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機械手是近幾十年發展起來的一種高科技自動化生產設備，它的特點是可通過編程來完成各種預期的作業任務，在構造和性能上兼有人和機器各自的優點，尤其體現了人的智能和適應性。機械手作業的準確性和各種環境中完成作業的能力，在國民經濟各領域有著廣闊的發展前景。 1 機械手的基本原理 機械手主要由手部和運動機構組成。手部是用來抓持工件（或工具）的部件，根據被抓持物件的形狀、尺寸、重量、材料和作業要求而有多種結構形式，如夾持型、托持型和吸附型等。運動機構使手部完成各種轉動（擺動）、移動或復合運動來實現規定的動作，改變被抓持物件的位置和姿勢。運動機構的升降、伸縮、旋轉等獨立運動方式，稱為機械手的自由度。自由度是機械手設計的關鍵參數。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。一般專用機械手有2～3 個自由度。 本文采用單片機 AT89S52 作為控制系統的核心部件，在驅動系統中采用日本FUTABAS3003 舵機（即電動式）來構成基本的控制傳動系統，在機構的拼裝上采用3 自由度全金屬結構，達到自動抓取重物并轉移的目的。 2 系統硬件設計 2.1 動力系統的選擇 一個成功的機械手必須要有強大的動力系統和精準的信號系統。目前，機械手常用的動力系統有液壓式、氣動式、電動式、機械式。本文選擇電動式作為機械手的動力系統。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 在選擇好動力系統的同時，所要考慮的是如何產生控制舵機運動的控制信號，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 單片機系統實現對舵機輸出轉角的控制，必須首先完成兩個任務：首先是產生基本的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定時器中斷的初值，將20ms 分為兩次中斷執行，一次短定時中斷和一次長定時中斷。這樣既節省了硬件電路，也減少了軟件開銷，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,按下的同時控制口P1.0 發送高電平，然后設置定時器在0.7ms 后發生中斷，中斷發生后，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，如此往復實現PWM 信號輸出到舵機。用修改定時器中斷初值的方法巧妙形成了脈沖信號，調整時間段的寬度便可使伺服舵機靈活運動。 為保證軟件在定時中斷里不采集其他信號，并且使發生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間過長，有可能會發生中斷程序還未結束，下次中斷又到來的后果)，所以需要將采集信號的函數放在長定時中斷過程中執行，也就是說每經過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 以上是單片機對一個舵機控制的電路，單片機控制器控制三舵機電路圖如圖 2 所示。 圖2 單片機控制器控制三舵機電路圖 3 系統軟件設計 圖3 單片機控制器控制三舵機主程序流程圖 軟件程序設計中包含一個主程序和三個子程序。單片機控制三舵機主程序流程圖如圖3所示。主程序中開關KK 是決定自動或手動的按鍵，在自動檔里，通過三個舵機的分時轉動可以完成機械手的自動抓取物體并移動的目的。當KK 打到手動檔時，K1、K2、K3 是三個舵機的選擇開關，KK2、KK2 是控制電機正反轉動的開關，每次按下都有脈沖輸出給舵機進行比對，實現轉向的目的。三個子程序為自動運行程序、脈沖信號輸出程序和延時程序。 4 機械手的物理結構 機械手是三自由度旋轉機械手，主要由手，肘，和肩構成。手就是夾持物體的部分，由一舵機控制它的張合。肘是控制整個手臂上下運動的部件，由一個舵機控制。肩即機械手的底盤控制手臂水平面上的轉動。物理結構圖如下圖4。 圖 4 機械手實物圖 5 結束語 經過對機器人舵機控制的測試表明，舵機控制系統工作穩定，PWM 占空比 (0.3～2.5ms的正脈沖寬度)和舵機的轉角(-90°～90°)線性度較好。經過系統的組裝和調試較好的實現了機械手自動和手動兩種方式的抓取并轉移物體的目的。本文作者的創新點：詳細的介紹了使用單片機實現簡易機器人設計的一種新方法，該方法成本低，易于實現。 |
