摘要：機械手是工業生產的必然產物，它是一種模仿人體上肢的部分功能，本文以教學型機器人為基礎研發單片機控制器在機器人機械手定位控制中的應用。對機器人機械手的臂關節進行了測試與折算，并給出了其數學模型。在此基礎上提出了采用51單片機來提高機械手的定位精度。仿真實驗結果表明,采用此法能夠克服單純使用51單片機控制存在的死區和超調，使系統輸出超調明顯減小，定位精度得到提高。

關鍵詞：單片機控制器;機械手;位置控制

中途分類號：TP9文獻標識碼：B

0引言

20世紀80年代以來，機器人技術得到迅速發展，并在機器制造業領域中得到了廣泛應用[1]。機器人技術涉及力學、機械學、信息學、圖形學等各種知識，是典型的機電一體化產品，目前在中國也展開了這方面的研究并取得了一定的成果。

機械手是工業生產的必然產物，它是一種模仿人體上肢的部分功能，按照預定要求輸送工件或握持工具進行操作的自動化技術設備，對實現工業生產自動化，推動工業生產的進一步發展起著重要作用。因而具有強大的生命力受到人們的廣泛重視和歡迎。實踐證明，工業機械手可以代替人手的繁重勞動，顯著減輕工人的勞動強度，改善勞動條件，提高勞動生產率和自動化水平。工業生產中經常出現的笨重工件的搬運和長期頻繁、單調的操作，采用機械手是有效的。此外，它能在高溫、低溫、深水、宇宙、放射性和其他有毒、污染環境條件下進行操作，更顯示其優越性，有著廣闊的發展前途。液壓機械手具有快速、高效等優點。該機械手采用液壓驅動，控制手臂的伸縮、手腕的回轉和手部的抓放運動，上下運動由電機控制。

為了適應機器人教學的需要，本文以教學型機器人作為研究對象，進行教學研究。教學型機器人其主要特點為:

(1)結構上是一個五關節的機器人機械手。

(2)全部關節采用直流力矩電機和旋轉變壓器實現調相式閉環控制。

（3)系統控制單元都采用模擬分離器件。

(4)關節的傳動系統采用直齒輪和齒帶結構。

在實際教學研究工作中，JJR-1教學機器人因其控制部分采用模擬分離器件組成的電子線路,存在不同程度的零漂和不穩定因素，給系統的定位精度引入了誤差。本文首先設計了基于80C51單片機控制器為核心的全數字直流伺服控制系統，以滿足較高的控制要求，并在此基礎上展開研究工作。

1機器人機械手的工作流程

本文設計的機械手任務是將工件由左工作臺搬運到右,工作臺，示意圖如圖1所示。

圖1機械手示意圖

工作過程：當機械手處于初始位置（左上方位置）時，按下啟動按鈕后，機械手下移至左工作臺，夾緊工件后，向上回到原點；然后右移，移到位后向下至右工作臺，放下工件，再向上、向左回到初始位置，完成一次動作周期。

機械手的操作方式分為點動、單步、單周期和連續操作。

（1）點動操作：操作按鈕對機械手的每一種移位運動單獨進行控制。例如，當選擇上4下運動方式后，按下啟動按鈕，機械手上升；按下停止按鈕，機械手下降。當選擇左/右運動方式后，按下啟動按鈕，機械手左移，按下停止按鈕，機械手右移。當選擇夾緊/放松運動方式后，按下啟動按鈕，機械手夾緊；按下停止按鈕，機械手放松。

（2）單步操作

每按下一次啟動按鈕，機械手完成一步動作后自動停止。

（3）單周期操作

機械手從初始位置開始，按一下啟動按鈕，機械手自動完成一個周期的動作后停止，即搬運一次。在工作中若按一下停止按鈕，則機械手動作停止。重新啟動時，須用點動操作將機械手移回到原點，然后按一下啟動按鈕，機械手重新開始單周期操作。

（4）連續操作

機械手從初始位置開始，按一下啟動按鈕，機械手的動作將自動地(連續不斷地周期性循環，即連續自動搬運)在工作中若按一下停止按鈕，則機械手動作停止。重新啟動后，須用手動操作將機械手移回到原點，然后按一下啟動按鈕，機械手重新開始連續操作。在工作中若按一下復位按鈕，機械手將持續完成一個周期的動作后，回到初始位置自動停止。

2臂伸縮機構設計

手臂是機械手的主要執行部件。它的作用是支撐腕部和手部，并帶動它們在空間運動。臂部運動的目的，一般是把手部送達空間運動范圍內的任意點上，從臂部的受力情況看，它在工作中即直接承受著腕部、手部和工件的動、靜載荷，而且自身運動又較多，故受力較復雜。

機械手的精度最終集中在反映在手部的位置精度上。所以在選擇合適的導向裝置和定位方式就顯得尤其重要了。

1、手臂右腔流量，可由下面公式得到：

Q=sv

2、手臂右腔工作壓力，可由下面公式得到：

P=F/S

式中：F——取工件重和手臂活動部件總重。

3、繪制機構工作參數如表1所示：

表1機構工作參數表

3控制系統的構成

本文設計的全數字直流伺服控制系統分二級結構組成，如圖2所示。其中，采用以PC機作為上位機，用于實現關節運動的軌跡規劃、命令傳送以及關節位置信息反饋；下位機采用80C51單片機作為機械手關節位置定位的閉環控制核心。

微處理器組成的控制系統主要實現與上位機的信息交換，獲取關節運動指令信息，并及時將位置信息反饋至上位機；另外該系統還進行關節的運動控制，即將獲取的關節運動指令與從位置檢測器口獲取的反饋信息比較，進而構成閉環控制系統。

圖2控制系統結構圖

在控制器有規律的作用下，經D/A轉換輸出(電壓)信號實現對力矩電機的定位控制，系統結構如圖3。圖3中的θ表示機械手輸出轉過的角度；θg表示給定角度；θf表示反饋角度。

圖3臂關節控制模型

針對機器人機械手，只要研究其定位的精度而對其快速性要求不高，因此在本系統中采用了單閉環控制系統，以臂關節為例，確定其數學模型在機械手臂關節對象中，一般將直流力矩電機模型以兩個慣性環節來簡化，其表達式為：

式中:Tm為電磁時間常數；Tl為電機時間常數；K為驅動電路的放大倍數以及電機減速器減速比的綜合值；S為積分環節。

本設計傳感器采用接近開關作為工作臺有無工件的檢測。微動開關作為橫軸

、縱軸硬件限位檢測用。接近開關有三根連接線（紅、藍、黑）紅色接電源的正極，黑色接電源的負極，藍色為輸出信號。當與擋塊接近時輸出電平為低電平，否則為高電平。其原理如圖4所示。

圖4接近開關原理圖

4設計優點

（1）控制方式多

具有點動、單步、單周期、連續控制方式。

（2）傳動系統

設計采用綜合傳動方式，即手臂采用電氣傳動，而手抓采用氣壓傳動。

（3）夾緊機構

防止損壞被夾的物體，夾緊力要限制在一定的范圍內，并鑲有軟質墊片彈性襯墊或自動定心結構。為防止突然停電造成的被抓物體落下，還可以有自鎖結構。本設計采用機械夾緊機構，由電磁閥控制氣壓手爪的夾緊。

（4）手臂

手臂采用步進電機帶動絲杠、螺母來實現伸縮和升降運動。由可編程控制器發出脈沖信號，控制步進電機旋轉，帶動滾珠絲杠旋轉，完成手臂的運動。改變發出脈沖的個數，可控制手臂的兩個軸運動的距離，同時在兩軸的兩端分別加限位開關限位。采用絲杠、螺母結構傳動的特點是易于自鎖，位置精度較高，傳動效率較高。

5結論

對于采用單片機的控制系統而言，當誤差較大時，控制系統的主要任務是消除誤差，即要求誤差在控制規則中的加權應大些。相反當誤差較小，系統接近穩態時，控制系統的主要任務是使系統盡快穩定，減小超調，即要求在控制規則中誤差變化率的加權應大些，這樣就實現了對控制規則的自調整。實驗結果表明,系統的超調量明顯減小,控制精度得到改善。

6參考文獻

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