機械手是近幾十年發(fā)展起來(lái)的一種高科技自動(dòng)化生產(chǎn)設備,它的特點(diǎn)是可通過(guò)編程來(lái)完成各種預期的作業(yè)任務(wù),在構造和性能上兼有人和機器各自的優(yōu)點(diǎn),尤其體現了人的智能和適應性。機械手作業(yè)的準確性和各種環(huán)境中完成作業(yè)的能力,在國民經(jīng)濟各領(lǐng)域有著(zhù)廣闊的發(fā)展前景。 1 機械手的基本原理 機械手主要由手部和運動(dòng)機構組成。手部是用來(lái)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(yè)要求而有多種結構形式,如夾持型、托持型和吸附型等。運動(dòng)機構使手部完成各種轉動(dòng)(擺動(dòng))、移動(dòng)或復合運動(dòng)來(lái)實(shí)現規定的動(dòng)作,改變被抓持物件的位置和姿勢。運動(dòng)機構的升降、伸縮、旋轉等獨立運動(dòng)方式,稱(chēng)為機械手的自由度。自由度是機械手設計的關(guān)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(zhuān)用機械手有2~3 個(gè)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(dòng)系統中采用日本FUTABAS3003 舵機(即電動(dòng)式)來(lái)構成基本的控制傳動(dòng)系統,在機構的拼裝上采用3 自由度全金屬結構,達到自動(dòng)抓取重物并轉移的目的。 2 系統硬件設計 2.1 動(dòng)力系統的選擇 一個(gè)成功的機械手必須要有強大的動(dòng)力系統和精準的信號系統。目前,機械手常用的動(dòng)力系統有液壓式、氣動(dòng)式、電動(dòng)式、機械式。本文選擇電動(dòng)式作為機械手的動(dòng)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(jiǎn)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(dòng)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(shù)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(dòng)力系統的同時(shí),所要考慮的是如何產(chǎn)生控制舵機運動(dòng)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(shí)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(gè)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(gè)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(shí)現對舵機輸出轉角的控制,必須首先完成兩個(gè)任務(wù):首先是產(chǎn)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(chǎn)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(gè)定時(shí)器中斷的初值,將20ms 分為兩次中斷執行,一次短定時(shí)中斷和一次長(cháng)定時(shí)中斷。這樣既節省了硬件電路,也減少了軟件開(kāi)銷(xiāo),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(shí)控制口P1.0 發(fā)送高電平,然后設置定時(shí)器在0.7ms 后發(fā)生中斷,中斷發(fā)生后,在中斷程序里將控制口P1.0 改為低電平,并將中斷時(shí)間改為19.3ms,再過(guò)19.3ms 進(jìn)入下一次定時(shí)中斷,再將控制口P1.0 改為高電平,并將定時(shí)器初值改為0.7ms,等待下次中斷到來(lái),如此往復實(shí)現PWM 信號輸出到舵機。用修改定時(shí)器中斷初值的方法巧妙形成了脈沖信號,調整時(shí)間段的寬度便可使伺服舵機靈活運動(dòng)。 為保證軟件在定時(shí)中斷里不采集其他信號,并且使發(fā)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(shí)間過(guò)長(cháng),有可能會(huì )發(fā)生中斷程序還未結束,下次中斷又到來(lái)的后果),所以需要將采集信號的函數放在長(cháng)定時(shí)中斷過(guò)程中執行,也就是說(shuō)每經(jīng)過(guò)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(gè)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(gè)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(gè)主程序和三個(gè)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(kāi)關(guān)KK 是決定自動(dòng)或手動(dòng)的按鍵,在自動(dòng)檔里,通過(guò)三個(gè)舵機的分時(shí)轉動(dòng)可以完成機械手的自動(dòng)抓取物體并移動(dòng)的目的。當KK 打到手動(dòng)檔時(shí),K1、K2、K3 是三個(gè)舵機的選擇開(kāi)關(guān),KK2、KK2 是控制電機正反轉動(dòng)的開(kāi)關(guān),每次按下都有脈沖輸出給舵機進(jìn)行比對,實(shí)現轉向的目的。三個(gè)子程序為自動(dòng)運行程序、脈沖信號輸出程序和延時(shí)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(gè)手臂上下運動(dòng)的部件,由一個(gè)舵機控制。肩即機械手的底盤(pán)控制手臂水平面上的轉動(dòng)。物理結構圖如下圖4。 圖 4 機械手實(shí)物圖 5 結束語(yǔ) 經(jīng)過(guò)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(xiàn)性度較好。經(jīng)過(guò)系統的組裝和調試較好的實(shí)現了機械手自動(dòng)和手動(dòng)兩種方式的抓取并轉移物體的目的。本文作者的創(chuàng )新點(diǎn):詳細的介紹了使用單片機實(shí)現簡(jiǎn)易機器人設計的一種新方法,該方法成本低,易于實(shí)現。 |