机械手爪的单片机控制系统设计

王慧东 杨冬英

(1.山西兰花煤化工有限责任公司 2.山西大学商务学院)

1 引言

机器人的诞生和发展与科学技术革命有着密切的关系，符合科技革命关于生产实践需要的理论。机器人作为一种高科技产品，也是不断发展和完善的，这种不断的发展和完善是通过科技革命的内在推动力来实现的。应用机械手爪可以代替人从事单调、重复或繁重的体力劳动，实现生产的机械化和自动化[1]。

本文基于单片机的原理，根据机械手爪的运动要求，设计一套基于 MCU的步进电机伺服驱动系统[2～3]，具有自动与手动两种功能，根据力反馈信息，控制机械手爪的展开角度，并具有限位和报警功能。

2 机械手爪结构原理

机器人手爪 (也称末端夹持器，下面简称为手爪)的二维结构图如图 1所示。该手爪采用双四连杆平行移动的外夹式转动夹持器结构，采用两个手指结构，开合范围大、结构紧凑、重量轻、效率高，可以充分保证自身刚度和强度。其运动特点是直线步进电机1的拉杆与套筒、支架同轴，支架为中空轴结构，手指与支架轴销相连。拉杆向外延伸时，推动小拉杆联动，带动手指外张；拉杆内缩时，实现手指收拢，从而实现手指的张合。在夹紧物体后，根据压力传感器2的反馈信号，确定电机是否停止运动。

图1 机器人手爪结构原理图

3 控制系统设计

3.1 控制系统的工作原理

本设计基于单片机的原理，根据机械手爪的运动要求，设计一套基于MCU的步进电机伺服驱动系统，具有自动与手动两种功能，控制机械手爪的展开角度，并具有力反馈、限位和报警功能。本设计中核心控制模块选择 AT89S52，驱动手爪机构电机用的是12V的两相四线直线步进电机，步进电机的正反转控制输入直接用两个按键，通过单片机读入开关状态从而选择电机的正反转程序运行，驱动电路芯片选用L298，选用压力传感器作为反馈电路的核心器件，机构运动到一定的位置，传感器检测到力的反馈，给单片机一个信号[4]，单片机分析这个信号后，发出步进电机停止信号或其它信号，从而实现反馈控制，用HC595缓存器接LED构成显示电路。

图2为步进电机伺服驱动系统方框图，通过一个开关电路输入机构运动信息，单片机根据输入的信息按照程序执行，

图2 步进电机伺服驱动系统方框图

通过驱动模块L298驱动步进电机带动机构运动。被控制的机构根据步进电机的正传或反转使中间的连杆上下运动，从而带动外围设备的伸张和闭合，根据要求可以是机构伸开为一个合适的角度。另外该机构在外力作用下，机构则会运行到一定程度后不能继续伸张，此时会回馈单片机一个信号，单片机经程序运行后，会发出相应的信息。

3.2 控制系统的硬件设计

本文所研究的平面关节型手爪的控制系统硬件结构主要包括运动模块、功率放大模块、位置检测模块和显示通信模块。本设计采用MCS-51系列单片机[5]，选用12V的两相四线步进电机L298。

L298是SGS公司的产品，比较常见的是15脚Multiwatt封装的L298N，内部同样包含4通道逻辑驱动电路。可方便的驱动两个直流电机，或一个两相步进电机。L298可驱动一个四相步进电机或一个两相四线步进电机。

L298可驱动电感性负载，1脚和15脚下管的发射极分别单独引出以便接入电流采样电阻，形成电流传感信号。L298可驱动2个电动机，OUT1、OUT2和OUT3、OUT4之间可分别接电动机，我们选用驱动一台步进电动机。则根据L298驱动芯片的应用原理和本次选用步进电机的情况，本设计的驱动电路如图3。图中L298N的5～7、10～12管脚接AT89S52的P2口，其中5、7、10、12脚用于接收单片机输出的脉冲，根据控制输入按键的键值以控制步进电机进行正反转，对于步进电机的速度控制则直接采用软件方法，改变脉冲间隔来实现。6、11管脚是使能端，在应用时通过软件使其为高电平就可了。

图3 驱动电路连接图

显示电路在本设计中是重要的一部分，通过它来实现机构角度显示，以便控制机构的运动。本设计选用HC595锁存芯片连接LED实现显示。LED 是一种较为常用的发光元件。以LED 为发光元件研制的显示屏可作为实时工业控制系统中的远距离实时信息显示器，对高要求的工艺流程进行实时显示。

3.3 控制系统的软件设计

控制系统的软件部分主要包括初始化模块、运动控制模块、压力检测模块和通信模块。单片机根据位置检测模块获取的信息，确定机械手的速度、加速度和位置，将这些信息传入LM629，由速度梯形图生成速度曲线，进行位置控制。

3.3.1 步进电机脉冲分配

本软件设计中首要解决的问题是步进电机的脉冲发送问题。进电机的脉冲分配有两种方法：软件法和硬件法。软件法是完全用软件的方式，按照给定的通电换向顺序，通过单片机的I/O口向驱动电路发出控制脉冲。图4是用这种方法控制两相四线步进电机的硬件接口的示意图。利用单片机的P2.4、P2.5、P2.7、P2.8 这四条I/O线，向两相四线步进电机发控制信号。

图4 用软件实现脉冲分配的接口示意图

下面就本设计用的两相四线步进电机的四拍工作方式说明如何实现软件设计，同时给出本次设计中步进电机的脉冲对应的控制字。

两相四线四拍工作方式的通电换向顺序为：AB→/AB→/A/B→A/B,共有四个通电状态。如果P2口输出的控制信号中，1代表是绕组通电，0代表是绕组断电，则可用四个控制字来对应四个通电状态。

在程序中，只要一次将这四个控制字送到P2口，步进电机就会转动一个齿距角。每送一个控制字，就完成一拍，步进电机移动一个节距，程序就是依据这个原理进行的。

3.3.2 显示的软件控制

LED显示器有静态显示和动态显示两种显示方式。所谓静态显示，就是当显示器显示某一个字符时，相应的发光二极管恒定地导通或截止，例如八段显示器的a,b,c,d,e,f,dp导通，g截止，显示0。

本设计的显示部分采用的是用具有三态输出功能的 8位串行输入，并行输出移位寄存器 74HC595连接数码管而成，实际使用的是静态显示方法。虽然静态显示占用的口较多，但是本次采用串入并出的寄存器HC595，这样就可以节省单片机的接口。

3.3.3 流程图

本设计的流程图如图5所示。

图5 系统程序流程图

4 机械手爪的应用

设计的该型手爪应用到了零件存取机器人上，如图6所示。随着机器人的空间运动，在两个操作臂（两个运动滑台构成）的共同作用下，手爪能够接近要抓的物体；同时，手爪在电机的带动下张开，以便能够抓住物体。当物体被控制在手爪的控制范围内时，手爪夹紧物体，然后通过操作臂的伸缩运动，最终将物体置于规定的位置。试验表明，该型机械手运动可靠，平稳，满足了系统的设计要求。

5 结语

根据作业任务的特点,完成了一种机械手爪的控制系统的设计。该系统基于 AT89S52具有硬件电路结构简单、可靠性高、成本低廉以及单片机CPU负担小，控制的实时性好等优点。这种自行开发制作的控制电路板应用面较广，在其它机器人中也能取得很好的应用效果。本机械手爪应用到了实际的机器人上，具有运行可靠，机构简单的特点。

图6 机器人系统结构

[1]于殿勇,刘兴义.基于PLC与触摸屏控制的搬运机械手的应用[J].制造业自动化,2009(08):121～123

[2]王晓明.电动机的单片机控制[M].北京:北京航空航天大学出版社,2002

[3]李永明, 王健.焊接机器人控制系统的研究[J].仪表技术,2009(06):31～33

[4]何希才.传感器技术及应用[M].北京:北京航空航天大学出版社,2005

[5]孙涵芳.单片机原理及应用[M].北京:北京航空航天大学出版社,1996