基于单片机的简易机械手的设计

0 引言

机械手是近几十年发展起来的一种高科技自动化生产设备，它的特点是可通过编程来完成各种预期的作业任务，在构造和性能上兼有人和机器各自的优点，尤其体现了人的智能和适应性。机械手作业的准确性和各种环境中完成作业的能力，在国民经济各领域有着广阔的发展前景。

1 机械手的基本原理

机械手主要由手部和运动机构组成。手部是用来抓持工件(或工具)的部件，根据被抓持物件的形状、尺寸、重量、材料和作业要求而有多种结构形式，如夹持型、托持型和吸附型等。运动机构使手部完成各种转动(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。运动机构的升降、伸缩、旋转等独立运动方式，称为机械手的自由度。自由度是机械手设计的关键参数。自由度越多，机械手的灵活性越大，通用性越广，其结构也越复杂。一般专用机械手有2～3 个自由度。

本文采用单片机 AT89S52 作为控制系统的核心部件，在驱动系统中采用日本FUTABAS3003 舵机(即电动式)来构成基本的控制传动系统，在机构的拼装上采用3 自由度全金属结构，达到自动抓取重物并转移的目的。

2 系统硬件设计

2.1 动力系统的选择

一个成功的机械手必须要有强大的动力系统和精准的信号系统。目前，机械手常用的动力系统有液压式、气动式、电动式、机械式。本文选择电动式作为机械手的动力系统。在机器人机电控制系统中，舵机控制效果是性能的重要影响因素。舵机可以在微机电系统和航模中作为基本的输出执行机构，其简单的控制和输出使得单片机系统非常容易与之接口，所以本文选择舵机驱动系统。它接收一定的控制信号，输出一定的角度，非常适用于那些需要角度不断变化并可以保持的控制系统。本文选用的舵机为FUBATA 的，型号为S3003。其主要技术参数如下：①转速：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 电源供电。

2.2 控制系统的选择

在选择好动力系统的同时，所要考虑的是如何产生控制舵机运动的控制信号，本文选择单片机AT89S52 作为控制单元，单片机可以使PWM(脉冲调制)信号的脉冲宽度实现微秒级的变化，从而提高舵机的转角精度。单片机完成控制算法，再将计算结果转化为PWM 信号输出到舵机，由于单片机系统是一个数字系统，其控制信号的变化完全依靠硬件计数，所以受外界干扰较小，整个系统工作可靠。

2.3 舵机控制器的总体硬件设计

单片机系统实现对舵机输出转角的控制，必须首先完成两个任务：首先是产生基本的PWM 周期信号，因为FUTABA-S3003 内部的比对信号周期为20ms,所以本设计也要产生20ms的周期信号;其次是脉宽的调整，即单片机模拟PWM 信号的输出，并且调整占空比。采用的控制方式是改变单片机的一个定时器中断的初值，将20ms 分为两次中断执行，一次短定时中断和一次长定时中断。这样既节省了硬件电路，也减少了软件开销，控制系统工作效率和控制精度都很高。具体如图1 所示：例如想让舵机转向30 度的角度，它的正脉冲为0.7ms，则负脉冲为20ms-0.7ms=19.3ms，所以按下30 度的按键,按下的同时控制口P1.0 发送高电平，然后设置定时器在0.7ms 后发生中断，中断发生后，在中断程序里将控制口P1.0 改为低电平，并将中断时间改为19.3ms，再过19.3ms 进入下一次定时中断，再将控制口P1.0 改为高电平，并将定时器初值改为0.7ms，等待下次中断到来，如此往复实现PWM 信号输出到舵机。用修改定时器中断初值的方法巧妙形成了脉冲信号，调整时间段的宽度便可使伺服舵机灵活运动。 为保证软件在定时中断里不采集其他信号，并且使发生PWM 信号的程序不影响中断程序的运行(如果这些程序所占用时间过长，有可能会发生中断程序还未结束，下次中断又到来的后果)，所以需要将采集信号的函数放在长定时中断过程中执行，也就是说每经过两次中断执行一次这些程序，执行的周期还是20ms。在图1 中的九个按键是控制信号输出的控制键，指示灯起到指示作用，在P1.0 口是控制信号输出端口。

图 1 单片机控制器控制一舵机电路图