基于步进电机的四自由度机械手设计与控制（单片机控制） 2
1962年美国机械制造公司也实验成功一种叫Vewrsatran机械手。该机械手的中央立柱可以回转、升降采用液压驱动控制系统也是示教再现型。虽然这两种机械手出现在六十年代初，但都是国外工业机械手发展的基础。
1978年美国Unimate公司和斯坦福大学，麻省理工学院联合研制一种Unimate-Vicarm型工业机械手，装有小型电子计算机进行控制，用于装配作业，定位误差小于±1毫米。联邦德国机械制造业是从1970年开始应用机械手，主要用于起重运输、焊接和设备的上下料等作业。
联邦德国KnKa公司还生产一种点焊机械手，采用关节式结构和程序控制。 日本是工业机械手发展最快、应用最多的国家。自1969年从美国引进两种机械手后大力从事机械手的研究。
前苏联自六十年代开始发展应用机械手，至1977年底，其中一半是国产，一半是进口。
目前，工业机械手大部分还属于第一代，主要依靠工人进行控制；改进的方向主要是降低成本和提高精度。
第二代机械手正在加紧研制。它设有微型电子计算控制系统，具有视觉、触觉能力，甚至听、想的能力。研究安装各种传感器，把感觉到的信息反馈，是机械手具有感觉机能。
第三代机械手则能独立完成工作过程中的任务。它与电子计算机和电视设备保持联系，并逐步发展成为柔性制造系统FMS和柔性制造单元FMC中的重要一环。
机械手的种类，按驱动方式可分为液压式、气动式、电动式、机械式机械手；按适用范围可分为专用机械手和通用机械手两种；按运动轨迹控制方式可分为点位控制和连续轨迹控制机械手等。
机械手通常用作机床或其他机器的附加装置，如在自动机床或自动生产线上装卸和传递工件，在加工中心中更换刀具等，一般没有独立的控制装置。有些操作装置需要由人直接操纵，如用于原子能部门操持危险物品的主从式操作手也常称为机械手。
随着加工行业在我国的迅速发展，各行各业的自动化装备水平越来越高，现代化加工车间，常常配有机械手，以提高生产效率，代替工人完成恶劣环境下危险、繁重的劳动。
目前，机械手常用于完成的工作有:注塑工业中用于从模具中快速抓取制品并将制品传送到下一个生产工序; 机械加工行业中用于取料、送料; 浇铸行业中用于提取高温熔液等等。本文以能够实现这类工作的搬运机械手为研究对象，针对本文作者参与的工业取料用直角坐标机械手控制系统软、硬件进行了介绍和分析。
目前市场上常见的工业取料直角坐标机械手主运动臂的控制方式主要采用液压或气压驱动。这种控制策略的优点在于结构简单，系统易于控制。但缺点是系统定位靠设定接近开关的位置来实现，定位精度低，而一旦用户要求改变取料工作类型，必须重新
基于步进电机的四自由度机械手设计与控制（单片机控制） 3
调节各液压或气压缸的定位开关，以适应新的工作任务，不利于生产过程的自动化。
国内机械手工业，铁路工业中首先在单机、专机上采用机械手上下料，减轻工人的劳动强度。 1.2.2 发展趋势
目前工业机械手主要用于机床加工、铸造、热处理等方面，无论数量、品种和性能方面还是不能满足工业发展的需要。
在国内主要是逐步扩大应用范围，重点发展铸造、热处理方面的机械手，以减轻劳动强度，改善作业条件，在应用专用机械手的同时，相应的发展通用机械手，有条件的还要研制示教式机械手、计算机控制机械手和组合机械手等。将机械手各运动构件，如伸缩、摆动、升降、横移、俯仰等机构以及根据不同类型的加紧机构，设计成典型的通用机构，所以便根据不同的作业要求选择不同类型的基加紧机构，即可组成不同用途的机械手。既便于设计制造，有便于更换工件，扩大应用范围。同时要提高速度，减少冲击，正确定位，以便更好的发挥机械手的作业。
此外还应大力研究伺服型、记忆再现型，以及具有触觉、视觉等性能的机械手，并考虑与计算机连用，逐步成为整个机械制造系统中的一个基本单元。
在国外机械制造业中工业机械手应用较多，发展较快。目前主要用于机床、横锻压力机的上下料，以及点焊、喷漆等作业，它可按照事先指定的作业程序来完成规定的操作。
此外，国外机械手的发展趋势是大力研制具有某种智能的机械手。使它具有一定的传感能力，能反馈外界条件的变化，作相应的变更。如位置发生稍许偏差时，即能更正并自行检测，重点是研究视觉功能和触觉功能。目前已经取得一定成绩。
视觉功能即在机械手上安装有电视照相机和光觉测距仪（即距离传感器）以及微型计算机。工作是电视照相机将物体形象变成视频信号，然后送给计算机，以便分析物体的种类、大小、颜色和位置，并发出指令控制机械手进行工作。
触觉功能即是在机械手上安装有触觉反馈控制装置。工作时机械手首先伸出手指寻找工作，通过安装在手指内的压力敏感元件产生触觉作用，然后伸向前方，抓住工件。手的抓力大小通过装在手指内的敏感元件来控制，达到自动调整握力的大小。总之，随着传感技术的发展机械手装配作业的能力也将进一步提高。
更重要的是将机械手、柔性制造系统和柔性制造单元相结合，从而根本改变目前机械制造系统的人工操作状态[3]。
1.3 本论文主要任务
本论文主要完成的任务如下： （1）介绍了机械手的背景和意义；
基于步进电机的四自由度机械手设计与控制（单片机控制） 4
（2）介绍了机械手的总体框架； （3）详细描述了机械手的总体研究方案；
（4）基于单片机完成了对机械手硬件部分的设计与完成。
基于步进电机的四自由度机械手设计与控制（单片机控制） 5
2 机械手的总体设计
2.1 机械手的组成
手部机构 机械手机械系统执行机构手臂机构 腰部机构 它主要由机械系统(执行机构、驱动机构)、控制系统组成。
执行机构：执行机构是机械手完成抓取工件，实现各种运动所必需的机械部件，它包括手部、腕部、手臂、机身等。
（1）手部：又称手爪或抓取机构，它直接抓取工件或夹具。
（2） 腕部：又称手腕，是连接手部和臂部的部件，其作用是调整或改变手部的工作方位。
（3）手臂：是支承腕部的部件，作用是承受工件的负荷，并把它传递到预定的位置。
（4） 机身：是支承手臂的部件，其作用是带动臂部自转、升降或俯仰运动。 A. 驱动系统：为执行系统各部件提供动力，并驱动其动力的装置。常用的 机械传动、液压传动、气压传动和电传动。
B. 控制系统：通过对驱动系统的控制，使执行系统按照规定的要求进行工作，当发生错误或故障时,发出报警信号[4-5]。
2.2 机械手设计参数
机械手（重复）定位精度：±0.5mm； 机械手最大抓重：1kg；
工件尺寸：直径约2～3cm，圆柱形，材料是铁质； 支座旋转角度为：90度（最大速度：90度每秒）；
物料盘（采用步进电机控制）每工步旋转角度：30度（最大转度：30度每秒）；
控制系统驱动机构步进电机驱动 单片机控制 图2-1机械手的组成
基于步进电机的四自由度机械手设计与控制（单片机控制） 6
手臂上下移动距离为：20cm（最大速度10cm/s）； 手臂前后移动距离为：20cm（最大速度10cm/s）；
手指开合角度为：60度（最大速度60度每秒），手爪旋转角度为360度。
2.3 机械手坐标系
本课题的机械手的坐标系采用极坐标系设计[5]。
图2-2机械手坐标系
2.4 机械手控制系统
本课题采用单片机控制器对机械手进行控制，根据机械手的工作流程编制出单片机程序，预定工作流程如图2-3所示。
归零 物料盘转一个工步 手臂伸出 手臂向下 手臂向上 手指夹紧 手指松开 手臂向下 支座顺时针转 手臂向上
图2-3机械手循环动作流程图
2.5 小结
本章节对机械手进行了总体介绍，对机械手的总体方案进行了详细介绍。对各个自由度的动作和实现作了详细的说明，根据设计综合参数确定设计方案，介绍了基于极坐标机械手的特点和原理。