機械手的硬件控制系統電路設計

邱紅偉

（廣西壯族自治區特種設備檢驗研究院，廣西 南寧 530200）

機械手，指能模仿人手和臂的某些動作功能，用以按固定程序抓取、搬運物件或操作工具的自動操作裝置。其主要由執行機構、驅動機構和控制系統三大部分組成。它可代替人進行繁重勞動以實現生產的機械化和自動化，廣泛應用于機械制造、輕工和原子能等部門。機械手是在機械化，自動化生產過程中發展出來的一種新型裝置[1]。在現代生產過程中，機械手被廣泛運用于自動生產線中。它能自動化定位控制并可重新編程序，有多個自由度，可用來搬運物體，在不同環境中作業。

一、機械手核心控制器設計

機械手核心控制器內部包括輸入輸出設備、程序存儲器、數據存儲器及中央處理器。對于需要靈活機動，精度要求不高，有可擴展性及程序可擦寫和簡單成熟的編程平臺等要求，單片機恰恰是最合適的選擇。

機械手驅動中電機調速一般都采用PWM方式，并且從傳感器得到的信號需要經過A/D轉換才能送給單片機處理。控制器ATMEGA8單片機具有豐富的資源，指令周期短，工作速度快，低功耗，具有8K閃存，相當于兩片89C51，且體積小巧。ATMEGA8 最大的優點是芯片內部集成了三路PWM輸出和6路10位A/D轉換器[2]。由于自身已經集成了這兩大功能，選用ATMEGA8可使整個電路設計簡單。由于ATMEGA8為28腳，比89C51體積更小，程序存儲器又比89C51大一倍，故選用ATMEGA8單片機作為控制核心。

選用的ATMEGA8單片機是PDIP封裝，其中有23個輸入輸出接口，有28腳。B口、D口為8位雙向I/O口，C口只有7位。這23個口均具有可編程的內部上拉電阻，其輸出緩沖器均具有對稱的驅動特性，可以輸出和吸收大電流。但作為輸入使用時，如果內部上拉電阻使能，端口被外部電路拉低時將輸出電流。在復位過程中，即使系統時鐘還未起振，端口B、C、D將處于高阻狀態。

主控電路的設計核心是ATMEGA8單片機，外接機械手驅動模塊和反饋信號模塊、電源等硬件電路。單片機ATMEGA8采用+5V的直流電源供電，工作在8MHZ的頻率下。根據ATMEGA8各引腳功能，三個口B口、C口和D口，各口功能分配如下：B口輸出PWM和接晶振電路；C0—C1為AD轉換接口，處理反饋信號的模擬電壓；D口產生電機驅動信號及進行串口通信（見圖1）。

圖1 機械手核心控制電路圖

二、機械手通信模塊設計

機械手主通信模塊主要是與各單片機主控制模塊進行通信，協調各單片機之間的工作和發送各種命令，同時也通過USB轉串口模塊與PC機通信，接收或發送命令和數據，主通信模塊之間進行多機通信從而控制電機，并通過反饋信號采集模塊采集機械手的位置信息從而實現機械手的定位。ATMEGA128是ATMEL公司的8位系列單片機的最高配置的一款單片機，是低功耗、高性能的AVR 8位微處理器，具有53個可編程I/O 口線、兩個可編程的串行USART，128K字節的系統內可編程Flash，4K字節的EEPROM，4K字節的內部SRAM[3]。ATMEGA128的強大功能使得相對于使用其他單片機而言，減少了很多的外圍元件，系統的可靠性得到了增加，成本也相對較低，因此，機械手主通信模塊采用ATMEGA128為控制核心（見圖2）。

圖2 機械手的通信模塊

三、機械手驅動模塊設計

1.直流電機驅動電路設計

在機械手設計中選用了L298電機驅動專用芯片。驅動芯片L298是非常好的小型直流電機驅動芯片之一。它可以用來專門驅動兩個直流電機。在6—46V的電壓下，可以提供2A的額定電流。L298過熱后會自動關斷，并且有電流檢測反饋功能[4]。為了保證L298正常工作，需要安裝片外續流二極管。

L298芯片內部集成了兩個H橋功放電路，可以直接驅動兩個直流電機。A、B、C、D分別對應A橋的四個晶體管，使能端EN A接高電平，SENSE A接地。IN1輸入高電平時，A管導通，C管不通，IN2輸入低電平，D管導通，B管不通，即A，D管通，電機順時針轉；反之，IN1輸入低電平時，A管不通，C管導通，IN2輸入高電平，B管導通，D管不通，即B，C管通，電機逆時針轉。

采用反相器7406增加單片機的帶載能力，同時也起到單片機與L298的隔離作用；因為電機采用的是12V電源，而單片機和L298用5V的電源，電容起到對電源的濾波作用，可以減少電機對單片機或其他電路的干擾作用[5-6]。在電機驅動中，采用單極性PWM方式。兩路PWM由ATMEGA8的PD端口采用定時器的功能產生，通過7406把脈沖送入L298的ENA和ENB端。而電機的正反轉可通過L298的INPUT端口來控制。經上述分析可設計出L298驅動電機的原理圖（見圖3）。

圖3 L298驅動電機原理圖

2.末端執行器舵機驅動設計

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。

舵機是一種位置伺服的驅動器，適用于那些需要角度不斷變化并可以保持的控制系統[7]。其工作原理是：控制信號由接收機的通道進入信號調制芯片，獲得直流偏置電壓。它內部有一個基準電路，產生周期為20ms，寬度為1.5ms的基準信號，將獲得的直流偏置電壓與電位器的電壓相比較，獲得電壓差輸出。最后，電壓差的正負輸出到電機驅動芯片決定電機的正反轉。當電機轉速一定時，通過級聯減速齒輪帶動電位器旋轉，使得電壓差為0，電機停止轉動。

舵機的控制信號是PWM信號，利用占空比的變化改變舵機的位置。因此，可以利用ATMEGA8的OC1A、OC1B來產生相應的PWM控制信號。

四、反饋信號采集模塊設計

機械手的反饋信號主要是位置信號，因為反饋信號主要是通過連接在機械手各轉動軸上的多圈電位器來產生的，因各旋轉軸轉動的角度較小，所以通過電位器產生的反饋信號比較小。可以通過電橋電路的和差特性對電位器產生的信號進行采集并放大后送到單片機進行AD轉換后獲得機械手的位置信息。

一般地，被測量是非常微弱的，必須用專門的電路來測量這種微弱的變化，最常用的電路就是各種電橋電路，主要有直流和交流電橋電路。本設計采用的是直流電橋，采用直流電源供電的橋式電路，把電阻片的電阻變化率ΔR/R轉換成電壓輸出，然后提供給放大電路放大后進行測量。利用直流電橋對反饋信號進行采集放大后，利用ATMEGA8單片機自帶的10位AD轉換功能進行AD轉換，得出機械手的位置信息，用LM358進行差分放大，可有效地抑制干擾信號對反饋信號的影響和單片機對機械手的位置判斷。

直流電橋是指采用直流電源供電的橋式電路。電橋電路的作用是把電阻片的電阻變化率ΔR/R轉換成電壓輸出，然后提供給放大電路放大后進行測量。由此可以利用直流電橋對反饋信號進行采集放大后，利用ATMEGA8單片機自帶的10位AD轉換功能進行AD轉換，得出機械手的位置信息，如圖4所示為反饋信號采集模塊，圖中用LM358進行差分放大，可有效地抑制干擾信號對反饋信號的影響和單片機對機械手的位置判斷。

圖4 反饋信號采集模塊

結語

在現今的生活上,科技日新月益的進展之下,機械人手臂與有人類的手臂最大區別就在于靈活度與耐力度。機械手臂的應用也將會越來越廣泛,機械手是近幾十年發展起來的一種高科技自動生產設備，作業的準確性和環境中完成作業的能力。機械手所有硬件電路從總體上可分為四個模塊：單片機主通信模塊、單片機主控模塊、電機驅動模塊、反饋信號采集模塊。以ATMEGA128為核心，控制各單片機和PC機之間進行通信，指揮機械手完成各種動作。而以ATMEGA8為控制運動電路核心，利用ATMEGA8單片機的強大功能來完成較復雜的各種控制運動，在單片機中主要是用了ATMEGA8通過軟件設置的PWM輸出和A/D轉換功能，使整個電路設計變得簡單。機械手電機驅動模塊采用了電機專用驅動芯片L298驅動兩個直流電機，L298內部自身已集成了兩個PWM功放電路。通過改變PWM的占空比調節電樞兩端電壓，實現機器人平滑調速。為了使得機械手的定位更準確、更快速，因此，就采用了閉環控制，其反饋信號由反饋信號采集模塊來實現。