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[摘 要]气动机械手是一种能够模仿人的手和臂的某些动作功能，并按照固定的程序来实现抓取，搬运物件等动作的自动操作装置。本文利用单片机控制灵活、组态方便、编程简单的特点，设计了一种单片机气动机械手控制系统，从而完成机械手精确运动的控制功能。
[关键词]气动；单片机控制；机械手；系统设计
中图分类号：TE249 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）34-0378-01
机械手主要用于生产线或者流水线上，实现加工、装配过程（上料、下料）及搬运的自动化，从而代替工人劳动，节约工作时间，减轻劳动强度。机械手在一些危险性大的行业中也得到了极大的应用，促进了安全生产，保护了人类的自身安全。
1 机械手的结构
本文中的机械手主要由基座、大臂、小臂、手腕和手爪五部分组成，主要用于在自动生产线上抓取元器件或小工件，完成预定的动作。所选用的机械手的自由度是3自由度，机械手的坐标类型是圆柱坐标型。
2 机械手的总体设计
气压驱动是生产过程自动化和生产过程机械化的有效手段之一，以压缩空气作为动力源驱动气动执行元件完成一定的运动。空气没有成本，并且供给量充足，随处可得，更重要的是空气是清潔能源，对周围的环境不造成污染，也不受温度变化的影响，一般用于中小负荷机械手。单片机控制，该控制方式灵活、组态方便、编程简单，可靠性高，体积小、价格低、易于产品化，有较强的智能性。综合比较，由于目前我国中小型企业的迅速发展，对价廉物美的生产设备需求较高，因此以单片机为控制核心的设备具有一定的优势，成为很多企业的首选。总体设计如图1所示。
3 气动机械手的组成及其动作控制
气动机械手主要由三个部分组成，分别是两个直线气缸（提升气缸和伸缩气缸）及一个气动夹爪。提升气缸安装在伸缩气缸的气缸杆的前端，用于提取工件。伸缩气缸用于实现水平方向上的伸出、缩回动作。气动夹爪用于抓取工件。机械手的水平旋转位移由1.8度步距角的步进电机实现，其旋转角度为±180度。气动控制回路如图2所示。
4 控制系统的硬件设计
本次单片机系统设计中采用的是一种基于STC89C52的单片机，STC89C52系列单片机是由宏晶科技推出的新一代超强抗干扰、高速、低功耗CMOS8位微控制器。单片机与计算机之间是通过串行口进行通信的，串行通信技术是常用的通信技术之一。由于单片机的输入、输出电平和计算机中RS232的标准不一样，并且单片机输入、输出的电平不能用于远距离传输。因此，在单片机与计算机之间进行通信时，首先需要电平转换芯片MAX232转换电平。功率驱动电路主要用来控制电磁阀组，这种电路通过接收单片机的程序发出的信号来控制机械手的各个动作。所采用的功率驱动芯片是ULN2003。ULN2003是高耐压、大电流复合晶体管阵列，由七个硅NPN复合晶体管组成。
5 控制系统的软件设计
机械手的动作控制主要来自于手柄，通过手柄上的按键实现对机械手动作的控制。针对现在电脑的主板有很多已经取消了串口接口，机械手的通信及程序下载采用了USB转模拟串口的解决方案。和电脑通信时虽然使用USB线进行连接，但是实际还是采用串口通信，具体通信方法和普通的真正的电脑串口几乎没有区别。机械手的手柄或主控制板通过USB线和电脑相连进行通信时的USB通信不是真正意义上的USB通信，而是通过一个USB转RS232的接口芯片PL2303实现了USB转串口通信（称之为模拟串口或虚拟串口）。气动机械手单片机控制的软件设计是机械手可靠运行的关键。中断系统是单片机的重要组成部分，CPU通过中断功能可以分时启动多个外部设备同时工作、统一管理，并能迅速响应外部设备的中断请求，采集实时数据或故障信息，对系统进行相应处理，从而大大提高CPU的工作效率。看门狗是52单片机特有的一个功能。使用看门狗就是为了通过看门狗的复位功能，使单片机程序跑飞时能够恢复正常工作。看门狗实时监测单片机的运行状态，每当系统出现问题，就会重新启动。
6 结束语
由于不同工件的形状、重量、材料不同，所以机械手爪在抓取工件时，如果不给予一定的速度控制来约束手爪的张合力度，很容易对工件造成损坏。因此，在手爪抓取工件时，可以采用指数加减速控制和電-气比例/伺服阀，避免手爪张合过度，对易碎、易变形工件的损坏。指数加减速指的是将机器开启或关闭时速度的突然变化转变成一种能够按照一定的指数规律变化的较为圆滑的曲线。电-气比例/伺服阀的阀口按照指数加减速规律控制开口的大小，从而控制气流的流量，进而控制手爪的动作速度。本设计中，通过手柄上的快速、慢速按钮，当需要夹持易碎、易变形工件时，按下慢速按钮，让手爪慢速动作，避免用力过大，损坏工件。当夹持一般的工件时，按下快速按钮，提高工作速度。
参考文献
[1] 张萍萍.基于PLC的气动机械手控制系统设计[D].电子科技大学，2013.
[2] 李华.MCS-51系列单片机使用接口技术[M].北京：北京航空航天大学出版社，1993.
[3] 彭为.单片机典型系统设计实例精讲[M].北京：电子工业出版礼，2006.
[4] 郭梅静.气动搬运机械手的单片机控制系统研制[J].价值工程，2015，10：124-125.
作者简介
单位：山东科技大学机械电子工程学院，研究方向：机器人技术。
[关键词]气动；单片机控制；机械手；系统设计
中图分类号：TE249 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）34-0378-01
机械手主要用于生产线或者流水线上，实现加工、装配过程（上料、下料）及搬运的自动化，从而代替工人劳动，节约工作时间，减轻劳动强度。机械手在一些危险性大的行业中也得到了极大的应用，促进了安全生产，保护了人类的自身安全。
1 机械手的结构
本文中的机械手主要由基座、大臂、小臂、手腕和手爪五部分组成，主要用于在自动生产线上抓取元器件或小工件，完成预定的动作。所选用的机械手的自由度是3自由度，机械手的坐标类型是圆柱坐标型。
2 机械手的总体设计
气压驱动是生产过程自动化和生产过程机械化的有效手段之一，以压缩空气作为动力源驱动气动执行元件完成一定的运动。空气没有成本，并且供给量充足，随处可得，更重要的是空气是清潔能源，对周围的环境不造成污染，也不受温度变化的影响，一般用于中小负荷机械手。单片机控制，该控制方式灵活、组态方便、编程简单，可靠性高，体积小、价格低、易于产品化，有较强的智能性。综合比较，由于目前我国中小型企业的迅速发展，对价廉物美的生产设备需求较高，因此以单片机为控制核心的设备具有一定的优势，成为很多企业的首选。总体设计如图1所示。
3 气动机械手的组成及其动作控制
气动机械手主要由三个部分组成，分别是两个直线气缸（提升气缸和伸缩气缸）及一个气动夹爪。提升气缸安装在伸缩气缸的气缸杆的前端，用于提取工件。伸缩气缸用于实现水平方向上的伸出、缩回动作。气动夹爪用于抓取工件。机械手的水平旋转位移由1.8度步距角的步进电机实现，其旋转角度为±180度。气动控制回路如图2所示。
4 控制系统的硬件设计
本次单片机系统设计中采用的是一种基于STC89C52的单片机，STC89C52系列单片机是由宏晶科技推出的新一代超强抗干扰、高速、低功耗CMOS8位微控制器。单片机与计算机之间是通过串行口进行通信的，串行通信技术是常用的通信技术之一。由于单片机的输入、输出电平和计算机中RS232的标准不一样，并且单片机输入、输出的电平不能用于远距离传输。因此，在单片机与计算机之间进行通信时，首先需要电平转换芯片MAX232转换电平。功率驱动电路主要用来控制电磁阀组，这种电路通过接收单片机的程序发出的信号来控制机械手的各个动作。所采用的功率驱动芯片是ULN2003。ULN2003是高耐压、大电流复合晶体管阵列，由七个硅NPN复合晶体管组成。
5 控制系统的软件设计
机械手的动作控制主要来自于手柄，通过手柄上的按键实现对机械手动作的控制。针对现在电脑的主板有很多已经取消了串口接口，机械手的通信及程序下载采用了USB转模拟串口的解决方案。和电脑通信时虽然使用USB线进行连接，但是实际还是采用串口通信，具体通信方法和普通的真正的电脑串口几乎没有区别。机械手的手柄或主控制板通过USB线和电脑相连进行通信时的USB通信不是真正意义上的USB通信，而是通过一个USB转RS232的接口芯片PL2303实现了USB转串口通信（称之为模拟串口或虚拟串口）。气动机械手单片机控制的软件设计是机械手可靠运行的关键。中断系统是单片机的重要组成部分，CPU通过中断功能可以分时启动多个外部设备同时工作、统一管理，并能迅速响应外部设备的中断请求，采集实时数据或故障信息，对系统进行相应处理，从而大大提高CPU的工作效率。看门狗是52单片机特有的一个功能。使用看门狗就是为了通过看门狗的复位功能，使单片机程序跑飞时能够恢复正常工作。看门狗实时监测单片机的运行状态，每当系统出现问题，就会重新启动。
6 结束语
由于不同工件的形状、重量、材料不同，所以机械手爪在抓取工件时，如果不给予一定的速度控制来约束手爪的张合力度，很容易对工件造成损坏。因此，在手爪抓取工件时，可以采用指数加减速控制和電-气比例/伺服阀，避免手爪张合过度，对易碎、易变形工件的损坏。指数加减速指的是将机器开启或关闭时速度的突然变化转变成一种能够按照一定的指数规律变化的较为圆滑的曲线。电-气比例/伺服阀的阀口按照指数加减速规律控制开口的大小，从而控制气流的流量，进而控制手爪的动作速度。本设计中，通过手柄上的快速、慢速按钮，当需要夹持易碎、易变形工件时，按下慢速按钮，让手爪慢速动作，避免用力过大，损坏工件。当夹持一般的工件时，按下快速按钮，提高工作速度。
参考文献
[1] 张萍萍.基于PLC的气动机械手控制系统设计[D].电子科技大学，2013.
[2] 李华.MCS-51系列单片机使用接口技术[M].北京：北京航空航天大学出版社，1993.
[3] 彭为.单片机典型系统设计实例精讲[M].北京：电子工业出版礼，2006.
[4] 郭梅静.气动搬运机械手的单片机控制系统研制[J].价值工程，2015，10：124-125.
作者简介
单位：山东科技大学机械电子工程学院，研究方向：机器人技术。