单片机控制的机械手.docx
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单片机控制的机械手
摘要
机械手技术涉及到电子、机械学、自动控制技术、传感器技术和计算机技术
等科学领域，是一门跨学科综合技术。
随着工业自动化发展的需要，机械手在工
业应用中越来越重要。
文章主要叙述了机械手的设计过程，文章中介绍了机械手
的设计理论与方法。
本设计以AT89C51单片机为核心，采用LMD18200电机控制芯片达到控制直流
电机的启停、速度和方向，完成了筛选机械手基本要求和发挥部分的要求。
在筛
选机械手设计中，采用了PWM技术对电机进行控制，通过对占空比的计算达到精
确调速的目的。
【关键词】：
筛选机械手，AT89C51单片机，LMD18200电机控制芯片，PWM
技术，电机控制。
Abstract
Themanipulatortechnologyinvolvestotheelectron,mechanics,theautomaticcontroltechnology,
thesensortechnologyandthecomputertechnologyandsoonscientificfield,isaninterdisciplinary
comprehensivetechnology.Alongwiththeindustrialautomationneedtodevelop,themanipulatoris
gettingmoreandmoreimportantintheindustrialapplication.Thearticlemainlynarrated
manipulator'sdesignprocess,inthearticleintroducedmanipulator'sdesigntheoryandthemethod.
Thisdesigntakeat89C51monolithicintegratedcircuitasacore,usestheLMD18200motor
controlchiptoachievethecontroldirectcurrentmachinetoopenstops,thespeedandthedirection,
completedhasscreenedthemanipulatoressentialrequirementsandthedisplaypartrequest.In
screensthemanipulatortodesign,usedthePWMtechnologytocarryonthecontroltotheelectrical
machinery,throughthecomputationachievedtheprecisevelocitymodulationtothedutyfactorthe
goal
【Keywords】Screeningmanipulator,AT89C51monolithicintegratedcircuit,LMD18200
motorcontrolchip,PWMtechnology,motorcontrol.
1前言
1.1机械手概述
机械化、自动化已成在现代工业中突出的主题。
化工等连续性生产过程的自
动化已基本得到解决。
但在机械工业中，加工、装配等生产是不连续的，机器人
的出现并得到应用，为这些作业的机械化奠定了良好的基础。
机械手，多数是指程序可变（编）的独立的自动抓取、搬运工件、操作工具
的装置（国内称作工业机械手或通用机械手）。
机械手是一种具有人体上肢的部分功能，工作程序固定的自动化装置。
机械
手具有结构简单、成本低廉、维修容易的优势，但功能较少，适应性较差。
目前
我国常把具有上述特点的机械手称为专用机械手，而把工业机械手称为通用机械
手。
简而言之，机械手就是用机器代替人手，把工件由某个地方移向指定的工作
位置，或按照工作要求以操纵工件进行加工。
机械手一般分为三类。
第一类是不需要人工操作的通用机械手，也即本文所
研究的对象。
它是一种独立的、不附属于某一主机的装置，可以根据任务的需要
编制程序，以完成各项规定操作。
它是除具备普通机械的物理性能之外，还具备
通用机械、记忆智能的三元机械。
第二类是需要人工操作的，称为操作机
（Manipulator）。
工业中采用的锻造操作机也属于这一范畴。
第三类是专业机械
手，主要附属于自动机床或自动生产线上，用以解决机床上下料和工件传送。
这
种机械手在国外通常被称之为“MechanicalHand”，它是为主机服务的，由主机
驱动。
除少数外，工作程序一般是固定的，因此是专用的。
机械手按照结构形式的不同又可分为多种类型，其中关节型机械手以其结构
紧凑，所占空间体积小，相对工作空间最大，甚至能绕过基座周围的一些障碍物
等这样一些特点，成为机械手中使用最多的一种结构形式。
要机械手像人一样拿取东西，最简单的基本条件是要有一套类似于指、腕、
臂、关节等部分组成的抓取和移动机构——执行机构；像肌肉那样使手臂驱动－传动系统；像大脑那样指挥手动作的控制系统。
这些系统的性能就决定了运动的
机械手的性能。
一般而言，机械手通常就是由执行机构、驱动－传动系统和控制
系统这三部分组成，如图1-1所示。
图1-1机械手的一般组成
对于现代智能机械手而言，还具有智能系统，主要是感觉装置、视觉装置和
语言识别装置等。
目前研究主要集中在赋予机械手“眼睛”，使它能识别物体和躲
避障碍物，以及机械手的触觉装置。
机器人的这些组成部分并不是各自独立的，
或者说并不是简单的叠加在一起，从而构成一个机械手的。
要实现机械手所期望
实现的功能，机械手的各部分之间必然还存在着相互关联、相互影响和相互制约。
它们之间的相互关系如图1-2所示。
机械手的机械系统主要由执行机构和驱动－传动系统组成。
执行机构是机械
手赖以完成工作任务的实体，通常由连杆和关节组成，由驱动－传动系统提供动
力，按控制系统的要求完成工作任务。
驱动－传动系统主要包括驱动机构和传动
系统。
驱动机构提供机械手各关节所需要的动力，传动系统则将驱动力转换为满
足机械手各关节力矩和运动所要求的驱动力或力矩。
有的文献则把机械手分为机
械系统、驱动系统和控制系统三大部分。
其中的机械系统又叫操作机
（Manipulator），相当于本文中的执行机构部分。
2总体方案设计
2.1设计要求
生产线上有红黑两种直径为2cm厚1cm的圆铁片，设计一种机械手，该手能
自动机械手的机械系统主要由执行机构和驱动－传动系统组成。
执行机构是机械
手赖以完成工作任务的实体，通常由连杆和关节组成，由驱动－传动系统提供动
力，按控制系统的要求完成工作任务。
驱动－传动系统主要包括驱动机构和传动
系统。
驱动机构提供机械手各关节所需要的动力，传动系统则将驱动力转换为满
足机械手各关节力矩和运动所要求的驱动力或力矩。
有的文献则把机械手分为机
械系统、驱动系统和控制系统三大部分。
其中的机械系统又叫操作机
（Manipulator），相当于本文中的执行机构部分。
2总体方案设计
2.1设计要求
生产线上有红黑两种直径为2cm厚1cm的圆铁片，设计一种机械手，该手能
自动筛选出红色铁片，并把红色铁片放到指定位置。
机械手有上行/下行、左行/
右行、放松/夹紧几个运行方式。
并要求机械手有判别铁片颜色的功能，且能准确
把握铁片位置、重量、形状等因素。
该手运行路径合理，接近指定位置时能够减
速运行。
整个过程无人工操作，系统通过传感装置检测工件，工作结束后能自动
停止。
2.2基本设计思路
总体设计框图如下：
图2-1总体设计框图
2.2.1CPU
CPU部分有两种选择:
单片机控制和PLC控制。
2.2.2传动机构
传动机构种类繁多，常见的有齿轮传动、齿条传动、丝杆传动、链条传动。
由于一般的电机驱动系统输出的力矩较小，需要通过传动机构来增加力矩，提高
带负载能力。
对机械手的传动机构的一般要求有：
（1）结构紧凑，即具有相同的传动功率和传动比时体积最小，重量最轻；
（2）传动刚度大，即由驱动器的输出轴到连杆关节的转轴在相同的扭矩时角
度变形要小，这样可以提高整机的固有频率，并大大减轻整机的低频振动；
（3）回差要小，即由正转到反转时空行程要小，这样可以得到较高的位置控
制精度；
（4）寿命长、价格低。
2.2.3机械手
1.机械手的组成
机械手一般由执行机构、控制系统、驱动系统三个部分组成。
（1）执行机构
1）手腕手腕是联接手臂与末端执行器的部件，用以调整末端执行器的方
位和姿态。
2）手臂手臂是支承手腕和末端执行器的部件。
它由动力关节和连杆组
成，用来改变末端执行器的位置。
3）机座机座是机械手的基础部件，并承受相应的载荷，机座分为固定式
和移动式两类。
（2）控制系统
控制系统用来控制机械手按规定要求动作，可分为开环控制系统和闭环控制
系统。
大多数工业机械手采用计算机控制，这类控制系统分为决策级，策略级和
执行级三级：
决策级的功能是识别环境、建立模型、将工作任务分解为基本动作
序列；策略级将基本动作变为关节坐标协调变化的规律，分配给各关节的伺服系
统；执行级给出各关节伺服系统的具体指令。
（3）驱动系统
驱动系统是按照控制系统发出的指令将信号放大，驱动执行机构运动的传动
装置。
常用的由电气、液压、气动和机械等四种驱动方式。
除此之外，机械手可以配置多种传感器（如位置、力，触觉，视觉等传感器），
用以检测其运动位置和工作状态。
2.机械手的分类
机械手按坐标形式、控制方式、驱动方式和信号输入方式四种分类方法。
（1）按坐标形式分
坐标形式是指执行机构的手臂在运动时所取的参考坐标系的形式。
1）直角坐标式直角坐标机械手的末端执行器在空间位置的改变式通过三
个互相垂直的轴线移动来实现的，即沿X轴的纵向移动、沿Y轴的横向
移动及沿Z轴的升降。
这种机械手位置精度最高，控制无耦合，比较简单，
避障性好，但结构较庞大，动作范围小，灵活性差。
2）圆柱坐标式圆柱坐标机械手是通过两个移动和一个转动来实现末端执
行器空间位置的改变，其手臂的运动由在垂直立柱的平面伸缩和沿立柱升
降两个直线运动及手臂绕立柱转动复合而成。
这种机械手位置精度较高，
控制简单，避障性好，但结构也较庞大。
3）极坐标式极坐标机械手的运动式由一个直线运动和两个转动组成，即沿
手臂方向X的伸缩，绕Y轴的俯仰和绕Z轴的回转。
这种机械手占地面
积小，结构紧凑，位置精度尚可，但避障性差，有平衡问题。
4）关节坐标式关节坐标机械手主要是由立柱、大臂和小臂组成，立柱绕Z
轴旋转，形成腰关节，立柱和大臂形成肩关节，大臂和小臂形成肘关节，
大臂和小臂作俯仰运动。
这种机械手工作范围大，动作灵活，避障性好，
但位置精度低，有平衡问题，控制耦合比较复杂，目前应用越来越多。
（2）按控制方式分
1）点位控制采用点位控制的机械手，其运动为空间点到点之间的直线运
动，不涉及两点之间的移动轨迹，只在目标点处控制机械手末端执行器
的位置和姿态。
这种控制方式简单，适用于上下料、点焊等作业。
2）连续轨迹控制采用连续轨迹控制的机械手，其运动轨迹可以是空间的
任意连续曲线。
机器人在空间的整个运动过程都要控制，末端执行器在
空间任何位置都可以控制姿态。
（3）按驱动方式分
1）电力驱动电力驱动式目前采用最多的一种。
早期多采用步进电机驱
动，后来发展了直流伺服电动机，现在交流伺服电动机的应用也得到了
迅速发展。
这类驱动单元可以直接驱动机构运动，也可以通过谐波减速
器装置减速后驱动机构运动，结构简单紧凑。
2）液压驱动液压驱动的机械手具有很大的抓起能力，可抓取质量达上百
公斤的物体，油压可达7MPa，液压传动平稳，动作灵敏，但对密封性
要求较高，不宜在高温或低温现场工作，需配备一套液压系统。
3）气压驱动气压驱动的机械手结构简单，动作迅速，价格低廉，由于空
气可压缩性，导致工作速度稳定性差，气源压力一般为0.7MPa，因此抓
取力小，只能抓取重量为几公斤到十几公斤的物体。
（4）按信号输入方式分
1）人操作机械手是一种由操作人员直接进行操作的具有几个自由度的
机械手。
2）固定程序操作机械手按预先规定的顺序、条件和位置，逐步地重复执
行给定的作业任务的机械手。
3）可变程序操作机械手它与固定程序机械手基本相同，但其工作次序等
信息易于修改。
4）程序控制机械手它的作业指令是由计算机程序向机械手提供的，其控
制方式与数控机床一样。
5）示教再现机械手这类机械手能够按照记忆装置存储的信息来复现由
人示教的动作，其示教动作可自动地重复执行。
6）智能机械手采用传感器来感知工作环境或工作条件的变化，并借助其
自身的决策能力，完成相应的工作任务。
2.2.4抓取机构
抓取机构是机械手执行工作的装置，可安装夹持器、工具、传感器等。
抓取
机构可分为机械夹紧、真空抽吸、液压夹紧、磁力吸附等。
2.2.5机械手的驱动方式
该机械手一共具有三个独立的运动关节，连同末端机械手的运动，一共需要
三个动力源。
机械手常用的驱动方式有液压驱动、气压驱动和电机驱动三种类型。
这三种方法各有所长，各种驱动方式的特点见表：
方便较复杂
表2-1三种驱动方式的特点对照
机械手驱动系统各有其优缺点，通常对机械手的驱动系统的要求有：
（1）驱动系统的质量尽可能要轻，单位质量的输出功率要高，效率也要高；
（2）反应速度要快，即要求力矩质量比和力矩转动惯量比要大，能够进行频
繁地起、制动，正、反转切换；
（3）驱动尽可能灵活，位移偏差和速度偏差要小；
（4）安全可靠；
（5）操作和维护方便；
（6）对环境无污染，噪声要小；
（7）经济上合理。
2.2.6设计方案的定型
1.CPU的选择
由于单片机体积小，价格便宜且具有高稳定性和很强的抗干扰能力，因此本
设计中用单片机取代PLC控制。
2.机械手坐标形式的选择
由于本设计中精度要求较高，首先排除了极坐标式和关节坐标式，而且它们
还存在平衡问题，直角坐标式灵活性差，不利于提高工作效率。
因此为了使其工
作方式更加简单直观，机械手坐标类型选择为圆柱坐标机械手。
3.传动机构的选择
本设计要求传动方式为电机的转动带动机械手臂的上下、左右移动，即圆周
运动转换为直线运动，首先排除了带传动。
与此同时，由于设计精度要求较高，
所以链条传动也不作考虑。
剩下丝杆传动和齿轮传动，从零件的加工方面考虑，
最终确定了加工较为简单的齿轮传动。
4.抓取机构的选择
目前工业上较长采用的抓取机构为手爪。
但是本次设计要求的工件为直径2cm厚1cm的圆形铁片，抓取精度要求高，操作难度较大。
考虑到材质，因此选
择了电磁阀作为抓取机构。
通过电磁阀的通断来控制工件的抓取和放下，操作方
便。
5.驱动方式的选择
在选择驱动方式阶段，我首先考虑的是液压、气压传动，但方案存在一定缺
陷。
其中，液压装置体积太过庞大，需要专门配置一套液压系统，且对密封性要
求高，不宜在高温、低温下工作。
而气压传动由于空气的可压缩性导致工作速度、
稳定性较差，且有一定噪音。
电机选择相对较为简单，由于步进电机有步距角误
差，机械手在齿轮传动和摆动时会进一步放大该误差，因此选择伺服电机驱动。
3硬件结构设计3.1机械手尺寸的确定
由于本次设计对工作场地要求并没有明确的限制，因此机械手的尺寸也就没
有明确的规定，为了设计的方便，将机械手大臂有效距离长为280mm，小臂有效
距离长为170mm，机械手3D图如下：
图3-1机械手3D图
3.2传动部分设计
（1）机械手是有三台伺服电机驱动：
电机M1控制大臂在Z轴旋转摆动，电
机M2控制小臂在Z轴的旋转摆动，电机C控制末端执行器在Z轴的上下移动。
为了设计的方便，控制方式采用点位控制。
通过分别控制三台电机的正反转来
确定末端执行器在空间上的具体位置。
由于三台电机不是同时控制，因此不存
在相互间的干扰，从而增强了整个系统的稳定性。
（2）具体传动环节：
基座部分装有服电机M1，通过齿轮传动控制大臂旋转，
基座与大臂底座用轴承连接；大臂座装有伺服电机M2，通过齿轮、传动控制
小臂的旋转摆动；末端执行器部分装有伺服电机M3，同样通过齿轮、丝杆传
动控制末端执行器的上下移动。
（3）伺服电机
一个伺服电机内部包括了一个小型直流马达；一组变速齿轮组；一个反馈可调
电位器；及一块电子控制板。
其中，高速转动的直流马达提供了原始动力，带动
变速（减速）齿轮组，使之产生高扭力的输出，齿轮组的变速比愈大，伺服马达
的输出扭力也愈大，也就是说越能承受更大的重量，但转动的速度也愈低
图3-2伺服电机图
（4）微行伺服马达的工作原理
一个微型伺服马达是一个典型闭环反馈系统，其原理可由下图表示：
图3-3伺服电机原理图
减速齿轮组由马达驱动，其终端（输出端）带动一个线性的比例电位器作位置检
测，该电位器把转角坐标转换为一比例电压反馈给控制线路板，控制线路板将其
与输入的控制脉冲信号比较，产生纠正脉冲，并驱动马达正向或反向地转动，使
齿轮组的输出位置与期望值相符，令纠正脉冲趋于为0，从而达到使伺服马达精确定位的目的。
（5）伺服马达的控制
标准的微型伺服马达有三条控制线，分别为：
电源、地及控制。
电源线与地线用
于提供内部的直流马达及控制线路所需的能源，电压通常介于4V—6V之间，该
电源应尽可能与处理系统的电源隔离（因为伺服马达会产生噪音）。
甚至小伺服马达在重负载时也会拉低放大器的电压，所以整个系统的电源供应的比例必须合理。
输入一个周期性的正向脉冲信号，这个周期性脉冲信号的高电平时间通常在1ms
—2ms之间，而低电平时间应在5ms到20ms之间，并不很严格，下表表示出一个典型的20ms周期性脉冲的正脉冲宽度与微型伺服马达的输出臂位置的关系：
（6）选用的伺服马达
我选用的伺服马达为TowPro的，型号为SG303。
其主要技术参数如下：
转速：
0.23秒／60度。
力矩：
3.2kg•cm。
尺寸：
40.4mm×19.8mm×36mm。
重量：
0.6kg。
12V和24V电源供电。
控制周期脉冲宽度为20ms。
送出不同的正脉冲宽度是，就可以得到不同的控制效果。
控制正脉冲宽度如下：
（7）增量式编码器
编码器是把角位移或直线位移转换成电信号的一种装置。
前者成为码盘，后者称码尺．按照读出方式编码器可以分为接触式和非接触
式两种．接触式采用电刷输出，一电刷接触导电区或绝缘区来表示代码的状态是
“１”还是“０”；非接触式的接受敏感元件是光敏元件或磁敏元件，采用光敏元件时以透光区和不透光区来表示代码的状态是“１”还是“０”。
按照工作原理编码器可分为增量式和绝对式两类。
增量式编码器是将位移转
换成周期性的电信号，再把这个电信号转变成计数脉冲，用脉冲的个数表示位移
的大小。
绝对式编码器的每一个位置对应一个确定的数字码，因此它的示值只与
测量的起始和终止位置有关，而与测量的中间过程无关。
旋转增量式编码器以转动时输出脉冲，通过计数设备来知道其位置，当编码
器不动或停电时，依靠计数设备的内部记忆来记住位置。
这样，当停电后，编码
器不能有任何的移动，当来电工作时，编码器输出脉冲过程中，也不能有干扰而
丢失脉冲，不然，计数设备记忆的零点就会偏移，而且这种偏移的量是无从知道
的，只有错误的生产结果出现后才能知道。
解决的方法是增加参考点，编码器每经过参考点，将参考位置修正进计数设
备的记忆位置。
在参考点以前，是不能保证位置的准确性的。
为此，在工控中就
有每次操作先找参考点，开机找零等方法。
比如，打印机扫描仪的定位就是用的增量式编码器原理，每次开机，我们都
能听到噼哩啪啦的一阵响，它在找参考零点，然后才工作。
增量式编码器特点：
增量式编码器转轴旋转时，有相应的脉冲输出，其计数起点任意设定，可实现多
圈无限累加和测量。
编码器轴转一圈会输出固定的脉冲，脉冲数由编码器光栅的
线数决定。
需要提高分辨率时，可利用90度相位差的A、B两路信号进行倍频或更换高分辨率编码器。
（8）丝杆及螺母副
（1）.主要确定丝杆的外径d，及长度，选择螺纹的类型，牙型角β，计算出螺
纹中径d2，螺纹升角φ，定出螺距P，求出螺纹导程S。
可用下式进行计算
此公式也用来计算齿轮等圆形零件的转动惯量
i------由电机轴到丝杠一级齿轮减速器的传动比，
（10）滚动轴承
滚动轴承的类型、尺寸和公差等级均已制定有国家标准，在机械设计中只需
根据工作条件选择合适的轴承类型，尺寸和公差等级等，并进行轴承的组合结构
设计。
按滚动轴承承受载荷的作用方向，常用轴承可分为三类，即径向接触轴承、
向心角接触球轴承和轴向接触轴承。
在机械手的设计中，通常使用角接触球轴承、圆锥滚子轴承或深沟球轴承和
推力球轴承的组合件。
选择轴承要根据它所支承的轴的粗度（一般轴径的设计要
先由计算的强度来确定基本尺寸，再根据GB/T2822-81来选取标准尺寸，也可以
根据标准件如轴承等决定）来决定的，选定轴承后，还要进行轴承的寿命计算，
可以根据下面的经验公式来计算。
轴承的寿命：
4软件电路部分设计
4.1单片机的选择
（1）单片机的概念
单片机是将计算机的基本部件微型化并集成到一块芯片上的微型计算机。
通常
在芯片内含有CPU、ROM、RAM、并行I/O口、串行口、定时/计数器、中断控制系统、系统时钟及系统总线等。
（2）单片机特点
1）优异的性能价格比。
2）高、体积小、可靠性高。
单片机把各功能部件集成在一块芯片上，内部采
用总线结构，减少了各芯片之间的连线，大大提高了计算机的可靠性与抗
干扰能力。
另外，其体积小，对于强磁场环境易于采取屏蔽措施，适合在
恶劣环境下工作。
3）控制功能强。
为了满足工业控制的要求，一般单片机的指令系统种均有极
丰富的转移指令、I/O口的逻辑操作及位处理功能，单片机的逻辑控制功
能及运行速度均高于同一档次的微机。
4）低功耗、低电压，便于生产便携式产品。
5）单片机的系统扩展和系统配置叫典型、规范，容易构成各种规模的应用系
统。
（3）单片机硬件结构
1）89C52系列单片机基本配置如下：
a）微处理器
该单片机中有一个8位的微处理器，与通用的微处理器基本相同，同样包括
了运算器和控制器两大部分，只是增加了面向控制的处理功能，不仅可处理数据，
还可以进行位变量的处理。
b）数据存储器
片内为128个字节，片外最多可外扩至64k字节，用来存储程序在运行期间的工作变量、运算的中间结果、数据暂存和缓冲、标志位等，所以称为数据存储
器。
c）程序存储器
由于受集成度限制，片内只读存储器一般容量较小，如果片内的只读存储器
的容量不够，则需用扩展片外的只读存储器，片外最多可外扩至64k
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