一種平面搬運機械手控制系統(tǒng)的設(shè)計

【摘 要】設(shè)計了一種基于AT89S52單片機的平面搬運機械手控制系統(tǒng)，采用兩個步進電機控制機械手臂在X軸和Y軸上精確移動，完成對平面上指定方位物件的抓取和搬運功能，并能在人性化的操作界面下實現(xiàn)智能監(jiān)控。

【關(guān)鍵詞】機械手；單片機；控制系統(tǒng)

工業(yè)機械手是一種能夠自動控制、可重復(fù)編程、可在三維空間完成各種作業(yè)的自動化生產(chǎn)設(shè)備。它能模仿人手臂的某些動作，按固定程序指令抓取、搬運物件或操作工具。機械手特別適合于多品種、變批量的柔性生產(chǎn)，可長時間進行循環(huán)工作，減輕人的工作勞動強度，避免人大量重復(fù)性的工作，并在某些高溫、有毒、危險的環(huán)境中完成人所不能進行的工作。

本文設(shè)計了一種可對目標(biāo)物體進行穩(wěn)定抓取的小型化、輕量化的機械手系統(tǒng)。采用AT89S52單片機作為整個系統(tǒng)的控制器，通過給電機驅(qū)動芯片發(fā)送脈沖信號，經(jīng)驅(qū)動芯片放大后輸出給步進電機帶動機械手，實現(xiàn)了對平面內(nèi)物體的搬運，達到了良好的控制效果。

一、機械手控制系統(tǒng)總體方案設(shè)計

分別采用兩個滑桿作為機械手的手部與臂部，單片機同時控制兩個步進電機正反轉(zhuǎn)以驅(qū)動機械手手部與臂部的運動。其中，步進電機1控制臂部左右移動，步進電機2控制手部上升下降。機械手搬運系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示：

從圖1中可以看出，機械手主要完成將工件從右工作臺搬運至左工作臺的功能。通過鍵盤設(shè)定X-Y軸坐標(biāo)，機械手自動移動至設(shè)定坐標(biāo)抓取工件，并將工件抓回設(shè)定坐標(biāo)放下，通過改變步進電機的脈沖頻率可以調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速。

機械手的運動流程可分為8個動作，分別是從原點出發(fā)，臂部伸出到指定位置，手部下降到指定位置，爪機抓取工件，延時一段時間等待爪機抓好工件后，手部開始上升，等手部收回動作完成后，臂部開始收回至原點位置處，原點即為左工作臺的位置，手部下降放下并延時等待爪機放松工件，最終手部再上升回原點位置，完成整個的搬運動作。機械手運動流程圖如圖2所示：

二、機械手系統(tǒng)功能模塊的實現(xiàn)

（一）單片機最小系統(tǒng)

單片機最小系統(tǒng)包括：復(fù)位電路，晶振電路等基本電路。采用12MHZ頻率的晶振，機器周期為1us，振蕩電容C2、C3為30pF。單片機P0口接上拉電阻后作為LCD1602的數(shù)據(jù)端，P1口連接鍵盤，P2口的輸出作為步進電機驅(qū)動芯片的輸入。

（二）步進電機驅(qū)動控制電路

采用28BYJ48型步進電機作為機械手的執(zhí)行機構(gòu)，兩個步進電機分別驅(qū)動機械手的臂部與手部，以使機械手能夠沿X軸或Y軸運動。步進電機28BYJ48型四相八拍永磁式減速步進電機，電壓為DC5V-DC12V。當(dāng)對步進電機施加一系列連續(xù)不斷的控制脈沖時，它可以連續(xù)不斷地轉(zhuǎn)動。每一個脈沖信號對應(yīng)步進電機的某一相或兩相繞組的通電狀態(tài)改變一次，也就對應(yīng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一定的角度（步距角）。當(dāng)通電狀態(tài)的改變完成一個循環(huán)時，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一個齒距。本系統(tǒng)通過兩個步進電機的正反轉(zhuǎn)實現(xiàn)對物體的搬運。

（三）控制鍵盤及顯示器的設(shè)計

采用4×4的矩陣鍵盤，鍵盤按鍵共四個引腳，相互垂直的兩個引腳導(dǎo)通。按鍵的消抖采用了軟件消抖的方式，即每次掃描到按鍵導(dǎo)通都會延時10ms，延時后再次檢測按鍵是否導(dǎo)通，如果仍然導(dǎo)通，則輸出對應(yīng)的鍵值。當(dāng)有一個按鍵按下時，其余按鍵都停止掃描，所以一次只能掃描輸出一個鍵值。本系統(tǒng)采用鍵盤輸入三位的位移值，并由步進電機執(zhí)行位移值。機械手控制系統(tǒng)采用LCD1602液晶顯示，分別顯示兩行，第一行的值為矩陣鍵盤輸入的三位設(shè)定值，第二行為手部的實時位置。

三、機械手軟件設(shè)計

機械手控制系統(tǒng)通過單片機控制電機的正反轉(zhuǎn)來實現(xiàn)機械手臂部和手部的伸縮和上升下降，然后通過電磁鐵控制爪機的抓取和放松，從而實現(xiàn)整個機床平面搬運機械手的工件搬運動作。搬運機械手控制系統(tǒng)的程序流程如圖3所示。

四、結(jié)束語

設(shè)計并介紹了一種基于單片機控制的平面搬運機械手系統(tǒng)，實現(xiàn)了對平面內(nèi)指定工件搬運的精確控制和搬運過程的狀態(tài)顯示。系統(tǒng)操作方便、穩(wěn)定可靠，可廣泛應(yīng)用于科研教學(xué)實踐和工業(yè)生產(chǎn)過程中。

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