王慧東 楊冬英

(1.山西蘭花煤化工有限責(zé)任公司 2.山西大學(xué)商務(wù)學(xué)院)

1 引言

機(jī)器人的誕生和發(fā)展與科學(xué)技術(shù)革命有著密切的關(guān)系，符合科技革命關(guān)于生產(chǎn)實(shí)踐需要的理論。機(jī)器人作為一種高科技產(chǎn)品，也是不斷發(fā)展和完善的，這種不斷的發(fā)展和完善是通過科技革命的內(nèi)在推動(dòng)力來實(shí)現(xiàn)的。應(yīng)用機(jī)械手爪可以代替人從事單調(diào)、重復(fù)或繁重的體力勞動(dòng)，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的機(jī)械化和自動(dòng)化[1]。

本文基于單片機(jī)的原理，根據(jù)機(jī)械手爪的運(yùn)動(dòng)要求，設(shè)計(jì)一套基于 MCU的步進(jìn)電機(jī)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)[2～3]，具有自動(dòng)與手動(dòng)兩種功能，根據(jù)力反饋信息，控制機(jī)械手爪的展開角度，并具有限位和報(bào)警功能。

2 機(jī)械手爪結(jié)構(gòu)原理

機(jī)器人手爪 (也稱末端夾持器，下面簡稱為手爪)的二維結(jié)構(gòu)圖如圖 1所示。該手爪采用雙四連桿平行移動(dòng)的外夾式轉(zhuǎn)動(dòng)夾持器結(jié)構(gòu)，采用兩個(gè)手指結(jié)構(gòu)，開合范圍大、結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、效率高，可以充分保證自身剛度和強(qiáng)度。其運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)是直線步進(jìn)電機(jī)1的拉桿與套筒、支架同軸，支架為中空軸結(jié)構(gòu)，手指與支架軸銷相連。拉桿向外延伸時(shí)，推動(dòng)小拉桿聯(lián)動(dòng)，帶動(dòng)手指外張；拉桿內(nèi)縮時(shí)，實(shí)現(xiàn)手指收攏，從而實(shí)現(xiàn)手指的張合。在夾緊物體后，根據(jù)壓力傳感器2的反饋信號(hào)，確定電機(jī)是否停止運(yùn)動(dòng)。

圖1 機(jī)器人手爪結(jié)構(gòu)原理圖

3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 控制系統(tǒng)的工作原理

本設(shè)計(jì)基于單片機(jī)的原理，根據(jù)機(jī)械手爪的運(yùn)動(dòng)要求，設(shè)計(jì)一套基于MCU的步進(jìn)電機(jī)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，具有自動(dòng)與手動(dòng)兩種功能，控制機(jī)械手爪的展開角度，并具有力反饋、限位和報(bào)警功能。本設(shè)計(jì)中核心控制模塊選擇 AT89S52，驅(qū)動(dòng)手爪機(jī)構(gòu)電機(jī)用的是12V的兩相四線直線步進(jìn)電機(jī)，步進(jìn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)控制輸入直接用兩個(gè)按鍵，通過單片機(jī)讀入開關(guān)狀態(tài)從而選擇電機(jī)的正反轉(zhuǎn)程序運(yùn)行，驅(qū)動(dòng)電路芯片選用L298，選用壓力傳感器作為反饋電路的核心器件，機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)到一定的位置，傳感器檢測到力的反饋，給單片機(jī)一個(gè)信號(hào)[4]，單片機(jī)分析這個(gè)信號(hào)后，發(fā)出步進(jìn)電機(jī)停止信號(hào)或其它信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)反饋控制，用HC595緩存器接LED構(gòu)成顯示電路。

圖2為步進(jìn)電機(jī)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)方框圖，通過一個(gè)開關(guān)電路輸入機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)信息，單片機(jī)根據(jù)輸入的信息按照程序執(zhí)行，

圖2 步進(jìn)電機(jī)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)方框圖

通過驅(qū)動(dòng)模塊L298驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)。被控制的機(jī)構(gòu)根據(jù)步進(jìn)電機(jī)的正傳或反轉(zhuǎn)使中間的連桿上下運(yùn)動(dòng)，從而帶動(dòng)外圍設(shè)備的伸張和閉合，根據(jù)要求可以是機(jī)構(gòu)伸開為一個(gè)合適的角度。另外該機(jī)構(gòu)在外力作用下，機(jī)構(gòu)則會(huì)運(yùn)行到一定程度后不能繼續(xù)伸張，此時(shí)會(huì)回饋單片機(jī)一個(gè)信號(hào)，單片機(jī)經(jīng)程序運(yùn)行后，會(huì)發(fā)出相應(yīng)的信息。

3.2 控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

本文所研究的平面關(guān)節(jié)型手爪的控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)主要包括運(yùn)動(dòng)模塊、功率放大模塊、位置檢測模塊和顯示通信模塊。本設(shè)計(jì)采用MCS-51系列單片機(jī)[5]，選用12V的兩相四線步進(jìn)電機(jī)L298。

L298是SGS公司的產(chǎn)品，比較常見的是15腳Multiwatt封裝的L298N，內(nèi)部同樣包含4通道邏輯驅(qū)動(dòng)電路?？煞奖愕尿?qū)動(dòng)兩個(gè)直流電機(jī)，或一個(gè)兩相步進(jìn)電機(jī)。L298可驅(qū)動(dòng)一個(gè)四相步進(jìn)電機(jī)或一個(gè)兩相四線步進(jìn)電機(jī)。

L298可驅(qū)動(dòng)電感性負(fù)載，1腳和15腳下管的發(fā)射極分別單獨(dú)引出以便接入電流采樣電阻，形成電流傳感信號(hào)。L298可驅(qū)動(dòng)2個(gè)電動(dòng)機(jī)，OUT1、OUT2和OUT3、OUT4之間可分別接電動(dòng)機(jī)，我們選用驅(qū)動(dòng)一臺(tái)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。則根據(jù)L298驅(qū)動(dòng)芯片的應(yīng)用原理和本次選用步進(jìn)電機(jī)的情況，本設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)電路如圖3。圖中L298N的5～7、10～12管腳接AT89S52的P2口，其中5、7、10、12腳用于接收單片機(jī)輸出的脈沖，根據(jù)控制輸入按鍵的鍵值以控制步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行正反轉(zhuǎn)，對于步進(jìn)電機(jī)的速度控制則直接采用軟件方法，改變脈沖間隔來實(shí)現(xiàn)。6、11管腳是使能端，在應(yīng)用時(shí)通過軟件使其為高電平就可了。

圖3 驅(qū)動(dòng)電路連接圖

顯示電路在本設(shè)計(jì)中是重要的一部分，通過它來實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)角度顯示，以便控制機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)。本設(shè)計(jì)選用HC595鎖存芯片連接LED實(shí)現(xiàn)顯示。LED 是一種較為常用的發(fā)光元件。以LED 為發(fā)光元件研制的顯示屏可作為實(shí)時(shí)工業(yè)控制系統(tǒng)中的遠(yuǎn)距離實(shí)時(shí)信息顯示器，對高要求的工藝流程進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。

3.3 控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)的軟件部分主要包括初始化模塊、運(yùn)動(dòng)控制模塊、壓力檢測模塊和通信模塊。單片機(jī)根據(jù)位置檢測模塊獲取的信息，確定機(jī)械手的速度、加速度和位置，將這些信息傳入LM629，由速度梯形圖生成速度曲線，進(jìn)行位置控制。

3.3.1 步進(jìn)電機(jī)脈沖分配

本軟件設(shè)計(jì)中首要解決的問題是步進(jìn)電機(jī)的脈沖發(fā)送問題。進(jìn)電機(jī)的脈沖分配有兩種方法：軟件法和硬件法。軟件法是完全用軟件的方式，按照給定的通電換向順序，通過單片機(jī)的I/O口向驅(qū)動(dòng)電路發(fā)出控制脈沖。圖4是用這種方法控制兩相四線步進(jìn)電機(jī)的硬件接口的示意圖。利用單片機(jī)的P2.4、P2.5、P2.7、P2.8 這四條I/O線，向兩相四線步進(jìn)電機(jī)發(fā)控制信號(hào)。

圖4 用軟件實(shí)現(xiàn)脈沖分配的接口示意圖

下面就本設(shè)計(jì)用的兩相四線步進(jìn)電機(jī)的四拍工作方式說明如何實(shí)現(xiàn)軟件設(shè)計(jì)，同時(shí)給出本次設(shè)計(jì)中步進(jìn)電機(jī)的脈沖對應(yīng)的控制字。

兩相四線四拍工作方式的通電換向順序?yàn)椋篈B→/AB→/A/B→A/B,共有四個(gè)通電狀態(tài)。如果P2口輸出的控制信號(hào)中，1代表是繞組通電，0代表是繞組斷電，則可用四個(gè)控制字來對應(yīng)四個(gè)通電狀態(tài)。

在程序中，只要一次將這四個(gè)控制字送到P2口，步進(jìn)電機(jī)就會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)齒距角。每送一個(gè)控制字，就完成一拍，步進(jìn)電機(jī)移動(dòng)一個(gè)節(jié)距，程序就是依據(jù)這個(gè)原理進(jìn)行的。

3.3.2 顯示的軟件控制

LED顯示器有靜態(tài)顯示和動(dòng)態(tài)顯示兩種顯示方式。所謂靜態(tài)顯示，就是當(dāng)顯示器顯示某一個(gè)字符時(shí)，相應(yīng)的發(fā)光二極管恒定地導(dǎo)通或截止，例如八段顯示器的a,b,c,d,e,f,dp導(dǎo)通，g截止，顯示0。

本設(shè)計(jì)的顯示部分采用的是用具有三態(tài)輸出功能的 8位串行輸入，并行輸出移位寄存器 74HC595連接數(shù)碼管而成，實(shí)際使用的是靜態(tài)顯示方法。雖然靜態(tài)顯示占用的口較多，但是本次采用串入并出的寄存器HC595，這樣就可以節(jié)省單片機(jī)的接口。

3.3.3 流程圖

本設(shè)計(jì)的流程圖如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)程序流程圖

4 機(jī)械手爪的應(yīng)用

設(shè)計(jì)的該型手爪應(yīng)用到了零件存取機(jī)器人上，如圖6所示。隨著機(jī)器人的空間運(yùn)動(dòng)，在兩個(gè)操作臂（兩個(gè)運(yùn)動(dòng)滑臺(tái)構(gòu)成）的共同作用下，手爪能夠接近要抓的物體；同時(shí)，手爪在電機(jī)的帶動(dòng)下張開，以便能夠抓住物體。當(dāng)物體被控制在手爪的控制范圍內(nèi)時(shí)，手爪夾緊物體，然后通過操作臂的伸縮運(yùn)動(dòng)，最終將物體置于規(guī)定的位置。試驗(yàn)表明，該型機(jī)械手運(yùn)動(dòng)可靠，平穩(wěn)，滿足了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié)語

根據(jù)作業(yè)任務(wù)的特點(diǎn),完成了一種機(jī)械手爪的控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)基于 AT89S52具有硬件電路結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高、成本低廉以及單片機(jī)CPU負(fù)擔(dān)小，控制的實(shí)時(shí)性好等優(yōu)點(diǎn)。這種自行開發(fā)制作的控制電路板應(yīng)用面較廣，在其它機(jī)器人中也能取得很好的應(yīng)用效果。本機(jī)械手爪應(yīng)用到了實(shí)際的機(jī)器人上，具有運(yùn)行可靠，機(jī)構(gòu)簡單的特點(diǎn)。

圖6 機(jī)器人系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

[1]于殿勇,劉興義.基于PLC與觸摸屏控制的搬運(yùn)機(jī)械手的應(yīng)用[J].制造業(yè)自動(dòng)化,2009(08):121～123

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