田園

摘要：本文以仿人機(jī)械手運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)為研究對(duì)象，提出了針對(duì)機(jī)械手運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。重點(diǎn)放在了控制系統(tǒng)的構(gòu)成和設(shè)計(jì)方面。系統(tǒng)以STC15F204EA單片機(jī)為控制核心，通過位置及力矩傳感器采集檢測(cè)機(jī)械手對(duì)被抓物體的夾緊力的大小，反饋給單片機(jī)運(yùn)算得出機(jī)械手指運(yùn)動(dòng)位移量并發(fā)出指令給驅(qū)動(dòng)器，帶動(dòng)微電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的物體抓握。

關(guān)鍵詞：仿人 機(jī)械手 單片機(jī)STC15F204EA 驅(qū)動(dòng)器 步進(jìn)電機(jī)

中圖分類號(hào)： TP241 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)1672-3791（2015）04（a）-0000-00

中國(guó)在《國(guó)家中長(zhǎng)期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要》中，把“服務(wù)機(jī)器人”研發(fā)作為重點(diǎn)項(xiàng)目。機(jī)械手是“服務(wù)機(jī)器人”的關(guān)鍵部位，在各種護(hù)理機(jī)器人、陪護(hù)機(jī)器人、中醫(yī)按摩機(jī)器人中，機(jī)械手是機(jī)器人完成“服務(wù)”任務(wù)必不可缺的一部分。設(shè)計(jì)并制造具有感知能力的擬人化機(jī)器手，并對(duì)擬人機(jī)械手的材質(zhì)、機(jī)械結(jié)構(gòu)、控制技術(shù)進(jìn)行了深入的調(diào)查研究。將微小型步進(jìn)電機(jī)和齒輪減速器引入擬人化靈巧機(jī)械手設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)中，實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的大扭矩抓取和擬人化；機(jī)械手裝有位置、力、力矩等多種傳感器，可實(shí)現(xiàn)機(jī)械手認(rèn)知能力，且所有部件均集成在手指和手掌內(nèi)。開發(fā)具有認(rèn)知能力的擬人化靈巧機(jī)械手集機(jī)、電、計(jì)算機(jī)軟硬件、信號(hào)源處理于一體。有5個(gè)相同結(jié)構(gòu)的模塊化手指，具有擬人化手形外觀及認(rèn)知抓取能力。通過對(duì)擬人化靈巧機(jī)械手的研究，帶動(dòng)更多前沿學(xué)科與機(jī)器人技術(shù)的交叉和融合，促進(jìn)我國(guó)“機(jī)器人”的進(jìn)一步發(fā)展，提高其技術(shù)水平和國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力。

1 仿人機(jī)械手工作機(jī)理分析

仿人機(jī)械手主要由手掌、手指機(jī)構(gòu)、拇指機(jī)構(gòu)和所有的手指驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)組成。手掌內(nèi)放的驅(qū)動(dòng)直流小電機(jī)，節(jié)約了手的空間，縮小了體積；手指機(jī)構(gòu)包括小指、無名指、中指和食指，它們都由相同的構(gòu)件組成，包括兩個(gè)關(guān)節(jié)前指和后指，前指和后指使用螺釘連接，可以減小手指的大小。各指之間使用軸連接，用軸套保持之間的距離，防止發(fā)生碰撞。拇指機(jī)構(gòu)是單獨(dú)的零件體，單獨(dú)與四指機(jī)構(gòu)用連桿連接，減小了機(jī)構(gòu)的復(fù)雜性，有利于優(yōu)化機(jī)構(gòu)。傳動(dòng)機(jī)構(gòu)包括電機(jī)軸齒輪、減速齒輪、驅(qū)動(dòng)手指機(jī)構(gòu)的半齒和帶動(dòng)拇指的連桿組成。仿人機(jī)械手運(yùn)動(dòng)的過程是以手掌為基座，電機(jī)固定在手掌內(nèi)，帶動(dòng)齒輪實(shí)現(xiàn)各級(jí)減速，半齒連接在四指上，當(dāng)半齒轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)帶動(dòng)四指張合，四指和拇指是由連桿連接，所以四指動(dòng)的時(shí)候拇指也隨之而動(dòng)，且與四指相反，從而最終實(shí)現(xiàn)物體抓握。

2仿人機(jī)械手控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖3-1仿人機(jī)械手控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

如圖3-1所示為基于單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的仿人機(jī)械手控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖。其工作方式如下：

其中MCU為單片機(jī)處理器，信號(hào)采集模塊包括位置傳感器模塊和力矩傳感器模塊。這兩個(gè)傳感器模塊的主要功能是檢測(cè)對(duì)被抓物體的夾緊力地大小，同時(shí)生成模擬量的電信號(hào)，然后再通過單片機(jī)內(nèi)部自帶有的A/D轉(zhuǎn)換芯片將模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，單片機(jī)將得到的數(shù)字信息存儲(chǔ)起來，等到要處理的時(shí)候進(jìn)行處理。

當(dāng)單片機(jī)根據(jù)采集到的夾緊力對(duì)應(yīng)的電壓信號(hào)來算得手指的運(yùn)動(dòng)的位移，向外部驅(qū)動(dòng)電路發(fā)送不同的位移信息。外部的電機(jī)驅(qū)動(dòng)器將接收到的數(shù)字信息進(jìn)行處理，最后進(jìn)行對(duì)電機(jī)運(yùn)行的控制。

2.2控制器芯片的選擇

在設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)的過程中，對(duì)控制芯片的選擇至關(guān)重要，從系統(tǒng)的穩(wěn)定性，性能和價(jià)格等方面考慮選擇STC15F204EA單片機(jī)。

STC15F204EA系列單片機(jī)是STC公司生產(chǎn)的單時(shí)鐘機(jī)器周期的單片機(jī)，是高速、高可靠、低功耗、抗干擾的新一代8051單片機(jī)，可設(shè)置5MHZ-35MHZ寬范圍頻率，可徹底省掉外部昂貴的晶振，自帶8路高速A/D轉(zhuǎn)換功能，無需在系統(tǒng)再搭建模數(shù)轉(zhuǎn)換電路。

2.3電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊的設(shè)計(jì)

2.3.1驅(qū)動(dòng)芯片的選擇

L293是ST公司生產(chǎn)的一種高電壓、小電流電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片。該芯片采用16腳封裝。主要特點(diǎn)是：工作電壓高，最高工作電壓可達(dá)36V；輸出電流大，瞬間峰值電流可達(dá)2A，持續(xù)工作電流為1A。內(nèi)含兩個(gè)高電壓大電流全橋式驅(qū)動(dòng)器，可以用來驅(qū)動(dòng)直流電動(dòng)機(jī)和繼電器線圈等感性負(fù)載；該芯片可以驅(qū)動(dòng)兩臺(tái)直流電機(jī)。引腳P1用于M1電機(jī)PWM輸入控制，引腳P2用于M2電機(jī)PWM輸入控制。

2.3.2單片機(jī)與驅(qū)動(dòng)器之間的接線與參數(shù)設(shè)置

本文所采用的單片機(jī)STC15F204EA可以控制驅(qū)動(dòng)器L293驅(qū)動(dòng)兩臺(tái)微電機(jī)。分別是M1和M2。引腳P1、P2可用于接收單片機(jī)輸出的PWM脈寬調(diào)制信號(hào)以實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)進(jìn)行調(diào)速控制。實(shí)現(xiàn)電機(jī)正反轉(zhuǎn)是通過D1和D2兩個(gè)端口控制的，輸入信號(hào)端D1接高電平，電機(jī)M1正轉(zhuǎn)，如果接低電平，電機(jī)就反轉(zhuǎn)?？刂屏硪慌_(tái)電機(jī)是同樣的方式，驅(qū)動(dòng)器L293輸入信號(hào)端D2接高電平，電機(jī)M2正轉(zhuǎn)，反之則反轉(zhuǎn)，PWM信號(hào)端P1控制電機(jī)M1速度，PWM信號(hào)端P2控制電機(jī)M2速度。下圖3-2為仿人機(jī)械手控制系統(tǒng)接線原理圖，詳細(xì)地繪制了單片機(jī)控制驅(qū)動(dòng)器并連接兩臺(tái)電動(dòng)機(jī)的工作過程。

圖3-2 控制系統(tǒng)接線原理圖

3控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本控制系統(tǒng)所采用STC15F204EA單片機(jī)對(duì)應(yīng)晶振為12MHZ，利用定時(shí)器控制產(chǎn)生占空比可變的PWM脈沖信號(hào)。PWM輸出范圍為0% -100%，PWM的周期1ms，頻率1KHZ，且輸出低電平有效。

如下是控制機(jī)器人左右機(jī)械手運(yùn)動(dòng)的兩臺(tái)直流電機(jī)PWM調(diào)速的部分程序

#include；

Sbit KEY_M1_SW =P1^0//M1：?jiǎn)?dòng)或停止；

Sbit KEY_M1_DR =P1^1//M1：正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)；

Sbit KEY_M1_ADD =P1^2；//M1：PWM加一；

Sbit KEY_M1_SUB =P1^3；//M1：PWM減一；

Sbit KEY_M2_SW =P1^4；//M2：?jiǎn)?dòng)或停止；

Sbit KEY_M2_DR =P1^5；//M2：正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)；

Sbit KEY_M2_ADD =P1^6；//M2： PWM加一；

Sbit KEY_M2_SUB =P1^7；//M2： PWM減一；

//輸出控制引腳；

Sbit PWM1_OUT=P3^0； //M1：PWM的輸出腳；

sbit MOTOR1_DR=P3^1；//M1：電機(jī)轉(zhuǎn)向控制；

sbit PWM2_OUT=P3^2；//M2：PWM的輸出腳；

sbit MOTOR2_DR=P3^3；//M2：電機(jī)轉(zhuǎn)向控制；

sbit BEEP=P3^7；//蜂鳴器；

//電機(jī)的占空比；

Unsigned char PWM1_value=50；//賦初值 50%；

Unsigned char PWM2_value=50；//賦初值 50%；

主程序

Void main（void）

{

PWM_INIT（）：//PWM初始化

While（1）

{

KEY_SCAN（）：//按鍵掃描

}

}

4結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種仿人機(jī)械手運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)充分利用了仿人機(jī)械手結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、重量輕，拆卸方便，各手指間都可安裝傳感器的優(yōu)點(diǎn)，能使控制更加靈活，安全性增強(qiáng)，滿足了仿人機(jī)械手對(duì)控制系統(tǒng)的要求。以STC15F204EA單片機(jī)為控制核心，通過與位移及力矩采集模塊之間的通信，實(shí)現(xiàn)了信息的良好通訊。通過驅(qū)動(dòng)芯片L293驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械手抓握物體的良好控制。

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