摘要：機(jī)械手是工業(yè)生產(chǎn)的必然產(chǎn)物，它是一種模仿人體上肢的部分功能，本文以教學(xué)型機(jī)器人為基礎(chǔ)研發(fā)單片機(jī)控制器在機(jī)器人機(jī)械手定位控制中的應(yīng)用。對機(jī)器人機(jī)械手的臂關(guān)節(jié)進(jìn)行了測試與折算，并給出了其數(shù)學(xué)模型。在此基礎(chǔ)上提出了采用51單片機(jī)來提高機(jī)械手的定位精度。仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,采用此法能夠克服單純使用51單片機(jī)控制存在的死區(qū)和超調(diào)，使系統(tǒng)輸出超調(diào)明顯減小，定位精度得到提高。

關(guān)鍵詞：單片機(jī)控制器;機(jī)械手;位置控制

中途分類號：TP9文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

0引言

20世紀(jì)80年代以來，機(jī)器人技術(shù)得到迅速發(fā)展，并在機(jī)器制造業(yè)領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用[1]。機(jī)器人技術(shù)涉及力學(xué)、機(jī)械學(xué)、信息學(xué)、圖形學(xué)等各種知識，是典型的機(jī)電一體化產(chǎn)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(jī)械手是工業(yè)生產(chǎn)的必然產(chǎn)物，它是一種模仿人體上肢的部分功能，按照預(yù)定要求輸送工件或握持工具進(jìn)行操作的自動(dòng)化技術(shù)設(shè)備，對實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化，推動(dòng)工業(yè)生產(chǎn)的進(jìn)一步發(fā)展起著重要作用。因而具有強(qiáng)大的生命力受到人們的廣泛重視和歡迎。實(shí)踐證明，工業(yè)機(jī)械手可以代替人手的繁重勞動(dòng)，顯著減輕工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，改善勞動(dòng)條件，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率和自動(dòng)化水平。工業(yè)生產(chǎn)中經(jīng)常出現(xiàn)的笨重工件的搬運(yùn)和長期頻繁、單調(diào)的操作，采用機(jī)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(huán)境條件下進(jìn)行操作，更顯示其優(yōu)越性，有著廣闊的發(fā)展前途。液壓機(jī)械手具有快速、高效等優(yōu)點(diǎn)。該機(jī)械手采用液壓驅(qū)動(dòng)，控制手臂的伸縮、手腕的回轉(zhuǎn)和手部的抓放運(yùn)動(dòng)，上下運(yùn)動(dòng)由電機(jī)控制。

為了適應(yīng)機(jī)器人教學(xué)的需要，本文以教學(xué)型機(jī)器人作為研究對象，進(jìn)行教學(xué)研究。教學(xué)型機(jī)器人其主要特點(diǎn)為:

(1)結(jié)構(gòu)上是一個(gè)五關(guān)節(jié)的機(jī)器人機(jī)械手。

(2)全部關(guān)節(jié)采用直流力矩電機(jī)和旋轉(zhuǎn)變壓器實(shí)現(xiàn)調(diào)相式閉環(huán)控制。

（3)系統(tǒng)控制單元都采用模擬分離器件。

(4)關(guān)節(jié)的傳動(dòng)系統(tǒng)采用直齒輪和齒帶結(jié)構(gòu)。

在實(shí)際教學(xué)研究工作中，JJR-1教學(xué)機(jī)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(wěn)定因素，給系統(tǒng)的定位精度引入了誤差。本文首先設(shè)計(jì)了基于80C51單片機(jī)控制器為核心的全數(shù)字直流伺服控制系統(tǒng)，以滿足較高的控制要求，并在此基礎(chǔ)上展開研究工作。

1機(jī)器人機(jī)械手的工作流程

本文設(shè)計(jì)的機(jī)械手任務(wù)是將工件由左工作臺搬運(yùn)到右,工作臺，示意圖如圖1所示。

圖1機(jī)械手示意圖

工作過程：當(dāng)機(jī)械手處于初始位置（左上方位置）時(shí)，按下啟動(dòng)按鈕后，機(jī)械手下移至左工作臺，夾緊工件后，向上回到原點(diǎn)；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(dòng)作周期。

機(jī)械手的操作方式分為點(diǎn)動(dòng)、單步、單周期和連續(xù)操作。

（1）點(diǎn)動(dòng)操作：操作按鈕對機(jī)械手的每一種移位運(yùn)動(dòng)單獨(dú)進(jìn)行控制。例如，當(dāng)選擇上4下運(yùn)動(dòng)方式后，按下啟動(dòng)按鈕，機(jī)械手上升；按下停止按鈕，機(jī)械手下降。當(dāng)選擇左/右運(yùn)動(dòng)方式后，按下啟動(dòng)按鈕，機(jī)械手左移，按下停止按鈕，機(jī)械手右移。當(dāng)選擇夾緊/放松運(yùn)動(dòng)方式后，按下啟動(dòng)按鈕，機(jī)械手夾緊；按下停止按鈕，機(jī)械手放松。

（2）單步操作

每按下一次啟動(dòng)按鈕，機(jī)械手完成一步動(dòng)作后自動(dòng)停止。

（3）單周期操作

機(jī)械手從初始位置開始，按一下啟動(dòng)按鈕，機(jī)械手自動(dòng)完成一個(gè)周期的動(dòng)作后停止，即搬運(yùn)一次。在工作中若按一下停止按鈕，則機(jī)械手動(dòng)作停止。重新啟動(dòng)時(shí)，須用點(diǎn)動(dòng)操作將機(jī)械手移回到原點(diǎn)，然后按一下啟動(dòng)按鈕，機(jī)械手重新開始單周期操作。

（4）連續(xù)操作

機(jī)械手從初始位置開始，按一下啟動(dòng)按鈕，機(jī)械手的動(dòng)作將自動(dòng)地(連續(xù)不斷地周期性循環(huán)，即連續(xù)自動(dòng)搬運(yùn))在工作中若按一下停止按鈕，則機(jī)械手動(dòng)作停止。重新啟動(dòng)后，須用手動(dòng)操作將機(jī)械手移回到原點(diǎn)，然后按一下啟動(dòng)按鈕，機(jī)械手重新開始連續(xù)操作。在工作中若按一下復(fù)位按鈕，機(jī)械手將持續(xù)完成一個(gè)周期的動(dòng)作后，回到初始位置自動(dòng)停止。

2臂伸縮機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

手臂是機(jī)械手的主要執(zhí)行部件。它的作用是支撐腕部和手部，并帶動(dòng)它們在空間運(yùn)動(dòng)。臂部運(yùn)動(dòng)的目的，一般是把手部送達(dá)空間運(yùn)動(dòng)范圍內(nèi)的任意點(diǎn)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(dòng)、靜載荷，而且自身運(yùn)動(dòng)又較多，故受力較復(fù)雜。

機(jī)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(dǎo)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(dòng)部件總重。

3、繪制機(jī)構(gòu)工作參數(shù)如表1所示：

表1機(jī)構(gòu)工作參數(shù)表

3控制系統(tǒng)的構(gòu)成

本文設(shè)計(jì)的全數(shù)字直流伺服控制系統(tǒng)分二級結(jié)構(gòu)組成，如圖2所示。其中，采用以PC機(jī)作為上位機(jī)，用于實(shí)現(xiàn)關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的軌跡規(guī)劃、命令傳送以及關(guān)節(jié)位置信息反饋；下位機(jī)采用80C51單片機(jī)作為機(jī)械手關(guān)節(jié)位置定位的閉環(huán)控制核心。

微處理器組成的控制系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)的信息交換，獲取關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)指令信息，并及時(shí)將位置信息反饋至上位機(jī)；另外該系統(tǒng)還進(jìn)行關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)控制，即將獲取的關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)指令與從位置檢測器口獲取的反饋信息比較，進(jìn)而構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)。

圖2控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

在控制器有規(guī)律的作用下，經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換輸出(電壓)信號實(shí)現(xiàn)對力矩電機(jī)的定位控制，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3。圖3中的θ表示機(jī)械手輸出轉(zhuǎn)過的角度；θg表示給定角度；θf表示反饋角度。

圖3臂關(guān)節(jié)控制模型

針對機(jī)器人機(jī)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(tǒng)中采用了單閉環(huán)控制系統(tǒng)，以臂關(guān)節(jié)為例，確定其數(shù)學(xué)模型在機(jī)械手臂關(guān)節(jié)對象中，一般將直流力矩電機(jī)模型以兩個(gè)慣性環(huán)節(jié)來簡化，其表達(dá)式為：

式中:Tm為電磁時(shí)間常數(shù)；Tl為電機(jī)時(shí)間常數(shù)；K為驅(qū)動(dòng)電路的放大倍數(shù)以及電機(jī)減速器減速比的綜合值；S為積分環(huán)節(jié)。

本設(shè)計(jì)傳感器采用接近開關(guān)作為工作臺有無工件的檢測。微動(dòng)開關(guān)作為橫軸

、縱軸硬件限位檢測用。接近開關(guān)有三根連接線（紅、藍(lán)、黑）紅色接電源的正極，黑色接電源的負(fù)極，藍(lán)色為輸出信號。當(dāng)與擋塊接近時(shí)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(guān)原理圖

4設(shè)計(jì)優(yōu)點(diǎn)

（1）控制方式多

具有點(diǎn)動(dòng)、單步、單周期、連續(xù)控制方式。

（2）傳動(dòng)系統(tǒng)

設(shè)計(jì)采用綜合傳動(dòng)方式，即手臂采用電氣傳動(dòng)，而手抓采用氣壓傳動(dòng)。

（3）夾緊機(jī)構(gòu)

防止損壞被夾的物體，夾緊力要限制在一定的范圍內(nèi)，并鑲有軟質(zhì)墊片彈性襯墊或自動(dòng)定心結(jié)構(gòu)。為防止突然停電造成的被抓物體落下，還可以有自鎖結(jié)構(gòu)。本設(shè)計(jì)采用機(jī)械夾緊機(jī)構(gòu)，由電磁閥控制氣壓手爪的夾緊。

（4）手臂

手臂采用步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)絲杠、螺母來實(shí)現(xiàn)伸縮和升降運(yùn)動(dòng)。由可編程控制器發(fā)出脈沖信號，控制步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)滾珠絲杠旋轉(zhuǎn)，完成手臂的運(yùn)動(dòng)。改變發(fā)出脈沖的個(gè)數(shù)，可控制手臂的兩個(gè)軸運(yùn)動(dòng)的距離，同時(shí)在兩軸的兩端分別加限位開關(guān)限位。采用絲杠、螺母結(jié)構(gòu)傳動(dòng)的特點(diǎn)是易于自鎖，位置精度較高，傳動(dòng)效率較高。

5結(jié)論

對于采用單片機(jī)的控制系統(tǒng)而言，當(dāng)誤差較大時(shí)，控制系統(tǒng)的主要任務(wù)是消除誤差，即要求誤差在控制規(guī)則中的加權(quán)應(yīng)大些。相反當(dāng)誤差較小，系統(tǒng)接近穩(wěn)態(tài)時(shí)，控制系統(tǒng)的主要任務(wù)是使系統(tǒng)盡快穩(wěn)定，減小超調(diào)，即要求在控制規(guī)則中誤差變化率的加權(quán)應(yīng)大些，這樣就實(shí)現(xiàn)了對控制規(guī)則的自調(diào)整。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,系統(tǒng)的超調(diào)量明顯減小,控制精度得到改善。

6參考文獻(xiàn)

[1]嚴(yán)學(xué)高.機(jī)器人原理[M].南京:東南大學(xué)出版社,1992.

[2]JackRH.MeasuringrobotrepeatabilityaapplicationofISOandANSIstandards[J].AdvancedRobotics,1996,10(5):503-520.

[3]周希章、周全等.如何正確選用電動(dòng)機(jī)[M].北京,機(jī)械工業(yè)出版社,2004

[4]張桂香,機(jī)電類專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)指南[M].北京,機(jī)械工業(yè)出版社,2005

[5]劉晟,陳杰,龔志豪,等.基于動(dòng)態(tài)查詢表的模糊控制策略及其應(yīng)用[J].北京理工大學(xué)學(xué)報(bào),2002,(3):48-50.

[6]劉全周,謝剛,謝克明,等.基于GA修正因子自調(diào)整模糊控制系統(tǒng)研究[J].太原理工大學(xué)學(xué)報(bào),2003,(1):20-22.

[7]蔡自興.機(jī)器人學(xué)[M].北京:清華大學(xué)出版社,2000.

[8]MurrayRM,LiZX,SastrySS.Amathematicalintroductiontoroboticmanipulation[M].CRCPress,1994.