1 引言
        机器人的诞生和发展与科学技术革命有着密切 的关系，符合科技革命关于生产实践需要的理论。机 器人作为一种高科技产品，也是不断发展和完善的， 这种不断的发展和完善是通过科技革命的内在推动 力来实现的。应用机械手爪可以代替人从事单调、重 复或繁重的体力劳动，实现生产的机械化和自动化[1]。
        本文基于单片机的原理，根据机械手爪的运动要 求，设计一套基于MCU 的步进电机伺服驱动系统 [2~3]，具有自动与手动两种功能，根据力反馈信息， 控制机械手爪的展开角度，并具有限位和报警功能。
        2 机械手爪结构原理
        机器人手爪 (也称末端夹持器，下面简称为手爪) 的二维结构图如图1 所 示。该手爪采用双四连杆 平行移动的外夹式转动 夹持器结构，采用两个手 指结构，开合范围大、结 构紧凑、重量轻、效率高， 可以充分保证自身刚度 和强度。其运动特点是直 线步进电机1 的拉杆与套 筒、支架同轴，支架为中 空轴结构，手指与支架轴销相连。拉杆向外延伸时CONTROL ENGINEERING China版权所有， 推动小拉杆联动，带动手指外张；拉杆内缩时，实现 手指收拢，从而实现手指的张合。在夹紧物体后，根据压力传感器2 的反馈信号，确定电机是否停止运动。

        3 控制系统设计
        3.1 控制系统的工作原理
        本设计基于单片机的原理，根据机械手爪的运动 要求，设计一套基于MCU 的步进电机伺服驱动系统， 具有自动与手动两种功能，控制机械手爪的展开角 度，并具有力反馈、限位和报警功能。本设计中核心 控制模块选择AT89S52，驱动手爪机构电机用的是 12V 的两相四线直线步进电机，步进电机的正反转控 制输入直接用两个按键，通过单片机读入开关状态从 而选择电机的正反转程序运行，驱动电路芯片选用 L298，选用压力传感器作为反馈电路的核心器件，机 构运动到一定的位置控制工程网版权所有，传感器检测到力的反馈，给单 片机一个信号[4]，单片机分析这个信号后，发出步进 电机停止信号或其它信号，从而实现反馈控制，用 HC595 缓存器接LED 构成显示电路。
        图 2 为步进电机伺服驱动系统方框图，通过一个 开关电路输入机构运动信息，单片机根据输入的信息 按照程序执行，通过驱动模块L298 驱动步进电机带动机构运动。被 控制的机构根据步进电机的正传或反转使中间的连杆上下运动，从而带动外围设备的伸张和闭合，根据 要求可以是机构伸开为一个合适的角度。另外该机构 在外力作用下，机构则会运行到一定程度后不能继续 伸张，此时会回馈单片机一个信号，单片机经程序运 行后，会发出相应的信息。
       

 3.2 控制系统的硬件设计
        本文所研究的平面关节型手爪的控制系统硬件 结构主要包括运动模块、功率放大模块、位置检测模 块和显示通信模块。本设计采用MCS-51 系列单片机 [5]，选用12V 的两相四线步进电机L298。
        L298 是SGS 公司的产品，比较常见的是15 脚 Multiwatt 封装的L298N，内部同样包含4 通道逻辑驱 动电路。可方便的驱动两个直流电机，或一个两相步 进电机。L298 可驱动一个四相步进电机或一个两相 四线步进电机。
        L298 可驱动电感性负载，1 脚和15 脚下管的发 射极分别单独引出以便接入电流采样电阻，形成电流 传感信号。L298 可驱动2 个电动机，OUT1、OUT2 和OUT3、OUT4 之间可分别接电动机，我们选用驱 动一台步进电动机。则根据L298 驱动芯片的应用原 理和本次选用步进电机的情况，本设计的驱动电路如 图3。图中L298N 的5~7、10~12 管脚接AT89S52 的 P2 口，其中5、7、10、12 脚用于接收单片机输出的 脉冲，根据控制输入按键的键值以控制步进电机进行 正反转，对于步进电机的速度控制则直接采用软件方 法，改变脉冲间隔来实现。6、11 管脚是使能端，在 应用时通过软件使其为高电平就可了。
        

       显示电路在本设计中是重要的一部分CONTROL ENGINEERING China版权所有，通过它来 实现机构角度显示，以便控制机构的运动。本设计选用HC595 锁存芯片连接LED 实现显示。LED 是一 种较为常用的发光元件。以LED 为发光元件研制的 显示屏可作为实时工业控制系统中的远距离实时信 息显示器，对高要求的工艺流程进行实时显示。
        3.3 控制系统的软件设计
        控制系统的软件部分主要包括初始化模块、运动 控制模块、压力检测模块和通信模块。单片机根据位 置检测模块获取的信息，确定机械手的速度、加速度 和位置，将这些信息传入LM629，由速度梯形图生成 速度曲线，进行位置控制。
        3.3.1 步进电机脉冲分配
        本软件设计中首要解决的问题是步进电机的脉 冲发送问题。进电机的脉冲分配有两种方法：软件法 和硬件法。软件法是完全用软件的方式，按照给定的 通电换向顺序，通过单片机的I/O 口向驱动电路发出 控制脉冲。图4 是用这种 方法控制两相四线步进 电机的硬件接口的示意 图。利用单片机的P2.4、 P2.5、P2.7、P2.8 这四条 I/O 线，向两相四线步进 电机发控制信号。
        下面就本设计用的两相四线步进电机的四拍工 作方式说明如何实现软件设计CONTROL ENGINEERING China版权所有，同时给出本次设计中 步进电机的脉冲对应的控制字。
        两相四线四拍工作方式的通电换向顺序为：AB →/AB→/A/B→A/B,共有四个通电状态。如果P2 口输 出的控制信号中，1 代表是绕组通电，0 代表是绕组 断电，则可用四个控制字来对应四个通电状态。
        在程序中，只要一次将这四个控制字送到P2 口， 步进电机就会转动一个齿距角。每送一个控制字，就 完成一拍，步进电机移动一个节距，程序就是依据这 个原理进行的。

        3.3.2 显示的软件控制
        LED 显示器有静态显示和动态显示两种显示方 式。所谓静态显示，就是当显示器显示某一个字符时， 相应的发光二极管恒定地导通或截止，例如八段显示器的a,b,cwww.cechina.cn,d,e,f,dp 导通，g 截止，显示0。
        本设计的显示部分采用的是用具有三态输出功 能的8 位串行输入，并行输出移位寄存器74HC595 连接数码管而成，实际使用的是静态显示方法。虽然 静态显示占用的口较多，但是本次采用串入并出的寄 存器HC595，这样就可以节省单片机的接口。
        3.3.3 流程图
        本设计的流程图如图5 所示。

        4 机械手爪的应用
        设计的该型手爪应用到了零件存取机器人上，如 图6 所示。随着机器人的空间运动，在两个操作臂（两 个运动滑台构成）的共同作用下，手爪能够接近要抓 的物体；同时，手爪在电机的带动下张开，以便能够抓住物体。当物体被控制在手爪的控制范围内时，手 爪夹紧物体，然后通过操作臂的伸缩运动，最终将物 体置于规定的位置。试验表明，该型机械手运动可靠， 平稳，满足了系 统的设计要求。

        5 结语
        根据作业 任务的特点,完 成了一种机械 手爪的控制系统的设计。该系统基于AT89S52 具有 硬件电路结构简单、可靠性高、成本低廉以及单片机 CPU 负担小，控制的实时性好等优点。这种自行开发 制作的控制电路板应用面较广，在其它机器人中也能 取得很好的应用效果。本机械手爪应用到了实际的机 器人上，具有运行可靠，机构简单的特点。
        参考文献
        [1] 于殿勇,刘兴义.基于PLC 与触摸屏控制的搬运机械手的应 用[J].制造业自动化,2009(08):121~123
        [2] 王晓明.电动机的单片机控制[M].北京:北京航空航天大学 出版社,2002
        [3] 李永明, 王健.焊接机器人控制系统的研究[J].仪表技 术,2009(06):31~33
        [4] 何希才.传感器技术及应用[M].北京:北京航空航天大学出 版社,2005
        [5] 孙涵芳.单片机原理及应用[M].北京:北京航空航天大学出 版社,1996