时,系统可将信号经电路保护单元反馈给单片机,实现对应的保护措施.
2.硬件选型
系统主要控制对象为机械手,其动力系统为气动式.系统主要由采样放大单元、模数转换单元和控制单元、驱动单元和执行单元组成.信号采集选用漫反射式光电传感器；信号放大选用AD522芯片；模数转换采用8位串行A/D转换器TLC549芯片；控制单元选用AT89C51单片机；步进电机由UCN5804B集成电路芯片驱动.
3.软件设计
机械手控制系统软件设计主要由主程序、A/D转换子程序、报警子程序、定时子程序组成.
3.1 系统主程序程序
系统主程序主要实现自检初始化、外部中断及启动机械手搬运的功能.用户可以通过它监控系统的工作.主程序流程图如图2所示.
图2 主程序流程图
机械手的运动主要由4个步进电机实现.步进电机经驱动芯片与单片机P2口依次连接,行程开关与单片机的P0口依次连接.为使程序编写方便,将机械手的运动形式分解,划分为11个步骤,与驱动的电机的工作状态相对应,列出真值表.再根据真值表编写机械手控制程序.
另外,单片机实现对机械手运动控制,可对步进电机转角精确控制,因此必须能够产生PWM（脉冲调制）周期信号,并且能够调节脉冲信号的占空比.采用的控制方式是使用定时器设置初值,定时时间为20ms,在程序运行时通过改变定时器中断的初值,使其输出指定占空比的脉冲信号.此脉冲信号宽度是微秒级单位,这样既能提高系统控制精度,又能保证系统可靠工作.
3.2 其它子程序
(1)A/D转换子程序是将传感器输出信号放大后,经A/D转换器送入单片机内部数据存储器中,将数据按照指定格式存放在对应的位置.
(2)报警子程序是将当系统采集、数字滤波后的数据（比如电机温度）超过给定值的的上、下限时,系统发出声光报警,使程序转而处理故障.
(3)定时子程序是设定PWM（脉冲调制）周期信号的宽度,从而控制步进电机的转角精度.
4.结语
经过对机械手控制系统的研究和测试,单片机控制机械手系统能够实现机械手简单的动作规律,使用单片机控制,成本较低,易于修改控制方案和程序,今后的研究中要提高系统的抗干扰能力.