基于单片机的机械手控制系统研究

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。