0 引言

機械手是近幾十年發展起來的一種高科技自動化生產設備，它的特點是可通過編程來完成各種預期的作業任務，在構造和性能上兼有人和機器各自的優點，尤其體現了人的智能和適應性。機械手作業的準確性和各種環境中完成作業的能力，在國民經濟各領域有著廣闊的發展前景。

1 機械手的基本原理

機械手主要由手部和運動機構組成。手部是用來抓持工件(或工具)的部件，根據被抓持物件的形狀、尺寸、重量、材料和作業要求而有多種結構形式，如夾持型、托持型和吸附型等。運動機構使手部完成各種轉動(擺動)、移動或復合運動來實現規定的動作，改變被抓持物件的位置和姿勢。運動機構的升降、伸縮、旋轉等獨立運動方式，稱為機械手的自由度。自由度是機械手設計的關鍵參數。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。一般專用機械手有2～3 個自由度。

本文采用單片機 AT89S52 作為控制系統的核心部件，在驅動系統中采用日本FUTABAS3003 舵機(即電動式)來構成基本的控制傳動系統，在機構的拼裝上采用3 自由度全金屬結構，達到自動抓取重物并轉移的目的。

2 系統硬件設計

2.1 動力系統的選擇

一個成功的機械手必須要有強大的動力系統和精準的信號系統。目前，機械手常用的動力系統有液壓式、氣動式、電動式、機械式。本文選擇電動式作為機械手的動力系統。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

在選擇好動力系統的同時，所要考慮的是如何產生控制舵機運動的控制信號，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

單片機系統實現對舵機輸出轉角的控制，必須首先完成兩個任務：首先是產生基本的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定時器中斷的初值，將20ms 分為兩次中斷執行，一次短定時中斷和一次長定時中斷。這樣既節省了硬件電路，也減少了軟件開銷，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,按下的同時控制口P1.0 發送高電平，然后設置定時器在0.7ms 后發生中斷，中斷發生后，在中斷程序里將控制口P1.0 改為低電平，并將中斷時間改為19.3ms，再過19.3ms 進入下一次定時中斷，再將控制口P1.0 改為高電平，并將定時器初值改為0.7ms，等待下次中斷到來，如此往復實現PWM 信號輸出到舵機。用修改定時器中斷初值的方法巧妙形成了脈沖信號，調整時間段的寬度便可使伺服舵機靈活運動。 為保證軟件在定時中斷里不采集其他信號，并且使發生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間過長，有可能會發生中斷程序還未結束，下次中斷又到來的后果)，所以需要將采集信號的函數放在長定時中斷過程中執行，也就是說每經過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