基于單片機的機械手控制系統(tǒng)研究

近年來，我國工業(yè)自動化水平不斷提高，工業(yè)機械手以其作業(yè)準(zhǔn)確、較高的環(huán)境適應(yīng)能力以及替代人繁重勞動的能力等特點，廣泛的應(yīng)用于冶金、機械制造、電子、輕工等企業(yè)。機械手技術(shù)是一門跨學(xué)科綜合技術(shù)。涉及機械學(xué)、電氣液壓技術(shù)、自動控制技術(shù)、傳感器技術(shù)和計算機技術(shù)等科學(xué)領(lǐng)域，其控制系統(tǒng)是核心部分，可以采取繼電器控制、PLC控制和計算機控制。但這幾種系統(tǒng)各有優(yōu)缺點，在中小型企業(yè)中，不被認(rèn)可。
若采用單片機控制機械手，既可以保證系統(tǒng)可靠運行，又可以降低設(shè)備成本，本文探討了采用MCS-51系列單片機控制機械手系統(tǒng)。
1、機械手的基本結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)功能
機械手一般由兩個運動機構(gòu)組成，即手部和肘部。手部是實現(xiàn)抓持工件（或工具）功能，按工件不同的結(jié)構(gòu)形式有夾持型、托持型和吸附型機械手。手部完成各種轉(zhuǎn)動（擺動）、移動或復(fù)合運動來實現(xiàn)規(guī)定的動作，改變被抓持物件的位置和姿勢。另外，機械手自由度也是設(shè)計的關(guān)鍵參數(shù)。自由度多，機械手結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，其靈活性越大，其功能也越強大。
本設(shè)計是由單片機控制的機器手模型。單片機選用了AT89C51芯片，機械手具有三自由度，可以完成上下升降、左右90度旋轉(zhuǎn)、前后伸縮、夾緊松開的簡單動作。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖，如圖1所示，工作過程如下：
(1)系統(tǒng)上電，機械手在原位。
(2)檢測上料位有無工件，若有工件，將信號送入單片機。
(3)機械手通過單片機控制的電機，實現(xiàn)抓取、搬運和放下工件的工序。
(4)如此往復(fù)，直到系統(tǒng)斷電。
系統(tǒng)中選用光電傳感器檢測工件，機械手由步進(jìn)電機控制，機械手在運動過程中，通過觸碰行程開關(guān)轉(zhuǎn)換狀態(tài)。此系統(tǒng)兼有故障診斷的功能，在系統(tǒng)出現(xiàn)故障（如電路故障）時，系統(tǒng)可將信號經(jīng)電路保護(hù)單元反饋給單片機，實現(xiàn)對應(yīng)的保護(hù)措施。
2、硬件選型
系統(tǒng)主要控制對象為機械手，其動力系統(tǒng)為氣動式。系統(tǒng)主要由采樣放大單元、模數(shù)轉(zhuǎn)換單元和控制單元、驅(qū)動單元和執(zhí)行單元組成。信號采集選用漫反射式光電傳感器；信號放大選用AD522芯片；模數(shù)轉(zhuǎn)換采用8位串行A/D轉(zhuǎn)換器TLC549芯片；控制單元選用AT89C51單片機；步進(jìn)電機由UCN5804B集成電路芯片驅(qū)動。
3、軟件設(shè)計
機械手控制系統(tǒng)軟件設(shè)計主要由主程序、A/D轉(zhuǎn)換子程序、報警子程序、定時子程序組成。
3.1系統(tǒng)主程序程序
系統(tǒng)主程序主要實現(xiàn)自檢初始化、外部中斷及啟動機械手搬運的功能。用戶可以通過它監(jiān)控系統(tǒng)的工作。主程序流機械手的運動主要由4個步進(jìn)電機實現(xiàn)。步進(jìn)電機經(jīng)驅(qū)動芯片與單片機P2口依次連接，行程開關(guān)與單片機的P0口依次連接。為使程序編寫方便，將機械手的運動形式分解，劃分為11個步驟，與驅(qū)動的電機的工作狀態(tài)相對應(yīng)，列出真值表。再根據(jù)真值表編寫機械手控制程序。
另外，單片機實現(xiàn)對機械手運動控制，可對步進(jìn)電機轉(zhuǎn)角精確控制，因此必須能夠產(chǎn)生PWM（脈沖調(diào)制）周期信號，并且能夠調(diào)節(jié)脈沖信號的占空比。采用的控制方式是使用定時器設(shè)置初值，定時時間為20ms，在程序運行時通過改變定時器中斷的初值，使其輸出指定占空比的脈沖信號。此脈沖信號寬度是微秒級單位，這樣既能提高系統(tǒng)控制精度，又能保證系統(tǒng)可靠工作。
3.2其它子程序
(1)A/D轉(zhuǎn)換子程序是將傳感器輸出信號放大后，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器送入單片機內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器中，將數(shù)據(jù)按照指定格式存放在對應(yīng)的位置。
(2)報警子程序是將當(dāng)系統(tǒng)采集、數(shù)字濾波后的數(shù)據(jù)（比如電機溫度）超過給定值的的上、下限時，系統(tǒng)發(fā)出聲光報警，使程序轉(zhuǎn)而處理故障。
(3)定時子程序是設(shè)定PWM（脈沖調(diào)制）周期信號的寬度，從而控制步進(jìn)電機的轉(zhuǎn)角精度。
4、結(jié)語
經(jīng)過對機械手控制系統(tǒng)的研究和測試，單片機控制機械手系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)機械手簡單的動作規(guī)律，使用單片機控制，成本較低，易于修改控制方案和程序，今后的研究中要提高系統(tǒng)的抗干擾能力。